不同載荷邊界條件下的地鐵站深基坑變形特性研究

袁慶利

摘要：為更好地實現不同載荷邊界條件下的基坑變形預測和控制，以天津市某地鐵站深基坑為研究對象，研究超載、卸載條件下基坑變形特征。通過對現場監測數據的分析，推導基坑北側和南側的變形規律，并將分析結果與無超載、卸載條件的普通基坑進行水平位移、地表沉降、土體蠕變等方面的對比，最后，根據超載與卸載產生主動土壓力對水平位移的影響，制定了基坑變形控制措施。結果表明：1）載荷邊界條件對基坑支護結構和地層的變形影響明顯;2）北側基坑圍護結構的水平位移和地表沉降均遠大于南側，北側變形常超過變形報警值，南側則相反;3）北側土層水平蠕變最大速率和豎向蠕變最大速率均大于基坑南側，普通基坑水平蠕變的最大速率介于兩者之間，表明控制邊界載荷有利于控制土層變形速率;4）基坑北側的主動土壓力明顯高于基坑南側，由于卸荷作用，基坑南側地連墻底部產生被動土壓力，使基坑側壁向迎土側移動;5）合理安排開挖進度，加強支承剛度，減少地表超載，是控制荷載邊界條件和基坑變形的有力措施。研究可為城區復雜荷載邊界作用下的基坑監測、施工的優化提供依據。

關鍵詞：地基基礎工程;荷載邊界條件;深基坑;變形特性;天津地鐵

中圖分類號：TU476文獻標識碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx03008

Abstract：In order to predict and control the deformation of subway foundation pit under different load boundary conditions， the deformation characteristics of foundation pit were studied in a case of Tianjin metro under overloading and unloading conditions. Based on the analysis of field monitoring data， the deformation laws of the foundation pit were deduced in the north and south sides， then the results were compared with the ordinary foundation pit without overloading and unloading conditions in the aspects of horizontal displacement， settlement and soil creep. ?Finally， according to the influence of the active earth pressure generated by overload and unload on the horizontal displacement， the deformation control measures were formulated. The results show that： 1） the deformation of supporting structure and stratum of foundation pit is obviously influenced by the load boundary conditions ; 2） the horizontal displacement and settlement of the retaining structure in the north side are much larger than those in the south side， and the deformation often exceeds the alarm value in the north side， while that in the south side is on the contrary; 3） the maximum rates of soil horizontal creep and vertical creep in the north side are higher than those of the south side， between which is the maximum rate of soil horizontal creep of ordinary foundation pit， indicating that the control of boundary load is good for controlling the soil deformation rate; 4） the active earth pressure on the north side is significantly higher than that on the south side. The passive earth pressure is generated at the bottom of the diaphragm wall on the south side due to the unloading effect， which makes the diaphragm wall move towards the soil side; 5） reasonable arrangement of excavation schedule， strengthening of support stiffness and reduction of surface overload are effective measures to control load boundary conditions and foundation pit deformation. The research result provides some reference for foundation pit monitoring and construction optimization under complex load boundary in urban area.

Keywords：ground foundation engineering; load boundary conditions; deep foundation pit; deformation characteristics; Tianjin Metro

地鐵深基坑的建設會受到周邊環境的影響，特別是在城區密集建筑物以及市政設施的影響下，地鐵的深基坑開挖具有高風險和高難度的特點，對基坑建設本身和周邊建（構）筑物、周邊交通、居民行人等都具有潛在的安全隱患[1-2]。因此，基坑現場監控測量是保證地鐵深基坑安全開挖的重要前提[3-4]。國內外學者對深基坑展開了大量的監測和研究工作，總結出了一些研究成果[5-6]。在基坑邊緣超載方面，SHI等[7]對基坑邊的建筑物進行監測，發現建筑物的最大沉降值出現在轉角處，建筑物有向基坑方向移動的趨勢;MANGUSHEV等[8]研究了臨近基坑的建筑物沉降，發現基坑開挖過程中，產生建筑物地基附加沉降的主要原因是由于觸變性飽和土的結構擾動，使得土體向流塑狀態轉變;WANG等[9]對基坑開挖的全過程進行了研究，指出降水對土體變形的影響明顯大于附近34 m處基坑開挖造成的影響;在基坑周邊卸載方面，丁智等[10]研究了相鄰基坑開挖的監測數據，發現雙基坑開挖的土體位移與單基坑開挖相比有較大差異;李鏡培等[11]調查了臨近深基坑的土體開挖卸載，發現基坑周邊的大面積開挖可以改變圍護樁樁頂上方的土壓力;丁智等[12]研究了相鄰基坑側壁的變形，發現相鄰坑壁的變形曲線與單個基坑的變形曲線相同。

