地鐵車站異形狹長基坑地連墻變形分類及規律研究

李煒明，姚成毅，任 虹，汪為巍，石旭東，丁敬文，張燕舞

(1.武漢輕工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430023；2.橋梁工程安全控制技術與裝備湖南省工程技術研究中心(長沙理工大學), 湖南 長沙 410114；3.普渡大學 印第安納州 西拉法葉，47906;4.中鐵十九局集團有限公司，北京 100176)

近年來，我國地鐵迅猛發展，在已建、在建的地鐵線路中，地鐵車站大多位于周邊環境復雜、人流量大、建筑密集的城市中心。由于車站使用的功能要求，其基坑多為復雜、狹長的平面形狀。

對于基坑開挖導致地連墻的變形，Peck在1969年進行過經典闡述[1]，此后Clough[2]，Finno[3-4]對此展開了深入研究。我國的候學淵、劉國彬、譚勇等學者從20世紀80年代開始，進行了系列的研究[5-7]。龔曉南、張頂立等學者團隊也從不同角度分析了基坑施工引起的地面豎向沉降與地連墻的橫向變形[8-9]。國家住房和城鄉建設部、部分省份的住房和城鄉建設廳制定、頒發了相關規范[10]。

Goldberg等通過對大量實測數據的分析，提出剛性圍護結構下有3種基本的變形模式，即墻體變形平動發展、繞墻趾向坑內轉動以及墻體繞墻頂向坑內轉動，如圖1(a)，(b)和(c)所示，而柔性圍護結構最基本的變形模式為向坑內鼓脹，如圖1(d)所示。Goldberg認為，圍護結構變形可以簡化為以上4種基本的變形模式，在此基礎上，墻體變形呈組合模式[11]。

圖1 Goldberg提出的地連墻變形的基本模式

Clough和O’Rourke于1990年將因開挖引起且設有內支撐和拉錨系統圍護結構的變形形式分為懸臂式、內凸式及復合式，如圖2所示。

圖2 Clough等提出的地連墻變形類型

吳佩軫于1997年在對臺北地區基坑工程連續墻變形實測結果的研究中，將連續墻變形曲線分為4種類型：標準型、旋轉型、多折型和懸臂型，如圖3所示，并指出連續墻具體的變形形式與地層條件、測斜管的埋深等因素相關。

圖3 吳佩軫提出的地連墻變形的基本類型

龔曉南于1998年根據工程實測數據，將地連墻變形劃分為4種類型：內凸型變形、復合型變形、懸臂型變形、踢腳型變形，如圖4所示；并指出地連墻的變形取決于土層條件、圍護結構的插入比和剛度、支撐系統剛度等因素。

圖4 龔曉南提出的地連墻變形的基本類型

由此可見，對于長寬比大于10、長度可能超過300 m且各段長度與形狀存在顯著差異的地鐵車站基坑，有必要進行針對性的研究確保施工安全，為后續設計、施工提供理論參考。而對于此類復雜體系、大型體量的地下空間建設，尚未得到具有普適性的解析解，數值模型中周邊環境、邊界條件、施工工況也難免與實際工程存在差異。因此，本文基于施工實測數據對地鐵車站狹長基坑地連墻變形規律進行研究。

1 工程概況及監測方案

1.1 工程概況

選取的車站為地下二層深度12 m的島式站臺車站，車站結構形式采用公共區雙層單柱雙跨結構、設備區雙層單柱兩跨結構，總建筑面積為14 724.8 m2，共設置了4個直通地面的出入口，1個預留出入口及2組風亭，其中Ⅰ號出入口設計預留規劃路地下通道。本站范圍內設置了1條單渡線。小里程端頭為區間提供接收條件，本站大里程端頭為區間提供始發條件。主體基坑長度約293 m，寬度為20.9～24.74 m不等，標準段寬21.3 m，基坑平面呈長條形，開挖深度為16.99～18.94 m，車站底板埋深16.99 m左右，基坑所在位置均位于現狀道路下方，頂板以上覆土約3.0～3.5 m。按照湖北省建筑基坑支護的有關技術規范和規定，本基坑安全等級定為一級，基坑側壁重要性系數取1.0，基坑開挖面積為5624 m2。圖5為本文施工監測的地鐵車站基坑測點布置圖，由于現場多種原因，數據不完全，藍色測點為本文研究測點。

