基于实测数据的先建基坑变形时空规律研究

基于实测数据的先建基坑变形时空规律研究

郭哲伦,石潇雅,周加友,蔡建成,石泽智

中国水利水电第七工程局有限公司  四川成都 610081

摘 要：复杂条件下施工的基坑工程，由于缺乏成熟的经验和准确的定量分析方法，在实际施工中可能会遇到各种各样的问题，通过采取有效的监测措施，及时掌握基坑围护结构变形及周边环境的变化，确保基坑及周边环境的安全。通过分析12号线流塘站基坑（先建基坑）施工期间的监测数据，得到了流塘站先建基坑开挖变形的时空规律，主要包括：桩顶水平位移、桩顶沉降、桩体水平位移以及地表沉降的时空规律。

关键词：车站基坑；基坑变形；变形规律；施工监测；数据分析

中图分类号：    文献标志码：A

1引言

随着深圳城市建设在“十四五”期间的进一步加快，城市地面建筑日益密集，地下空间建设量显著增长，市区内地铁车站基坑工程的建设必然受到周边环境的制约，地铁车站基坑处于复杂条件下施工的情况将会越来越多。其变形发展的规律必然呈现出一定的时空效应，研究其变形的时空规律可以为类似地铁车站基坑的设计和施工提供一定的参考价值。

对于处于复杂条件下施工的基坑工程，由于缺乏成熟的经验和准确的定量分析方法，在实际施工中可能会遇到各种各样的问题。国内外众多基坑工程的实践经验表明，只有通过采取有效的监测措施，及时掌握基坑围护结构变形及周边环境的变化，才能确保基坑及周边环境的安全[1]。而分析现场的监测数据，是基坑工程领域中一种常见的研究方法。最早Peck[2]分析现场监测数据的方法，得出了围护桩水平位移的形态与基坑开挖阶段有关的结论。随后刘红军、李淑、刘美麟[3-5]等学者也都采用分析现场监测数据的方法，研究基坑的变形规律。

本文通过分析12号线流塘站基坑（先建基坑）施工期间的监测数据，得到了流塘站先建基坑开挖变形的时空规律，主要包括：桩顶水平位移、桩顶沉降、桩体水平位移以及地表沉降的时空规律。

1工程概况

深圳地铁12号线与15号线的换乘车站流塘站位于深圳市宝安区前进二路与流塘路交叉口，其中12号线流塘站沿前进二路南北向敷设，15号线流塘站沿流塘路东西向敷设，两站呈T形换乘。12号线流塘站采用半盖挖顺作法施工，基坑的围护结构主要采用排桩（钢筋混凝土桩）+内支撑的形式，其中基坑标准段竖向设置3道内支撑，换乘节点段竖向设置4道内支撑，围护结构的剖面图如图1所示；基坑采用高压旋喷桩+双液水平注浆的形式止水；基坑的半盖挖体系采用现浇混凝土路面板作为盖板，临时钢格构柱作为竖向支撑，其中钢格构柱的间距为6m。

a） 标准段

b）换乘节点段

图 112号线流塘站基坑围护结构剖面图

2监测方案

2.1 监测项目

按照相关单位的要求，综合考虑施工现场的实际情况，确定12号线流塘站基坑的主要监测项目有：桩顶水平位移、桩体水平位移、地表沉降、内支撑轴力、周边水位、管线沉降、周边建筑物沉降，各监测项目的代号如下表所示。

表1 监测项目

2.2 监测频率及控制值

参考《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB 50911-2013）的要求，结合工程经验，综合考虑施工现场的实际情况，制定的监测频率及控制值分别如表2、3所示。

表2 监测频率

表3 监测控制值

2.3监测点布置

12号线流塘站基坑具体的监测点布置如图2、3所示。

图2 基坑围护结构监测点布置图（单位：m）

图3 地表沉降监测点布置图（单位：m）

3基坑变形的时空规律

3.1桩顶水平位移的时空规律

图4为基坑典型桩顶水平位移曲线（测点ZQS22），其中正值表示桩顶向坑内移动，负值表示桩顶向坑外移动。

图4桩顶水平位移曲线

由图4可知：1）在开挖初期，由于土体应力释放较快，再加上内支撑还未施作，桩顶水平位移增长速度较快；2）内支撑有效地分担了基坑外侧的主动土压力，使桩顶水平位移得到阶段性控制，但随着基坑进一步的开挖，周围岩土体流变以及内支撑应力松弛会导致桩顶水平位移又继续增大，如此呈现出波动式增长的趋势，直到基坑开挖完成；3）基坑开挖前期桩顶水平位移的增长量明显大于基坑开挖中后期桩顶水平位移的增长量，这主要是由于中后期开挖岩层（强风化混合花岗岩、中等风化混合花岗岩）的刚度远大于前期开挖土层（素填土、粉质黏土、含砂粉质黏土）的刚度；4）测点ZQS22桩顶的最终水平位移为13.14mm，最大水平位移为13.52mm，均满足30mm的控制要求。

