西安地铁深基坑变形模式统计规律分析

梅 源，袁一力，胡长明，王雪艳,2，赵 楠

(1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055；2.西安工程大学环境与化学工程学院，陕西 西安 710048 )

黄土湿陷性具有极大的危害性[1].作为黄土地区第一个修建地铁的城市，西安地铁沿线土体多为典型的湿陷性黄土，基坑工程变形影响因素比较复杂，基坑开挖过程中风险较大，基坑变形控制问题一直是工程人员关注的焦点.

针对深基坑变形规律的研究，已经积累了一些重要的研究成果.LEUNG[2]、徐中华[3]、王卫东[4]、MASUDA[5]、李淑[6-7]分别分析了不同地区的基坑变形特性及影响因素，但较少涉及黄土深基坑.虽然有不少学者针对某单一黄土深基坑的变形规律进行了分析，但由于数据量较少，而未能得到统计规律，为向黄土地区地铁深基坑工程的设计和施工提供参考，本文针对西安地铁车站深基坑地表沉降及支护桩侧向变形性状开展了统计分析，对防止基坑事故及优化设计具有重要意义.

1 基坑概况及沿线基本地质条件

西安地铁沿线多穿越渭河或浐河阶地、黄土梁洼和黄土塬区[8].地质条件复杂，湿陷性黄土、饱和软黄土、饱和的粉细砂层、人工填土等特殊岩土和不良地质以及地裂缝决定了西安地铁工程的特殊地位，沿线主要土层物理力学参数平均值见表1.

表1 西安地铁沿线主要土层物理力学参数平均值Tab.1 Average value of the mechanical parameters of the critical soil layer along Xi’an subway

为避免基坑变形影响因素过于复杂，本次统计基坑形状均为矩形，均是采用灌注桩与钢支撑联合支撑系统，基本信息见表2.

表2 统计的车站深基坑工程基本信息Tab.2 Fundamental information of the station foundation pit engineering

由表2可知，本次统计的基坑长度集中分布在200 m左右，宽度集中分布在20 m左右，开挖深度主要分布于15～20 m之间，最大开挖深度达27.1 m，开挖尺寸分布如图1所示.

图1 基坑开挖尺寸分布Fig.1 Dimension distribution of the excavation

2 基坑最大变形量分布

本次统计共得到81个地表沉降测点有效测值及710个桩体变形有效测值.图2为地表沉降测点的最终变形值，图3为桩体侧向变形最终测值.

从图2可以看出：基坑开挖主要引起地表沉降，沉降测点占所有测点的97.53%；沉降值为0～3 mm的测点所占比率为23.46%；3～6 mm 测点所占比率39.51%为最高比率区段；6～9 mm 测点所占比率18.52%；9～12 mm 测点所占比率9.88%；12～15 mm 测点所占比率2.47%；15～18 mm 测点所占比率1.23%；沉降值大于18 mm 的测点仅占2.46%.分析发现：基坑开挖不仅会使地表产生沉降，还会导致地面隆起，隆起的测点不多且隆起值较小，介于0～3 mm.

图2 地表沉降值分布Fig.2 Value distribution of ground settlement

图3 支护桩侧向变形值分布Fig.3 Value distribution of lateral deformation of soldier pile

由图3可知：围护桩最大侧向变形为0～2 mm所占比率为27.46%，2～4 mm 区段所占比例为30.70%，是分布比例最高的区段；4～6 mm区段所占比例为17.46%；6～8 mm区段所占比例为9.01%；8～10 mm区段所占比例为4.65%；10～12 mm 区段所占比例为3.24%；大于12 mm区段仅占3.67%.

对比发现，基坑地表沉降主要在0～12 mm 范围，总体略大于墙体侧移（集中于0～8 mm），但绝对变形量见其它土质基坑小，这与黄土特殊的结构性和较高的强度有直接关系.本文统计结果与北京地区深基坑工程开挖总体变形趋势基本一致[6-7].

