地鐵車站深基坑臨近建筑物變形機理及優化

經根東，談金忠，王振祥

(江蘇南京地質工程勘察院，江蘇 南京 210041)

0 前 言

江蘇省常州市正在建設地鐵1、2號線一期工程，針對地鐵車站深基坑臨近建筑物的變形機理開展的研究較少，深基坑地連墻體的累計水平變形量和建筑物的累計沉降量出現異常后，施工單位無法有效控制異常變形量的收斂。因此，筆者對深基坑臨近建筑物的變形機理進行了系統分析，便于指導其他工點深基坑施工的咨詢工作；也可供其他城市設計和施工臨近建筑物的地鐵車站深基坑借鑒。

1 深基坑臨近建筑物施工的研究背景

常州市地鐵深基坑工程是典型的三維動態工程，受土體的地區成因、各向異性及深基坑臨近建筑物等因素的影響，很難尋找到理想的物理和數學模型來模擬深基坑土體強度和變形全過程變化性能[1]；而且，工程勘察報告采用土體室內土工試驗參數進行的常規正分析難以客觀反映深基坑土體強度和變形[2]。因此，筆者引用一種反分析的深基坑明挖法施工優化控制的方法，即利用現場監測點的變形特征，來反分析土體變形機理，作為深基坑研究、設計及施工中進行正分析深基坑變形預測的依據[2]，這是一種“現場量測定量、時空理論分析、優化方法控制、模糊理論預測”的地鐵車站深基坑明挖法施工控制的優化方法。

2 深基坑臨近建筑物變形機理及優化

2.1 工程概況

2.1.1 主體結構設計概況

常州市地鐵2號線一期工程某車站為2號線與規劃3號線的換乘車站，采用“T”形型換乘，位于勤業路與長江中路路口。2號線車站沿勤業路東西向布置。為13 m島式站臺地下2層車站，車站總長為282.5 m，標準段寬度為21.7 m[3]。

2.1.2 圍護結構設計概況

該車站基坑長284.1 m，寬23.3 m。標準段基坑開挖深度16.5 m，端頭井開挖深度17.6 m；換乘段基坑開挖深度23.8 m。主體基坑采用明挖、蓋挖法施工，采用 800 mm厚度地下連續墻+止水帷幕+水平內支撐支護體系；端頭井及蓋板段采用1道混凝土支撐+4道鋼支撐，標準段基坑采用1道混凝土支撐+2道鋼支撐[3]。

2.1.3 深基坑環境風險

五星程控交換局樓房位于車站北側，為混凝土3層結構，樓房距離車站基坑約6.0 m，見圖1。

圖1 監測點數據異常平面圖

2.1.4 深基坑土層工程地質特征

該車站西段基坑開挖土層自上而下為：①填土(層厚1.90～2.39 m，層底埋深1.90～2.39 m)；③2黏土(可塑，層厚4.03～4.5 m，層底埋深6.40～6.42 m)；⑤1黏質粉土夾粉砂(稍～中密，層厚4.60～5.09 m，層底埋深11.00～11.51 m)、⑤2粉砂(中密，局部密實，層厚2.00～3.08 m，層底埋深13.00～14.59 m)；坑底位于⑤3a黏質粉土夾粉質黏土層(稍～中密，層厚3.26～6.00 m，層底埋深17.85～19.00 m)；坑底以下依次為：⑤3粉砂夾黏質粉土、⑥2粉質黏土、⑧1黏質粉土夾粉質黏土層；地下連續墻墻趾位于⑨1粉質黏土層[3]。

2.1.5 深基坑水文地質特征

該車站第Ⅰ1承壓水主要埋藏于⑤1、⑤2、⑤3a、⑤3粉土、粉砂層中，⑧1粉土層為第Ⅰ2承壓含水層，第Ⅰ1和第Ⅰ2承壓含水層連通，含水量豐富。測得第Ⅰ承壓水埋深為地面下3.20～5.45 m，平均水位埋深4.40 m；水位標高約0.75～1.76 m，年變化幅度約1～2 m。因此，在一定承壓水動力作用下地連墻接縫處⑤1、⑤2、⑤3a、⑤3、⑧1粉土、粉砂層易發生漏水、漏砂[3]。

2.2 深基坑臨近建筑物施工的變形機理

2.2.1 坑底土體隆起特征及機理

圖2 累計變形量時空效應橫剖面示意圖

當基坑第4段養護底板混凝土時，LZ2監測點的隆起變形開始收斂，累計隆起量達13.66 mm。

當第3～5段養護頂板混凝土后，LZ2監測點的工后累計隆起量逐漸收斂，還緩慢增大，累計隆起量最終收斂為18.78 mm。其變形機理為：基坑北臨混凝土3層五星程控交換局，樓房對基坑北側地連墻的附加應力較大，使樓房地基土沉降及周圍土體向基坑北側位移，并使地連墻工后累計水平變形量呈從深部到淺部逐漸收斂、緩慢增大，因此，坑底土體和LZ2監測點也隨著逐漸收斂、緩慢增大。符合黏性土時間效應規律，在附加應力作用下，③2黏土易發生長期剪切蠕變、位移[4]。

2.2.2 地連墻變形特征及機理

當基坑第4段養護底板混凝土時，QC5監測點的隆起變形開始收斂，累計隆起量達13.43 mm；QC31監測點的隆起變形也開始收斂，累計隆起量達5.74 mm，QC5與QC31監測點的差異隆起量為7.69 mm。