圖5 某城市車站基坑測點布置圖

工程圍護結構采用地連墻加內支撐的形式，地下連續墻厚度1 m，深度35 m，共115幅設計方案，支撐架設在基坑不同橫截面處有所不同，其中1～2軸采用第1道混凝土撐加2，3，4，5道鋼支撐的形式；2～4軸和28～30軸擴大端支撐設置為第1和第3道混凝土撐加第2、第4、第5道鋼支撐(混凝土腰梁)；4～28軸標準段支撐為第1和第3道混凝土撐加第2、第4、第5道鋼支撐(地連墻預埋鋼板)，每道支撐自上而下分別設置在深度0.4，4.5，7.5，11.0和14.5 m處。圖6為本文基坑地連墻、支撐平面位置示意圖，表1為施工過程中各工況的說明。

圖6 某城市車站基坑平面示意圖

表1 施工工況

1.2 地質條件

根據勘察結果，擬建場地地貌單元為長江1級階地，各土層的力學參數如圖7所示。圖中：γ為土層重度，c為土層粘聚力，φ為土層內摩擦角，Es為壓縮模量，fak為地基土承載力特征值，K為滲透系數。土層自上而下依次為：①雜填土，平均厚度2.7 m；②淤泥，平均厚度6 m；③黏土，平均厚度2.8 m；④淤泥質黏土，平均厚度6 m；⑤淤泥質黏土夾粉土、粉砂，平均厚度5.4 m；⑥黏土、粉土、粉砂互層，平均厚度4.9 m；⑦粉細砂，平均厚度5.7 m；⑧粉細砂，平均厚度11.1 m；⑨中細砂，平均厚度6.5 m；⑩中粗砂夾礫卵石，平均厚度3.8 m。

圖7 某車站土層力學參數

1.3 監測方案

本工程基坑在施工過程中共布置了32個墻體側移類監測點，施工過程中部分測點破壞，僅13個測點全周期內數據基本齊全。本工程橫向分14段、豎向分5層開挖，各測斜點監測起止時間各不相同。整體而言，基坑兩端測點監測起始時間早于中部測點，且監測持續時間相對較長；局部而言，上基坑南段監測早于北段。

2 地連墻橫向變形分類

基于已有研究，在前期工作的基礎上，將橫向變形分為反彎型、懸臂型、往復型，如圖8所示。其中，反彎型又分為3種類型，即反彎a型，反彎b型及反彎c型。往復型變形類型在空間上主要分布在基坑較短邊或拐角位置，其變形形狀隨施工墻體在一定范圍內做往復平行運動，變形程度相對較小。隨著開挖施工，懸臂型變形主要特征是以坑底為旋轉中心，墻體坑外變形呈懸臂狀，無反彎點出現；在空間分布上，懸臂型主要分布在基坑標準段上未施做土體加固的區域。反彎a型墻體變形演變主要特征是：演變過程中以反彎點為變形中心點，墻體向基坑內外兩側均有較大程度的變形增長；反彎b型以向基坑內部凸出的反彎型變形為主，演變過程可包括多個階段，該類型墻體最大坑內變形接近于3倍的最大坑外變形；反彎c型以向基坑外部反彎型變形為主，演變過程中其最大坑外變形可達到最大坑內變形的4倍，反彎點位置主要分布在1/3～2/3倍開挖深度范圍內。

圖8 地連墻的變形類型

3 地連墻橫向變形的統計特征

3.1 最大變形幅值分布

現將地連墻墻體變形按上述類別進行統計。

圖9和圖10顯示了本工程中各分類墻體最大坑內變形δm1及最大坑外變形δm2與開挖深度Hc的統計關系。

由圖9可見：本工程中墻體最大坑內變形始終小于0.110%倍的開挖深度。分別取各類型墻體最大坑內變形δm1與開挖深度Hc比值的平均值，坑內變形由大到小依次為反彎b型、反彎a型、反彎c型、往復型及懸臂型，對應統計結果依次為：0.058%，0.056%，0.027%，0.013%和0.011%倍開挖深度；該統計結果一方面能夠反映本工程中各類型墻體隨開挖施工的坑內變形發展情況，另一方面反映出根據地連墻坑內變形值的大小，同一地鐵車站基坑，確有必要進行變形類型的劃分。