筆者以天津市某地鐵車站深基坑為研究對象，以現場監測結果為基礎，分析深基坑在南側卸載邊界和北側超載邊界共同作用下的變形特征，研究其變形規律，并將研究結果與無超載和卸載的普通基坑進行比較，總結兩者的異同點，實現不同荷載邊界條件的基坑變形控制。

1工程概況

截至2021年1月，天津市地鐵運營線路達到6條，運營里程達到231 km，開通地鐵車站158座[13]。天津市某地鐵車站主體結構總長度為368 m，端頭井基坑寬度為25.5 m，標準斷面基坑寬度為21.2 m，標準斷面基坑開挖深度為18.0 m，車站圍護結構為地連墻，支撐結構為1道鋼筋混凝土支撐，3道單剛支撐和1道雙拼鋼支撐，地下連續墻（簡稱地連墻）厚度為0.8 m，插入比為0.79～1.07 m，鋼筋混凝土支撐尺寸為800 mm×1 200 mm，鋼支撐尺寸為直徑d=609 mm，厚度t=16 mm。基坑標準斷面支護結構設計及地質情況如圖1所示。場區地層主要為①1雜填土，②4黏質粉土，②4m細砂，②5卵石和③2粉質黏土夾粉土，地質參數如表1所示。場區無地表徑流，初見潛水水位為0.5～1.5 m，靜水位為0.40～1.90 m，承壓水主要分布于深部的礫石中，埋深大于36 m，地質調查表明，少量承壓水埋深約4.30 m，年變化幅度為1.0～3.0 m，對工程質量的影響較小。

在地鐵車站基坑北側有新建的高層民用住宅建筑多棟，其中第5棟、第6棟、第7棟建筑離基坑較近，約為35 m，建筑高度一般為90 m，地鐵車站開挖之前居民樓已修筑封頂;南側靠近某樓盤地下室基坑，地下室基坑設計深度為13.0～20.0 m，且基坑已開挖10.0 m，但第2道支撐尚未施作。地鐵深基坑與多層民用住宅以及鄰近地下室深基坑的相互關系如圖2所示。由于地鐵深基坑與鄰近地下室深基坑（卸載邊界）同時開挖，北側又存在新建高層建筑物（超載邊界），因此對該段地鐵基坑的監測分析至關重要。

2基坑監測點布置

基坑工程監測的項目如下：1）地連墻水平位移;2）土體水平位移;3）周圍建筑物沉降;4）地表沉降;5）立柱沉降。如圖3所示，由于地鐵車站深基坑22軸-25軸段相比基坑標準段的其他位置更靠近南側的地下室基坑和北側的高層住宅建筑，因此選取基坑22軸-25軸段的監測數據進行分析。各監測項目的測點編號及報警值如表2所示，基坑開挖工況如表3所示。

在表2中，監測點JZCJ5-1，JZCJ5-2，JZCJ5-3，JZCJ5-4距離基坑北側地連墻依次為54.4，44.2，34.7和43.9 m。監測點W1，W2，W3距離基坑北側地連墻依次為2.0，6.0，11.0 m。南側監測點W4與地連墻之間的距離為2.0 m。地連墻水平位移分析時，主要采用北側測點S2，S3和S4與南側測點S7，S8和S9的數據進行分析。

