杭州地鐵車站開挖基坑變形與地表沉降分析

馮孝杰 吳志榮 龐 晉

（杭州市地鐵集團有限責任公司，浙江 杭州 330100）

1 工程概況

車站主體結構為地下兩層雙柱三跨矩形框架結構，基坑采用明挖順作法施工。車站外包長度191.2 m，基坑標準段寬度19.9 m，端頭井寬23.8 m，標準段深16.2 m，端頭井深約17.8～18.2 m。

基坑圍護平面及地表監測點布置如圖1所示。

圖1 ZQT1～20點地墻水平位移分布

測點分別位于距離基坑內邊緣2、7、12、20、30、45 m的位置。圍護結構采用厚0.8 m、深29 m的地下連續墻加內支撐的方式，第一道內支撐為0.8 m×0.8 m的鋼筋混凝土支撐，第二至第六道采用Ф609 mm×16 mm鋼管支撐。

代表性位置關鍵施工階段如圖2所示。

圖2 ZQT1、3、5、7、9、11點地墻水平位移分布

2 地連墻水平位移分析

2.1 地連墻水平位移空間分布

墻（樁）體水平位移是基坑監測的重要內容，是圍護結構變形特性的直接反映，也是考察圍護結構安全性能的重要指標。

地墻頂部（0.5 m深處）水平位移量在3 mm以內，第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐能有效控制基坑上部的位移變形。

2.2 地連墻水平位移時間發展

本工程關鍵施工節點時的墻體水平位移曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 西端頭ZQT3點地連墻水平位移

圖4 中段ZQT11點地連墻水平位移

ZQT3是位于最先開挖的西端頭井南側地墻測斜代表點，ZQT11是最后開挖的中段地墻測斜代表點。

由圖3中曲線可知，第一道鋼筋混凝土支撐有效限制墻頂的水平位移。隨著基坑開挖的進行，地墻最大水平位移的深度位置逐漸下移，在開挖到第四道鋼支撐下方之前，最大水平位移位置處在開挖面以下；開挖至第四道和第五道鋼支撐之間（挖深10.5～13.5 m）時，最大水平位移位置下移趨勢減緩，逐漸轉變為處在開挖面上；底板澆筑完成后，圍護結構側向變形發展趨于穩定，最大水平位移位置處在13.5 m深處，即3/4H（H為基坑開挖面深度）處。

（1）圍護結構側向變形的初始值和最終穩定值（澆筑底板后）比端頭處大，是因為中段最后開挖，在其兩側的施工段土方開挖影響了本段范圍的土體應力狀態，造成土體產生位移場并傳遞給圍護墻體[1]。墻頂附近幾乎沒有初始側向變形，體現了相鄰施工段的第一道鋼筋混凝土支撐的支撐效果優于下方的鋼支撐，也說明本工程中第一道鋼筋混凝土的及時架設和施作質量實現了限制墻頂側向變形的設計目的。

（2）中段比端頭井的開挖深度小，但墻體水平位移的增長速率和最終增長值比端頭井處高，基坑的平面形狀呈矩形，長寬比較大（約9.5∶1），端部有短邊地墻約束，中部缺少約束。

影響墻體水平位移及其最大值所在位置的主要因素有地連墻插入比、地連墻厚度、坑內被動區深層土體加固措施、坑底附近及以下的土層性質等。相關研究結果表明，隨著墻底以上軟土厚度的增加，最大側移的深度位置略有下降的趨勢，但趨勢不顯著，因此坑底以上土層模量的降低對墻體最大側移的深度位置加深的影響不大。

本案例中地墻最大水平位移的深度位置位于3/4H以下，超過相關文獻總結的2/3H。這種變形特性與以黏質粉土為主，與夾有黏土、淤泥質粉質黏土等土層的軟土地質條件有關，特別是受坑底以下黏質粉土和黏土層的影響。墻體最大側移量約為0.35%H。

3 坑外地表沉降分析

周邊地表沉降分布形態與圍護墻（樁）體的變形特征密切相關，本工程案例地表沉降形態為凹槽形，對應的墻（樁）體變形形態為內凸形。已有工程實踐和研究表明，凹槽形地表沉降最大位置一般距離樁墻0.4～0.7H處。地墻ZQT3測斜點旁的地表沉降測點DBC3-1～6曲線如圖5所示，ZQT11測斜點旁的地表沉降測點DBC11-1～6曲線如圖6所示。

圖5 西端頭DBC3-1～6點地表沉降曲線

圖6 中段DBC11-1～6點地表沉降曲線

在基坑端頭附近，最大地表沉降量為-57.6 mm，即0.32%H，位于距坑內邊緣7～8 m處，即0.38～0.44H范圍。在基坑中段，最大地表沉降量為-93.8 mm，即0.58%H，位于距坑內邊緣10～12 m處，即0.62～0.74H。

坑外地表沉降與圍護墻（樁）體變形在量值和形態分布方面都具有相關性，地表沉降又能反映出土體深層位移場的分布。地表沉降和圍護墻體水平位移無量綱化處理后的結論如表1所示。

表1 地表沉降和圍護墻體水平位移無量綱化分析

4 結語

（1）隨著基坑開挖進行，地墻最大水平位移的深度位置逐漸下移，但下移趨勢逐漸減緩，挖深至10.5～13.5 m時，最大水平位移位置轉變為處在開挖面上。

（2）地墻最大水平位移的深度位置位于3/4～4/5H以下，場地主要分布以黏質粉土為主的軟土是造成這種結果的主要原因，為了控制圍護墻（樁）最大變形量值及位置，除了考慮墻（樁）截面尺寸和插入比是影響因素外，還應注意控制坑底土體加固的質量和效果。

（3）長寬較大的矩形基坑，由于端頭加固固結土體的原因，導致開挖更深處的基坑端部墻體變形和地表沉降小于開挖較淺處的基坑中部。

（4）在以黏質粉土為主的軟土地區，最大地表沉降位置距離基坑內壁約0.4～0.7H，無量綱化最大地表沉降與最大墻（樁）體水平位移比值約為1.66～1.71。