3.3桩体水平位移的时空规律

基坑的开挖破坏了周围地层原来的受力平衡状态，地层应力重新分布，基坑周围土体将产生向坑内的位移，导致围护桩桩体产生一定的水平位移，而过大的水平位移可能会造成桩体的破坏，因此，掌握桩体水平位移发展的时空规律对保证基坑的安全具有十分重要的意义。

3.3.1桩体水平位移随施工进行的时间规律

图5为基坑标准段典型测点ZQT12与南端头井段典型测点ZQT14桩体水平位移随施工进行的发展曲线，其中正值表示桩体向坑内移动，负值表示桩体向坑外移动。

由图5可知：1）在开挖前期，12号线流塘站基坑开挖深度的增加，不仅增大了桩体的水平位移，而且改变了桩体水平位移的形态，基坑开挖深度较小时，桩体最大水平位移出现在顶部，呈现出悬臂式位移的形态，随着基坑开挖深度的增加，桩体最大水平位移逐渐向开挖面附近移动，呈现出抛物线式位移的形态；2）基坑下部的岩体显著限制了桩体的水平位移，各施工步骤下桩体水平位移的最大值都位于土层中，且当基坑开挖到刚度较大的岩层时，开挖深度的增加几乎不改变桩体最大水平位移的位置；3）测点ZQT12桩体的最大水平位移为18.26mm，测点ZQT14桩体的最大水平位移为12.19mm，均满足30mm的控制要求。

a）测点ZQT12

b）测点ZQT14

图5 不同开挖步骤下桩体的水平位移

3.3.2 桩体水平位移的空间效应

基坑开挖深度H与各测点桩体最大水平位移δhm的关系如图6所示。

图6桩体最大水平位移与开挖深度的关系

由图6可知，0.0408%H~0.1450%H为12号线流塘站基坑桩体最大水平位分布的区间，桩体最大水平位移的平均值约为0.1004%H。12号线流塘站基坑桩体最大水平位移的平均值虽然远小于上海软土地层基坑桩体最大水平位移的平均值0.42%H[7]，但与福建土岩组合地层基坑桩体最大水平位移的平均值0.1%H[8]十分接近，说明土岩组合地层在一定程度上减小了基坑桩体的水平位移。

基坑开挖深度H与各测点桩体最大水平位移所在深度Hhm的关系如图7所示，图中桩体最大水平位移所在深度为桩体最大水平位移所在位置距桩顶的距离。

由图7可知，12号线流塘站基坑桩体最大水平位移所在深度介于0.22H~0.63H之间，平均值约为0.40H。12号线流塘站基坑桩体最大水平位移所在深度的平均值不仅远小于台湾软土地层基坑墙体最大水平位移所在深度的平均值1.0H[9]，而且小于北京砂卵石地层基坑桩体最大水平位移所在深度的平均值0.58H[10]，这主要是由于土岩组合地层下部刚度较大的岩层限制了基坑桩体最大水平位移向深部的发展，同时也说明了不同地层基坑桩（墙）体最大水平位移所在深度存在较大差异。

图 7  桩体最大水平位移所在深度与开挖深度的关系

3.4地表沉降的时空规律

地表沉降监测是控制基坑周边环境风险最直接的监测项目[11]。在基坑开挖初期，基坑外侧土体沉降量一般不大。随着基坑开挖深度的增加，基坑开挖面上不断的卸荷，再加上基坑降水产生的固结沉降效应，基坑外侧的地表沉降显著增大。地表沉降的产生往往会导致基坑周边的建筑物、道路以及管线产生一定的变形，过大的地表沉降可能会危及基坑周边环境的安全，因此，掌握地表沉降的变形规律对评价地铁车站基坑开挖对周边环境的影响具有十分重要的意义。

（1）地表沉降随施工进行的时间规律

12号线流塘站基坑东侧典型测点（DBC8-2、DBC10-2、DBC12-2、DBC14-2）的地表沉降情况如图8所示。

图8地表沉降曲线

由图8可知：1）12号线流塘站基坑地表沉降总体上随着开挖深度的增加而增大，在最后一层岩体开挖完成后逐渐趋于稳定；2）换乘节点与南端头井之间的测点（DBC8-2、DBC10-2、DBC12-2）最终地表沉降分别稳定在14~15mm、13~14mm以及11.5~12.5mm以内，南端头井处的测点DBC14-2最终地表沉降稳定在9~10mm以内；3）随着开挖深度的增加，各测点地表沉降在一定范围内均呈现出先增大后减小或先减小后增大的波动式增长的规律，这主要是由于基坑围檩以及内支撑的施作提高了围护结构整体的刚度从而减小了地表沉降，但伴随着基坑的进一步开挖这种作用会显著减小；4）基坑周边大型机械设备的振动以及车辆荷载等不确定因素是使得地表沉降在小范围浮动的原因；5）在整个施工过程中，图中各测点的地表沉降值始终满足30mm的控制要求。