圖9 不同類型墻體最大坑內變形與開挖深度關系

由圖10可見：本工程中連續墻最大坑外變形在0.131%倍開挖深度范圍內，隨著基坑開挖，坑外變形值由大到小類型依次為反彎c型、懸臂型、反彎a型、往復型及懸臂型，各類型對應最大變形值依次為0.067%，0.06%，0.058%，0.023%和0.022%倍的開挖深度。通過對連續墻最大變形δm與基坑開挖深度Hc的分析可知，對于不同變形類型的墻體，基坑內外最大變形統計結果有明顯差異，而變形形式的劃分受工程地質條件、加固方案等因素影響較大。因此，在根據基坑開挖深度預測墻體變形的同時，應結合工程實際，考慮加固方案、施工周邊環境等綜合因素的影響。

圖10 不同類型墻體最大坑外變形與開挖深度關系

圖11為17 m深度范圍內連續墻在全監測周期內累計變形最大值的分布概率，數據來源于每0.5 m深度處的監測墻體在全監測周期內的變形最大值。總體而言，本工程各深度的墻體在全監測周期內累計變形值介于[0～25)mm之間，各深度處最大坑內變形值分布在[0～20)mm之間，其中CX27測點在17 m深度處的墻體于第148個監測日時達到本工程坑內變形最大值，累計坑內變形19.11 mm。對于坑外變形部分，各深度處墻體最大變形值分布在[0～25)mm的范圍內，其中本工程坑外累計變形最大值為24.39 mm，發生在CX09測點上0.5 m深度處的墻體。

圖11 17 m深度范圍內的最大變形分布概率

以5 mm為1個梯度對變形結果進行詳細分析，全監測周期內累計變形值分布于[0～5)mm區間的概率最大，其中最大坑內變形、最大坑外變形在(0～5)mm范圍內的數據所占比例分別為74.4%和47.1%；其次為(5～10)mm的區間，其中最大坑內變形、最大坑外變形在(5～10)mm范圍內的數據分別為16.3%和35.3%。由此可見，在本工程中開挖深度范圍內連續墻最大坑內變形值在(0～10)mm區間內的概率為90.7%，最大坑外變形值在(0～10)mm內的概率占82.4%。進一步，本工程中墻體變形值在10 mm以上的概率在20%以內，最大坑內變形在(10～25)mm的概率僅占9.3%；最大坑外變形在(10～25)mm內的概率為17.6%，其中在(20～25)mm內的概率為3.9%。

3.2 各類墻體變形最大值的深度分布區間

各類型最大坑內變形深度Hδm1與開挖深度結果分析如圖12所示。往復型連續墻深度Hδm1隨開挖離散性較大，這是由于該類型墻體在全深度范圍內變形幅值較小，變化幅度也較小，對應最大變形深度Hδm在分布上規律不明顯，即各點分布較為離散。

圖12 不同類型墻體最大坑內變形深度與開挖深度關系

由圖12可見：懸臂型最大坑內變形深度Hδm1在(Hc-2，Hc+8.5)范圍內。反彎型變形的墻體坑內最大變形深度Hδm1介于(Hc-5.5，Hc+8.5)之間。其中，反彎a型Hδm1的變化區間較為集中，主要集中在(Hc-3.5，Hc+4.5)的區間范圍內，即反彎a型墻體在開挖過程中最大變形深度位于開挖面以上3.5 m至開挖面以下4.5 m的深度范圍內；反彎b型Hδm1主要介于(Hc-1，Hc+8.5)的范圍內，即最大變形深度主要集中在開挖面以上1 m至開挖面以下8.5 m的范圍內；反彎c型Hδm1分布在(Hc-5.5，Hc+7.5)區間內，懸臂型最大坑內變形深度Hδm1在(Hc-2，Hc+8.8)范圍內。 由此可見，如不考慮比較特殊的往復型，最大變形的發生深度在(Hc-5.5，Hc+8.5)的范圍內。

圖13給出了在基坑分層開挖過程中最大坑外變形深度Hδm2。由圖13可知：連續墻最大坑外變形深渡Hδm2在分布上較為集中，基坑開挖至不同深度時，連續墻Hδm2未發生明顯變化，最大坑外變形Hδm2發生在墻體頂部4.5m深度范圍以內。往復型因為側移程度小，墻體未發生大變形，變形的墻體Hδm2分布較為離散。

圖13 不同類型墻體最大坑外變形的分布深度

圖14給出了對分層開挖過程中最大側移深度Hδm分布概率進行統計的結果，連續墻最大坑內變形深度Hδm1主要分布在10～20 m的范圍內，占對應統計結果的65.2%，其中分布在10～15和15～20 m的概率均為32.6%，在20～25 m深度的概率為16.3%；分布在其他深度范圍內概率均小于10%，其中在0～5 m深度的概率為7.0%，5～10m深度的概率為4.7%，25～30 m的概率為2.3%，30～35 m的概率為4.7%。最大坑外變形深度的分布概率較為集中，Hδm2分布在0～5 m深度的概率為82.1%，即最大坑外變形基本發生在連續墻頂部。