當第3～5段養護頂板混凝土后，QC5和QC31監測點的工后累計隆起量均逐漸收斂，QC5監測點最終收斂為8.29 mm；QC31監測點最終收斂為2.89 mm，QC5與QC31監測點的差異隆起量為5.40 mm。其變形機理為：五星程控交換局樓房對基坑北側地連墻的附加應力較大，使樓房地基土沉降及周圍土體向基坑北側位移，并使基坑北側地連墻快速隆起，基坑兩側墻頂差異隆起量不斷增大，直至逐漸收斂時減小。符合砂性土空間效應規律，坑底砂性土體累計隆起量一般較高，而南側墻體制約了南側土體受主動和被動土壓力的作用，累計隆起量一般較低[4]。

2)墻體和墻頂水平變形特征及機理。該車站從基坑第4倉開挖土方至第4段養護底板混凝土時，基坑北側地連墻墻體CX5監測點的累計水平變形量較大，在埋深13.5 m處最大達39.38 mm，而且最大值的埋深逐漸加深；基坑南側地連墻墻體CX31監測點的累計水平變形量較小，在埋深13.5 m處最大達20.01 mm，CX5與CX31監測點的差異水平變形量為19.37 mm，見表1～2。

表1 CX5水平變形變化

表2 CX31水平變形變化

至第3～5段養護頂板混凝土后，工后累計水平變形量從深部到淺部逐漸收斂，還緩慢增大。CX5監測點的工后累計水平變形量在埋深12.5 m處最終收斂為43.42 mm；CX31監測點的工后累計水平變形量在埋深12.0 m處最終收斂為21.61 mm，CX5與CX31監測點的差異水平變形量為21.81 mm。其變形機理為：五星程控交換局樓房對基坑北側地連墻的附加應力較大，使樓房地基土沉降及周圍土體向基坑北側位移，并隨著拆除3道內支撐，使基坑北側地連墻墻體的累計水平變形量快速增大，基坑兩側墻體差異水平變形量也不斷增大，直至逐漸收斂時還緩慢增大。

該車站基坑地連墻墻頂水平變形量均較小，一般為2.3～-5.8 mm。

2.2.3 墻后地表豎向變形特征及機理

該車站從基坑第4倉開挖土方至第4段養護底板混凝土時，基坑北側地連墻墻后的五星程控交換局樓房地表累計沉降量快速增大，并開始收斂，JC4-1和JC4-6監測點累計最大沉降量均達-19.00 mm；基坑南側5個監測點累計變形量均很小，見圖2。

至第3～5段養護頂板混凝土后，樓房地表工后累計沉降量逐漸收斂，JC4-1和JC4-6監測點最終收斂為-12.96 mm、-12.79 mm。基坑南側5個監測點工后累計變形量一直很小。其變形機理為：五星程控交換局樓房對基坑北側地連墻的附加應力較大，使樓房地基土沉降及周圍土體向基坑北側位移。基坑兩側地表差異豎向變形量不斷增大，直至逐漸收斂時減小[5]。

2.3 深基坑臨近建筑物施工的優化控制措施

3 結 論

1)針對常州市地鐵車站臨近建筑物的深基坑地連墻體監測數據出現異常后卻無法有效控制異常變形量的收斂，筆者引用一種“現場量測定量、時空理論分析、優化方法控制、模糊理論預測”的反分析優化方法。

2)坑底土體隆起特征：該車站基坑開挖土方時，坑底土體開始隆起，并且隆起變形速率逐漸增大；至養護底板混凝土時，坑底土體隆起開始收斂；當養護頂板混凝土后，坑底土體工后累計隆起量逐漸收斂，還緩慢增大。

3)墻頂隆起特征：當基坑開挖土方時，基坑北側地連墻墻頂的隆起變形速率較快；至養護底板混凝土時，墻頂隆起開始收斂；當養護頂板混凝土后，墻頂工后累計隆起量逐漸收斂。基坑兩側墻頂差異隆起量不斷增大，直至逐漸收斂時減小。

坑底土體隆起及墻頂隆起主要為塑性隆起，少量為彈性隆起，累計隆起量呈北側和中間較高、南側較低；區別于常見中間較高兩側較低的隆起特征。

4)墻體和墻頂水平變形特征：從基坑開挖土方至養護底板混凝土時，基坑北側地連墻墻體的累計水平變形量較大，而且最大值的埋深逐漸加深；至養護頂板混凝土后，墻體的工后累計水平變形量從深部到淺部逐漸收斂，還緩慢增大；而墻頂水平變形量均較小。基坑兩側墻體差異水平變形量也不斷增大，直至逐漸收斂時還緩慢增大。

5)墻后地表豎向變形特征：從基坑開挖土方至養護底板混凝土時，基坑北側地連墻墻后的五星程控交換局樓房地表累計沉降量快速增大，并開始收斂；至養護頂板混凝土后，樓房地表工后累計沉降量逐漸收斂。基坑兩側地表差異豎向變形量不斷增大，直至逐漸收斂時減小。

6)變形機理：基坑北臨混凝土3層五星程控交換局樓房，樓房對基坑北側地連墻的附加應力較大，使樓房地基土沉降及周圍土體向基坑北側位移，并使坑底土體快速隆起，還使基坑北側地連墻墻頂快速隆起及墻體水平變形量不斷增大，并符合時空效應規律。