3基坑變形規律

3.1南北兩側地連墻水平位移對比

圖4和圖5分別為不同開挖工況下基坑南北兩側地連墻的水平位移監測數據。圖中正負號規定為朝向基坑內變形為正，反之為負。

從圖4和圖5中可以看出，隨著基坑的不斷開挖，南北兩側地連墻都朝著基坑內方向變形，開挖深度越大，墻體的水平位移越大;地連墻的水平位移曲線呈現出中間大兩邊小的“拋物線”型;基坑北側不同測點的地連墻水平位移曲線變化趨勢較為一致，而南側的水平位移曲線變化一致性較差，即開挖至底時，北側不同測點的地連墻最大水平位移對應開挖深度均為17.0 m，而南側測點S9，S8，S7測得的最大水平位移對應基坑深度分別為18.0，15.5和16.50 m。表明基坑南北側地連墻在不同周邊荷載作用下的變形是不對稱的，其最大水平位移發生在不同的深度。

現行國家標準《建筑基坑工程監測技術標準》（GB 50497-2019）規定[14]，一級基坑的地連墻水平位移相對基坑設計深度為Hm控制值的0.3%～0.4%，在復雜環境下的地鐵基坑，水平位移控制值取低值，為0.3%Hm。基坑南北兩側地連墻的變形如圖6所示，很明顯，北側地連墻的最大水平位移大于控制值，而南側則相反。

對基坑地連墻的最大水平位移與開挖深度進行分析，結果如圖7所示。

從圖中可以看出，地連墻的最大水平位移隨開挖深度變化，在前3個開挖階段兩者關系基本符合線性關系，但在最后開挖階段最大水平位移數值明顯增大。結合圖4、圖5和圖7可知，當開挖深度為16.0 m和18.0 m時，基坑北側地連墻10.0～20.0 m范圍內的水平位移超過42 mm的報警值，而基坑南側的地連墻水平位移則低于報警值。

研究表明，產生基坑南北兩側地連墻變形差異的主要原因有：1）地鐵基坑南北側分別在卸載和超載條件下，導致地連墻的主動土壓力大小、計算合力作用深度存在差異，另外，北側高層建筑的地表回填具有一定的時間效應，使得南北兩側的變形及最大水平位移對應的深度不同;2）南側地下室基坑的支撐架設與地鐵基坑支撐架設存在時間上的交錯，并且兩基坑的支撐間距不一致，從而導致S7，S8，S9測點位置處地連墻最大水平位移對應的深度不同;3）在工況4的開挖過程中，施工方沒有合理安排施工進度，基坑暴露時間過長，加劇了基坑的時空效應，在圖7中出現最大水平位移的明顯轉折。

3.2南北兩側地表沉降對比與預測分析

地表沉降監測數據隨基坑開挖深度的變化如圖8所示。

圖8中地表沉降為負值，隆起為正值。從圖中可以看出，基坑南北兩側地表沉降存在很大差異，對比W1和W4測點數據，2個測點均距離基坑地連墻為2.0 m，而北側的沉降量比南側大得多。W4測點在基坑開挖后期明顯的隆起，而W1測點地表沉降超過報警值，W2測點和W3測點的地面沉降在所有開挖工況下均超過了預警值。在工況4條件下，W1-W3測點的地表沉降明顯增大。由此表明，超載和卸載是造成南北兩側基坑地表沉降差異的最主要原因，同時，在施工開挖最后階段，由于基坑暴露時間過長也是導致沉降增加的原因之一。

基坑北側地表沉降預測值與實測值的比較如圖9所示。

從圖9中可以看出，基坑北側的地表沉降隨著距離的增加而增加，由于地表監測點的布置數量遠遠沒有滿足地表沉降收斂的要求，因此，有必要對地表沉降進一步分析和預測。有學者在研究大量的深基坑變形后，指出地表沉降的最大值發生在距離基坑邊線約1倍基坑深度Hm處，并提出基坑土體的變形分析數學模型[15-18]，經實測數據驗證，兩者的數值吻合較好，地表沉降模型為