圖14 最大側移深度的分布概率

3.3 不同測點最大變形分布區間

圖15給出了圍護結構最大側移δm與基坑開挖深度Hc的關系。圖中，引入了部分相關研究的統計結果，同時列出了本工程的變形結果。Ou分析了臺北地區10個基坑變形實測結果，研究對象以常規順做法施工為主，采用連續墻和排樁作為圍護結構，結果在(0.02%～0.13%)Hc之間[12]；廖少明分析了蘇州地區23個以上地鐵車站型基坑的變形結果，其最大側移值在(0.05%～0.4%)Hc范圍內；譚勇分析了上海某順作施工地鐵車站基坑，按設計開挖，標準段的最大側移結果在(0.05%～0.4%)Hc之間。

圖15 最大側移與開挖深度關系

本工程連續墻在不同開挖深度下最大橫向變形統計結果在0.11%Hc以內，且大部分最大側移小于0.07%Hc。與相關研究成果對比，本工程基坑δhm的分布區間小于Ou的統計范圍，與廖少明的統計范圍有交集，與Tan的統計范圍[13]較為接近。可能原因如下：本文結果僅以武漢某地鐵車站監測數據為基礎，Ou與廖少明的分析以多個基坑變形數據為基礎，差異較大。而 Tan分析是基于上海一處車站基坑，其按規范施工的統計結果與本工程較為接近。本工程分析結果在一定程度上反映了同類工程中的基坑變形特性，能為武漢及類似地質區域的后續相關研究提供一定的參考。應指出的是，本工程周邊建筑環境復雜，對于臨近建筑物及特殊區域采取了相應的保護加固措施，地基加固會減小基坑的橫向變形。此外，對于圍護結構而言，地下連續墻剛度大，整體性好，且本工程開挖深度在16.99～18.94 m之間，共設置2道混凝土支撐和3道鋼支撐，支護體系協同作用使得抗側移效果明顯。

圖16為圍護結構最大側移深度與基坑開挖深度關系的分析結果。廖少明得到的長條形基坑圍護結構Hδm的變形區間在(Hc-7，Hc+5)的范圍內，方形基坑的Hδm變形區間在(Hc-11，Hc-1)范圍內。譚勇等得到的深度分布區間在(Hc-6，Hc)之間。本工程基坑平面形狀存在多個寬度，最大坑內側移深度在分布上表現出一定的離散性，Hδm的變形區間大于類似研究結果。

圖16 最大側移深度與開挖深度關系

3.4 不同開挖深度的最大變形演化路徑

具體分析本工程各監測點在不同開挖深度時墻體最大坑內變形δm1的變化，如圖17所示。本工程中連續墻在開挖至不同深度Hc時，最大坑內變形δm1并非均呈增長的變化趨勢，在各點的監測中，CX27測點、CX22測點、CX29測點、CX31測點、CX30測點隨開挖深度的加大，最大坑內變形δm1呈增長趨勢。在δm1呈增長趨勢的變形監測點中，CX27測點與CX22測點隨著開挖，最大坑內變形增長速率較快；CX29測點與CX31測點分別在開挖至12及16 m時，最大變形發生回落，變形小于上一層土方開挖時的相應值，部分原因是在相鄰位置加設了支撐。

本工程最大坑外變形δm2隨Hc的變形規律如圖18所示。測點CX20，CX27與CX32最大坑外變形δm2在各層開挖中近似呈線性增長，CX06，CX07，CX09與CX22測點最大坑外變形δm2與開挖深度Hc的關系曲線均在16 m深度處發生轉折，開挖完成時CX09與CX22測點δm2值最大。坑底開挖階段墻體向坑外變形的速率遠大于開挖深度較淺時的變形速率，結果表明對于部分位置測點，坑底開挖階段是最大坑外變形增長最快的階段。