（2）地表沉降的空间效应

基坑开挖完成后东侧部分测点最终地表沉降情况如图9所示。

由图9可知，各测点最终地表沉降呈现出明显的空间效应，具体表现如下：1）换乘节点处的测点最终地表沉降最大，产生这种现象可能的原因是：换乘节点处开挖深度更大，使得基坑内外侧土体产生更大的压力差，进而导致地表沉降的增大；2）由于坑角处土体受两侧围护结构的约束，离坑角最近的端头井处的测点最终地表沉降最小；3）由换乘节点处到坑角处，最终地表沉降总体上呈现出逐渐减小的趋势，但测点DBC13-2的地表沉降却发生了突增，这可能是由于DBC13-2离南端头井处的阳角较近，阳角处基坑两边的夹角大于180°，应力集中效应较为显著，附近土体容易产生较大变形。

图9基坑东侧部分测点最终地表沉降

为研究基坑开挖深度与最大地表沉降之间的内在关系，剔除了被破坏的测点

DBC1、DBC15以及DBC25~28，特选取测点DBC2~14、DBC16~24地表沉降的最大值，作出如图10所示的基坑开挖深度H与最大地表沉降δvm的关系图。

图10最大地表沉降与开挖深度的关系

由图10可知，12号线流塘站基坑最大地表沉降介于0.0395%H~0.0986%H之间，平均值约为0.0721%H。12号线流塘站基坑所处地层的上部虽然为杂填土、粉质黏土等较软弱土层但其最大地表沉降的平均值却远小于Clough[12]等学者研究得出的硬黏土、砂土地层中基坑最大地表沉降的平均值（约为0.15%H），这主要是由于12号线流塘站基坑所处地层的下部为刚度较大的强风化、中等风化混合花岗岩，而这两种刚度较大的岩层开挖对地表沉降的贡献不大。

5结论与建议

本文介绍了深圳地铁流塘站基坑的基本情况，以12号线流塘站基坑（先建基坑）为研究对象，较为详尽地分析了12号线流塘站基坑施工期间桩顶水平位移、桩顶沉降、桩体水平位移以及地表沉降的监测数据，得到了以下结论：

（1）围护桩的位移具有明显的时空规律：桩顶水平位移以及桩体水平位移总体上均随着基坑开挖深度的增加而增大，但内支撑的施作可以在一定范围内减小围护桩的位移，且下部岩层开挖对围护桩位移的影响显著小于上部土层开挖。

（2）12号线流塘站基坑桩体最大水平位移的平均值以及桩体最大水平位移所在深度的平均值分别为0.1004%H和0.40H，显著小于软土基坑的平均值，说明土岩组合地层基坑桩体的稳定性更好，且桩体的水平位移主要位于上部土层。

（3）地表沉降亦呈现出显著的时空效应：监测数据显示，地表沉降随着施工的进行逐渐增大，但内支撑的施作可以在一定程度上抑制地表沉降的发展；换乘节点中部地表沉降最大，坑角处地表沉降最小；地表沉降沿换乘节点中部至坑角处总体上呈现出逐渐减小的趋势，但在端头井的阳角附近容易产生突增；受半幅盖板体系的影响，盖挖侧地表沉降小于明挖侧地表沉降。

（4）由于基坑下部刚度较大的岩层开挖对地表沉降的贡献不大，12号线流塘站基坑最大地表沉降的平均值仅为0.0721%H，显著小于一般土质基坑的0.15%H。

参考文献(References)：

[1]张思峰,周健,贾敏才,等.深基坑施工的现场监测及其时空效应分析[J].建筑结构,2007(06):53-55+50.

[2]Peck R B. Deep excavations and tunneling in soft ground[J]. Proc. 7th ICSMFE, 1969, 1969: 225-290.

[3]刘红军,张庚成,刘涛.土岩组合地层基坑工程变形监测分析[J].岩土工程学报,2010,32(S2):550-553.

[4]李淑,张顶立,房倩,等.北京地区深基坑墙体变形特性研究[J].岩石力学与工程学报,2012,31(11):2344-2353.

[5]刘美麟,侯艳娟,张顶立,等.深基坑十字交叉换乘既有地铁车站变形特性分析[J].北京交通大学学报,2017,41(06):122-129.

[6]GB 50911-2013, 城市轨道交通工程监测技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[7]徐中华,王建华,王卫东.上海地区深基坑工程中地下连续墙的变形性状[J].土木工程学报,2008(08):81-86.

[8]林之航.上软下硬深基坑变形规律与空间效应分析[J].地下空间与工程学报,2020,16(06):1792-1800.

[9]Ou C Y, Hsieh P G, Chiou D C. Characteristics of ground surface settlement during excavation[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1993, 30(5):758-767.

[10]李淑,张顶立,房倩,等.北京地区深基坑墙体变形特性研究[J].岩石力学与工程学报,2012,31(11):2344-2353.

[11]周勇,郭楠,朱彦鹏.兰州地铁世纪大道站基坑支护监测与数值模拟[J].铁道工程学报,2014(01):82-88.

[12]Clough G W, O' Rourke T D. Construction induced movements of in situ wall[J]. Geotechnical Special Publication, 1990, 25:439-470.