在實際工程中，由于監測點有限，無法獲取土體變形的收斂范圍，造成無法評估基坑開挖對周邊土體沉降的影響范圍，采取式（1）的預測模型計算土體的沉降變形是較為理想和實用的方法。筆者將式（1）的預測值與實測值比較如圖9所示。分析可知，在工況1-工況3條件下，實測的地表沉降小于預測值。當基坑開挖深度達到18.0 m時，距離基坑邊線11 m處的監測點W3，地表沉降不超過預測最大值的25%。由于基坑北側的監測點較少，不能從實測數據判斷最大地表沉降的位置，然而，從預測曲線的趨勢可以推斷，測點W3獲取的最大地表沉降與預測沉降最大值并沒有很好地對應，因此在地鐵基坑監測時，有必要將地表沉降的測量范圍可以擴大到2Hm。

3.3南北兩側土體蠕變對比分析

土體的固結和蠕變是基坑開挖過程中土體水平位移和地表沉降持續增大的主要原因。有研究表明，在基坑開挖過程中，上部土體的開挖卸荷會導致超孔隙水壓力的消散，使得土體產生水平位移、地表土體輕微收縮（蠕變），相應地，將基坑變形分別定義為土體水平蠕變和地表沉降引起的蠕變。由此，可計算土體水平位移的產生水平最大蠕變速率α和地表沉降引起的豎向最大蠕變速率μ。

基坑北側土體的水平最大蠕變速率比南側高的多，而且隨著開挖深度增大，兩側的差異越顯著。對于無超載和卸載條件的普通基坑，DING等[19]研究指出基坑的水平蠕變最大速率范圍為0.1～0.6 mm/d，劉波等[20]認為水平蠕變最大速率范圍為0.15～0.76 mm/d。本研究的基坑北側處于超載條件，南側處于卸載條件，由圖10可知，北側土體蠕變最大值為0.06～1.68 mm/d，南側土體最大蠕變率為0～0.2 mm/d。表明在超載條件下，土體水平最大蠕變速率略大于普通基坑，而卸荷條件下土體的水平最大蠕變速率略低于普通基坑。

地表沉降引起的豎向最大蠕變速率隨開挖深度的變化關系如圖11所示。

對于豎向最大蠕變速率而言，基坑北側明顯大于基坑南側，且隨著開挖深度的增加，兩側差異越顯著。類似地，對于無超載和卸載條件的普通基坑，DING等[19]研究指出地表沉降引起的豎向最大蠕變速率為0.1～0.4 mm/d，劉波等[20]研究指出地表沉降引起的豎向最大蠕變速率為0.1～0.6 mm/d。由圖11可知，基坑北側土體豎向最大蠕變速率為0.05～1.54 mm/d，而基坑南側土體豎向最大蠕變速率范圍為0.16～0.64 mm/d。表明超載條件下基坑的豎向最大蠕變速率略大于普通基坑，而在卸荷條件下，基坑的豎向最大蠕變速率與普通基坑相當。

通過以上分析，產生南北兩側基坑土體最大蠕變速率差異，以及超載、卸載條件下基坑與普通基坑蠕變速率差異的主要原因如下：

1）基坑北側與新建高層住宅相鄰，即處于超載條件下，南側鄰近基坑開挖，即處于卸荷條件下。荷載的不同使得土體的變形特征差異明顯;

2）施工時，基坑北側經常有大型工程車輛連續行駛，在這種循環荷載作用下，基坑北側的蠕變效應會加劇。另外，基坑的力學性質表現為“硬頂軟底”，底部土體的抗剪強度較弱，壓縮性較高，導致開挖時蠕變速率控制較難。

3.4超載與卸載產生主動土壓力對水平位移影響

在基坑的實際開挖過程中，盡管主動土壓力區和被動土壓力區經常互相轉換，但基坑底部的主動土壓力區基本穩定。因此，筆者以基坑底部的主動土壓力區為研究對象，從基坑側壁主動土壓力的角度分析超載和卸載對基坑地連墻水平位移的影響。

