基于實測數據的常州地鐵車站坑外地表沉降變形規律研究*

朱文駿，張思源，童立元，尤 迪，劉松玉

(1.常州市軌道交通發展有限公司，江蘇 常州 213022； 2.東南大學交通學院，江蘇 南京 210096；3.常州市規劃設計院，江蘇 常州 213022)

1 研究背景

常州地鐵1號線全長34.092km，設地下車站27座，高架站2座；2號線一期工程全長19.718km，設地下車站14座，高架站1座。深基坑工程是常州地鐵1，2號線建設的重點工程，對基坑變形控制提出了極高要求，只有正確認識常州地區的基坑開挖變形規律才能在施工過程中減小基坑變形，確保基坑自身及周圍環境的穩定。

基坑開挖土體卸荷引起周圍地層產生變形，使得圍護墻后一定范圍發生地層損失，引發地面沉降。較大的地面沉降會對基坑周邊的建(構)筑物、地下管線產生較大影響，甚至造成破壞[1-2]。由于不同地區的地層條件具有很大差異，基坑工程具有很強的區域性[3]，不能直接套用其他地區的工程設計經驗進行基坑設計。目前，常州地鐵建設處于起步階段，缺乏地鐵施工的經驗總結和理論研究，只能參考上海、南京及蘇州等鄰近地區的基坑工程設計及施工經驗。因此，總結常州地鐵基坑工程的坑外地表變形規律對于預測沉降、評價基坑工程環境效應以及形成地區經驗具有一定的指導意義。

基于當地基坑工程大量實測數據進行統計分析是目前研究坑外地表沉降變形的可靠方法。本文收集了常州地鐵1，2號線38座選用地下連續墻圍護結構形式的車站基坑地表沉降實測資料，對常州地鐵車站坑外地表沉降變形進行了統計分析，以期得到常州地區坑外地表沉降變形規律，為常州后續地鐵線路的車站深基坑工程設計施工提供參考。

2 實測資料收集

收集了常州地鐵38個采用地下連續墻圍護結構形式的車站地勘資料、坑外地表沉降實測資料，分別如表1，2所示。表中數據包括常州地鐵車站基坑類型劃分、基坑開挖深度(H)、地下連續墻深度(Hw)、坑外最大地表沉降(δvm)及最大地表沉降產生的位置距圍護墻體的距離(dδvm)。其中地下連續墻厚度多采用0.8m，支撐道數平均為4.5，首道支撐平均深度為1.2m，支撐豎向平均間距為4.3m，表中部分參數定義如圖1所示。

表1 常州地鐵車站基坑類型劃分

表2 常州地鐵車站坑外地表沉降的有關數據

圖1 參數示意

3 坑外地表沉降分析

3.1 坑外最大地表沉降

坑外最大地表沉降與基坑開挖深度的關系如圖2所示，圖中數據僅為基坑開挖到底的最終工況。可以看出，常州地區地下連續墻支護的深基坑坑外最大地表沉降大多數介于0.04%H～0.24%H，平均值為0.10%H；隨著基坑開挖深度的增加，坑外最大地表沉降也逐漸增大。

圖2 坑外最大地表沉降與開挖深度之間的關系

常州地鐵車站坑外最大地表沉降與Long[4]統計的軟土層厚度小于0.6H的內支撐支護形式的坑外最大地表沉降結果(平均值約為0.12%H)相近；遠遠小于王衛東[5]對上海地區坑外最大地表沉降的統計結果(介于0.1%H～0.8%H，平均值約為0.38%H)；小于廖少明[6]對蘇州地鐵車站坑外地表最大沉降的統計結果(介于0.04%H～0.27%H，平均值為0.13%H)；大于喬亞飛[7]對無錫地鐵車站坑外最大地表沉降的統計結果(介于0.05%H～0.13%H，平均值為0.09%H)。由此可得：基坑圍護結構形式、地層條件對坑外最大地表沉降有一定的影響；常州地區坑外最大地表沉降明顯小于上海地區，與蘇州、無錫地區相近，說明常州地區地層條件比上海地區好，上海地區地表沉降經驗并不適用，在基坑設計時可適當參考蘇州、無錫地區的坑外地表沉降經驗,但仍需總結得出常州地區的地表沉降變形規律。

3.2 最大地表沉降與圍護結構側向變形的關系

基坑開挖卸荷引起圍護墻體在兩側土壓力差作用下產生側向水平位移，從而引起坑外土體發生位移，使地表發生沉降。因此，坑外地表沉降與圍護結構側向變形相互影響，確定坑外地表沉降與圍護結構側向變形之間的變化關系，就可以通過現場實測的圍護結構側向變形來預估坑外地表沉降。

如圖3所示最大地表沉降與圍護結構最大側向變形的關系圖，圖中數據僅為基坑開挖到底的最終工況。δvm介于0.25δhm和1.62δhm，平均值為0.58δhm(δhm為最大側向變形)。由圖可知：最大地表沉降與最大側向變形的比值普遍小于1；坑外最大地表沉降普遍小于圍護結構最大側向變形，地下連續墻圍護形式有利于控制墻后土體變形，減小基坑開挖的環境效應。