圖17 各測點最大坑內變形與開挖深度關系

圖18 各監測點最大坑外變形與開挖深度關系

3.5 最大日變形分布區間及其概率

通過對基坑日變形結果的歸納統計，得到本工程挖深范圍內連續墻在全監測周期內的最大日變形分布概率，如圖19所示。最大日變形值在(0～6)mm范圍內。最大日變形在區間(2～3)mm內的測點占比最大，坑內、坑外日變形在(2～3)mm范圍內的測點占比分別為57.5%和58.2%；最大日變形分布在(1～2)mm區間內的測點比率次之，坑內、坑外日變形在(1～2)mm的測點所占比率分別為27.3%和34.6%。最大日變形在(0～1)mm的比率較小，坑內外變形在此區間的測點分布概率分別為15.2%和6.5%。此外，對于坑外變形部分，個別監測點有3 mm以上的日變形發生，日變形在3 mm以上的測點分布比率共占0.7%，工程中若日變形在3 mm以上，應保持關注并做好相關預案。

圖19 全周期17 m深度范圍內最大日變形分布概率

將相鄰工況間坑內部分最大日變形進行歸納整理，圖20為各工況間不同類型的連續墻最大日變形統計結果，圖21為各工況下監測點最大日變形分布的概率。由圖20和圖21可知，隨著工況的施工，連續墻最大日變形并沒有表現出明顯的變形增長，各工況下最大日變形整體集中穩定在0～3 mm范圍內，變形值分布在0～3 mm的概率占97%，其中最大日變形分布在1～2 mm區間內的分布概率最大，其值為42.4%，在2～3 mm區間內分布的概率為35.4%；隨著工況施工不同類型的連續墻最大日變形分布有一定的差異，各類型墻體相鄰工況間最大日變形在3 mm以內均有分布。由上可知，工程最大日變形在3 mm以上時應引起關注。

圖20 各工況最大日變形結果

圖21 最大日變形分布概率

3.6 各工況間最大日變形對應深度分布

圖22為隨著工況施工，各工況間最大日變形對應深度分布。相較于累計變形而言，最大日變形深度的分布沒有明顯的區域性，或隨著施工最大日變形沒有明顯的變形增長，在不同施工工況間最大日變形深度在25 m范圍內均有分布。

圖22 各工況間最大日變形對應深度

結合圖23，就工況間最大日變形在深度上的分布概率而言，最大日變形分布在深度0～5 m之間的概率占統計結果的35.7%，最大日變形發生在深度(5～10)m、深度10～15 m及深度15～20 m范圍內的概率相差不大，分別為20.4%，18.4%和19.4%。綜合而言，工況間最大日變形位置超過20 m的概率較小，共占7.1%，可以作為工程警戒值。

圖23 各工況間最大日變形對應深度分布概率

4 結 論

(1)異形狹長地鐵車站基坑地連墻有必要進行變形性狀分類，各類性狀與平面形狀、施工工況、周邊加固措施等因素相關。將一典型狹長地鐵車站基坑的地連墻橫向變形分為往復型、懸臂型、反彎型3大類。其中，往復型位于基坑角點或者短邊位置，受到空間約束較大，是一類相對特殊的變形類型；懸臂型多出現在基坑長邊中部，坑內變形較小，最大值小于4 mm，坑外變形較大，最大值在25 mm以上；其他位置多為反彎型，其變形曲線存在反彎點，坑內、坑外變形都相對較大，坑內最大值大于20 mm，坑外最大值在25 mm以上。

(2)不同變形類型的變形性狀，在不同開挖深度下存在顯著差異。隨著開挖深度的加大，除往復型變形類型，其他各類橫向變形呈增長趨勢，開挖過程中墻體最大坑內變形不大于0.110%倍開挖深度，最大坑外變形不大于0.131%倍開挖深度。對于坑內變形部分，隨著開挖施工各類型墻體最大變形與開挖深度的比值由大到小依次為反彎b型、反彎a型、反彎c型、懸臂型及往復型；坑外變形部分最大變形與開挖深度的比值由大到小依次為懸臂型與反彎a型、反彎c型、往復型及反彎b型。

(3)本工程中隨著開挖施工，除往復型外，連續墻最大坑內變形主要集中在開挖深度以上5.5 m至開挖深度以下8.5 m的深度范圍內，不同類型的墻體開挖過程中最大變形位置分布區間不同：往復型墻體最大變形位置分布較為離散，懸臂型最大坑內變形位置主要集中在開挖面以上2 m至開挖面以下8.5 m的范圍內，反彎型墻體最大變形位置整體分布在開挖面以上5.5 m至開挖面以下8.5 m范圍內。開挖過程中最大坑外變形集中分布在墻體頂部深度1 m內，最大坑內變形分布較為分散。

此外，根據實測性狀分析及其變形最大值，在工程中，坑外變形應該關注懸臂型與反彎型，坑內變形應該關注反彎型，應重點關注無加固、長邊、施工方案復雜、周邊環境復雜的區域。