在計算超載對主動土壓力的影響時，朗肯土壓力理論通常將高層民用住宅荷載簡化作用在基坑圍護結構上的局部荷載，如圖12所示。

在既沒有超載也沒有卸載的條件下，陰影區域面積SABCDEFIA表示BE墻上的主動土壓力，而在附近存在超載的情況下，陰影區域SABCDEFGHIA表示BE墻上的土壓力，顯然SABCDEFGHIA比SABCDEFIA大，因此，超載條件下基坑側壁的土壓力較高，造成地鐵車站基坑地連墻的水平位移大于普通基坑的水平位移。

基坑附近存在卸荷條件時，可以認為是施加的負荷載，南側基坑擋土墻的主動土壓力為陰影區面積SABCDEFIA減去陰影區面積SFGHI，小于普通基坑的主動土壓力，導致卸載側基坑圍護結構的水平位移小于普通基坑的水平位移。主動土壓力的減小導致土壓力合力位置向下移動，因此，基坑圍護結構的最大水平位移位置通常低于普通基坑最大水平位移所對應的深度。此外，如圖5所示，南側地連墻底部的水平位移明顯偏向迎土側（數值符號為負），造成上述現象的原因是，該基坑的基坑圍護墻靠近地下室基坑開挖，從而降低了基坑側壁上的主動土壓力，使擋土墻底部產生較大的被動土壓力。3.5基坑變形控制措施

根據前文分析和對超載、卸載邊界條件下的基坑變形控制措施提出以下建議。

1）為了更好地處理超卸載邊界條件下深基坑變形的不均勻問題，必須充分評價周邊環境，并在設計和施工中進行調整，對于基坑北側多層民用住宅的變形控制，可在地鐵基坑設計和開挖中提高第4道雙拼鋼支撐的整體剛度。基坑地表監測的范圍擴大到2倍基坑開挖深度。

2）地鐵車站基坑的施工進度應與南側地下室基坑同步，合理安排開挖進度以減少基坑的暴露時間和時空效應，建議臨近地下室基坑的區域，加強地鐵基坑第2道和第3道鋼支撐的整體剛度，以提供足夠的承載力和良好的整體剛度。

3）基坑底部位于③2粉質黏土夾粉土層中，抗剪強度內摩擦角較低，導致變形較大，同時土層具有一定的不透水性和弱透水性，在開挖過程中應進行排水工作以減少水土壓力。

4）在基坑開挖時，有必要加強支撐剛度，減少地表超載，削弱交通循環動荷載的作用，開挖接近基底時，必須及時澆筑墊層和底板，以減少基坑土體的蠕變。

4結語

變形控制是基坑安全施工的重要保障，為更好地掌握地鐵深基坑在不同邊界條件下的變形規律，以天津地鐵某車站深基坑工程為例，以現場監測數據為基礎，分析在不同載荷邊界條件下基坑的變形特征，得出如下結論。

1）超載和卸載共同作用下，基坑南北兩側圍護結構的水平位移和地表沉降是不對稱和不均勻的。由于地鐵車站基坑北側毗鄰新建高層住宅（超載條件），基坑南側鄰近地下室基坑開挖（卸載條件），基坑超載側的變形比卸載側更為顯著，超載側變形常超過報警值，而卸載側則相反。因此，加強支護剛度，減少和控制附加超載，合理安排施工進度是十分重要的，另外，基坑地表監測的范圍擴大到2倍基坑開挖深度。

2）對于基坑側壁土體的水平蠕變和豎向蠕變，超載側的最大蠕變速率大于卸載側的最大蠕變速率，而普通基坑的最大蠕變速率一般介于兩者之間。

3）根據朗肯土壓力理論，超載基坑側壁上的主動土壓力比卸載側高，且卸荷側的計算合力作用深度將向下移動。另外，由于卸荷作用，基坑南側地連墻底部產生被動土壓力，使基坑側壁向迎土側移動。

基坑的變形控制不僅與荷載邊界條件有關，還與基坑降水以及地質條件等因素相關，本文研究以天津市某地鐵車站為例，監測數據未考慮基坑降水的影響，未來有必要針對不同地區地質條件、降水條件耦合荷載邊界條件的基坑變形進行研究，以便更好地指導現場施工。

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