圖3 圍護結構最大側向變形與地表最大沉降的關系

3.3 插入比對地表最大沉降的影響

插入比是基坑底部以下的墻體深度與基坑開挖深度之間的比值。插入比過小，對于有支撐的圍護結構，可能會發生底鼓和滲流等問題；插入比足夠大后，繼續增加插入比，對基坑變形的控制作用不再有效增長，反而會增大圍護結構的造價成本，造成不必要浪費[8]。因此，在圍護結構設計時，就需要確定合適的插入比來協調圍護結構安全性能與經濟成本之間的關系。

最大地表沉降與插入比的關系如圖4所示，圖中數據僅為基坑開挖到底的最終工況。由圖4可知，常州地鐵38座車站基坑圍護結構的插入比介于0.7～1.0，平均插入比為0.88；坑外最大地表沉降與插入比不存在明顯關系，當圍護結構入土達到一定深度后，通過增大插入比來控制基坑變形不再可行；常州地鐵部分車站基坑插入比偏大，應確立合理的插入比設置范圍，優化圍護結構設計，從而降低工程經濟成本。

圖4 圍護結構插入比對坑外最大地表沉降的影響

3.4 坑外地表沉降影響范圍

坑外最大地表沉降的位置與基坑開挖深度的關系如圖5所示，圖中數據僅為基坑開挖到底的最終工況。常州地鐵車站坑外最大地表沉降的產生位置介于0～1H，距圍護墻體距離的平均值為0.4H。由圖5可知，最大地表沉降的位置主要集中在0.13H～0.6H，說明最大地表沉降發生的位置更接近圍護墻體。

圖5 坑外最大地表沉降位置與開挖深度的關系

4 地表沉降分布情況

常州地鐵車站坑外地表分布如圖6所示，縱軸是無量綱化地表沉降，即某點的地表沉降值與基坑開挖深度的比值，橫軸是某點距圍護墻體的距離與基坑開挖深度的比值。Peck將土體分為3個區域，由圖可以看出：常州地鐵車站坑外地表沉降主要分布于區域Ⅰ，即砂土、硬黏土和軟黏土區域，只有少數沉降分布在區域Ⅱ，即軟黏土和極軟弱的黏土區域；常州地區地質條件對應區域Ⅰ的地質條件，可見地下連續墻圍護結構形式對基坑變形具有良好的控制效果，使得地表沉降偏小；常州地鐵車站坑外地表沉降大多呈凹槽形分布，較大沉降點出現在0.5H～1.0H區間；3段實線可作為地表沉降包絡線，用以預測常州地區坑外地表沉降；由包絡線可見，常州地區地表沉降主要影響區為0～2.0H，次要影響區為2.0H～3.5H。

圖6 坑外地表沉降分布與開挖深度的關系

坑外地表沉降與最大地表沉降比值的沉降分布如圖7所示，縱軸是某點的沉降值與最大地表沉降的比值，橫軸是某點距圍護墻體的距離與基坑開挖深度的比值。圖示表明：除少數沉降呈三角形分布外，大多數沉降呈凹槽形分布，0～1.0H為沉降最大區域，1.0H～3.5H為沉降過渡區域；實線為常州地區沉降包絡線，可以看出最大沉降一般發生在0.5H附近，當距離>1.0H，沉降逐漸減小至0；虛線為Hsieh和Ou給出的沉降分布曲線，與常州地區坑外地表沉降變化趨勢比較相符，可為預測常州地區坑外地表沉降提供一定的參考。

圖7 坑外地表沉降與最大地表沉降比值的分布關系

5 結語

收集了常州地鐵1，2號線38個車站坑外地表沉降的實測資料，通過統計分析得出常州典型地層條件下深基坑坑外地表沉降變形規律，結論如下。

1)常州地區基坑開挖坑外最大地表沉降值介于0.04%H～0.24%H，平均值為0.10%H；與常州鄰近地區的統計結果進行比較，發現與蘇州、無錫地區的最大地表沉降統計結果相近，可適當參考。

2)最大地表沉降與最大側向變形的比值普遍小于1，介于0.25和1.62，平均值約為0.58；地下連續墻有利于控制墻后土體變形，減小基坑開挖的環境效應。

3)坑外最大地表沉降與圍護結構的插入比沒有明顯的關系，常州地鐵部分車站基坑插入比偏大，應確立合理的插入比設置范圍，降低工程經濟成本。

4)最大地表沉降的產生位置介于0～1H，主要集中在與圍護墻體距離0.13H～0.6H，平均值為0.4H；最大地表沉降發生的位置靠近圍護墻體。

5)坑外地表沉降絕大多數呈凹槽形分布，0～1.0H為沉降最大區域，1.0～3.5H為沉降過渡區域；常州地區地表沉降主要影響區為0～2.0H。