基于實測數(shù)據(jù)的常州地鐵車站坑外地表沉降變形規(guī)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(fā)展有限公司，江蘇 常州 213022； 2.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 210096；3.常州市規(guī)劃設(shè)計院，江蘇 常州 213022)

1 研究背景

常州地鐵1號線全長34.092km，設(shè)地下車站27座，高架站2座；2號線一期工程全長19.718km，設(shè)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(shè)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(qū)的基坑開挖變形規(guī)律才能在施工過程中減小基坑變形，確?；幼陨砑爸車h(huán)境的穩(wěn)定。

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

基于當?shù)鼗庸こ檀罅繉崪y數(shù)據(jù)進行統(tǒng)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(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)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(tǒng)計分析，以期得到常州地區(qū)坑外地表沉降變形規(guī)律，為常州后續(xù)地鐵線路的車站深基坑工程設(shè)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(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(xù)墻深度(Hw)、坑外最大地表沉降(δvm)及最大地表沉降產(chǎn)生的位置距圍護墻體的距離(dδvm)。其中地下連續(xù)墻厚度多采用0.8m，支撐道數(shù)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(shù)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(guān)數(shù)據(jù)

圖1 參數(shù)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(guān)系如圖2所示，圖中數(shù)據(jù)僅為基坑開挖到底的最終工況?？梢钥闯觯Ｖ莸貐^(qū)地下連續(xù)墻支護的深基坑坑外最大地表沉降大多數(shù)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(guān)系

常州地鐵車站坑外最大地表沉降與Long[4]統(tǒng)計的軟土層厚度小于0.6H的內(nèi)支撐支護形式的坑外最大地表沉降結(jié)果(平均值約為0.12%H)相近；遠遠小于王衛(wèi)東[5]對上海地區(qū)坑外最大地表沉降的統(tǒng)計結(jié)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(tǒng)計結(jié)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(tǒng)計結(jié)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(jié)構(gòu)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(qū)坑外最大地表沉降明顯小于上海地區(qū)，與蘇州、無錫地區(qū)相近，說明常州地區(qū)地層條件比上海地區(qū)好，上海地區(qū)地表沉降經(jīng)驗并不適用，在基坑設(shè)計時可適當參考蘇州、無錫地區(qū)的坑外地表沉降經(jīng)驗,但仍需總結(jié)得出常州地區(qū)的地表沉降變形規(guī)律。

3.2 最大地表沉降與圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的關(guān)系

基坑開挖卸荷引起圍護墻體在兩側(cè)土壓力差作用下產(chǎn)生側(cè)向水平位移，從而引起坑外土體發(fā)生位移，使地表發(fā)生沉降。因此，坑外地表沉降與圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形相互影響，確定坑外地表沉降與圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形之間的變化關(guān)系，就可以通過現(xiàn)場實測的圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形來預(yù)估坑外地表沉降。

如圖3所示最大地表沉降與圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形的關(guān)系圖，圖中數(shù)據(jù)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(cè)向變形)。由圖可知：最大地表沉降與最大側(cè)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(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形，地下連續(xù)墻圍護形式有利于控制墻后土體變形，減小基坑開挖的環(huán)境效應(yīng)。

圖3 圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形與地表最大沉降的關(guān)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(jié)構(gòu)，可能會發(fā)生底鼓和滲流等問題；插入比足夠大后，繼續(xù)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(jié)構(gòu)的造價成本，造成不必要浪費[8]。因此，在圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計時，就需要確定合適的插入比來協(xié)調(diào)圍護結(jié)構(gòu)安全性能與經(jīng)濟成本之間的關(guān)系。

最大地表沉降與插入比的關(guān)系如圖4所示，圖中數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(guān)系，當圍護結(jié)構(gòu)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(yīng)確立合理的插入比設(shè)置范圍，優(yōu)化圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而降低工程經(jīng)濟成本。

圖4 圍護結(jié)構(gòu)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(guān)系如圖5所示，圖中數(shù)據(jù)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(chǎn)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(fā)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(guān)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(qū)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(qū)域Ⅰ，即砂土、硬黏土和軟黏土區(qū)域，只有少數(shù)沉降分布在區(qū)域Ⅱ，即軟黏土和極軟弱的黏土區(qū)域；常州地區(qū)地質(zhì)條件對應(yīng)區(qū)域Ⅰ的地質(zhì)條件，可見地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)形式對基坑變形具有良好的控制效果，使得地表沉降偏??；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(xiàn)在0.5H～1.0H區(qū)間；3段實線可作為地表沉降包絡(luò)線，用以預(yù)測常州地區(qū)坑外地表沉降；由包絡(luò)線可見，常州地區(qū)地表沉降主要影響區(qū)為0～2.0H，次要影響區(qū)為2.0H～3.5H。

圖6 坑外地表沉降分布與開挖深度的關(guān)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(shù)沉降呈三角形分布外，大多數(shù)沉降呈凹槽形分布，0～1.0H為沉降最大區(qū)域，1.0H～3.5H為沉降過渡區(qū)域；實線為常州地區(qū)沉降包絡(luò)線，可以看出最大沉降一般發(fā)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(qū)坑外地表沉降變化趨勢比較相符，可為預(yù)測常州地區(qū)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(guān)系

5 結(jié)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(tǒng)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(guī)律，結(jié)論如下。

1)常州地區(qū)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(qū)的統(tǒng)計結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)與蘇州、無錫地區(qū)的最大地表沉降統(tǒng)計結(jié)果相近，可適當參考。

2)最大地表沉降與最大側(cè)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(xù)墻有利于控制墻后土體變形，減小基坑開挖的環(huán)境效應(yīng)。

3)坑外最大地表沉降與圍護結(jié)構(gòu)的插入比沒有明顯的關(guān)系，常州地鐵部分車站基坑插入比偏大，應(yīng)確立合理的插入比設(shè)置范圍，降低工程經(jīng)濟成本。

4)最大地表沉降的產(chǎn)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(fā)生的位置靠近圍護墻體。

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