3 基坑基本变形模式

3.1 西安地铁深基坑与其它地区基坑变形对比分析

西安地区地铁深基坑变形与其他地区的对比情况见表3.

表3 西安地铁车站深基坑变形与其它地区对比结果Tab.3 Comparison: results of the deep foundation pit in Xi'an metro station and other area

由表3可知，西安地区地铁车站基坑最大侧移平均值远小于其它地区，这说明黄土深基坑在天然含水量状态下稳定性好，侧移及沉降均较小.

3.2 西安地铁深基坑典型变形曲线监测与分析

为说明西安地铁深基坑典型变形曲线，本文基于某深基坑实测数据对支护桩变形及地表沉降的变化规律加以分析.该车站长度约为150 m，车站标准段宽度约为23 m，开挖深度为25 m.车站主体围护结构采用钻孔灌注桩及钢管（Φ600）内支撑方案，基坑内共设五层支撑.场地位于黄土梁洼区，地表一般均布有厚度不均的全新统人工填土（Q4ml）；其下为上更新统风积新黄土（Q3eol）、层饱和软黄土（Q3eol）及古土壤（Q3el），再下为中更新统风积老黄土（Q2eol）、冲积粉质黏土（Q2al）、中砂等.选取的支护桩侧移监测点监测结果如图4所示，地表沉降监测断面监测结果如图5所示.

从图4中可看出，在整个基坑的开挖过程中，围护桩水平位移总体变化不大，围护桩水平位移的最大值约有10 mm，与设计中桩体测斜报警值还相差较大，这充分反映出了黄土深基坑不同与软土地区的显著特点，黄土由于本身的结构性，侧向变形较软土地区要小的多.在基坑开挖的初始阶段，支护桩的侧向位移一般很小，呈前倾型曲线.

监测过程中发现，大部分桩体变形曲线变化趋势相同（如图4(a)所示），呈抛物线分布，且在整个基坑施工过程中，桩体变形最大位置随着开挖深度的增加逐渐下移.从图4(b)中还可以发现，少部分桩体变形规律较其它测点有显著的不同，整个支护桩的位移沿深度方向是线性减小的，支护桩最大位移出现在桩顶，这可能由于局部环境及荷载情况差异所致.从图4中还可以看出，桩体的水平位移不仅发生在开挖面以上，开挖面以下也会产生一定的位移.所以，保证支护桩有一定的嵌固深度在设计和施工过程中是非常必要的.

图4 支护桩侧向变形监测曲线Fig.4 Monitoring curve of lateral deformation of soldier pile

图5 地表沉降变形监测曲线Fig.5 Monitoring curve of ground settlement

从图5中可以看出，在基坑开挖过程中，最大沉降点并不是距离基坑最近处，而是始终发生在距基坑边缘一定距离处.该基坑的实测地面最大沉降点位于距离基坑边13～15 m 的位置处，整体沉降形状类似于“凹槽形”，且随着基坑开挖深度的增加，沉降峰值逐渐向基坑侧靠近.在整个基坑开挖过程中，最大的地面沉降值接近30 mm，并随着监测点与基坑边距离的不断增加，沉降值又逐渐减小，最后趋于稳定.每开挖一步，坑后地表的沉降量都有一定程度的增加，每步开挖形成的地表沉降分布曲线形状相似.

3.3 变形模式分析

为统计分析西安地铁深基坑支护桩侧向变形及地表侧向变形的基本规律，本文将收集到的数据采用统计方法处理，得到基坑地表沉降测点最终测值统计图（如图6所示）及基坑支护桩侧向变形统计图（如图7所示）.

图6 地表沉降变形模式Fig.6 Model of ground settlement

图7 支护桩侧向变形模式Fig.7 Model of lateral deformation of soldier pile

由图6可知，西安地区地铁车站基坑地表变形表现为“凹槽形”模式.除距基坑边缘约3 m处个别测点表现为隆起外，其余均为沉降；距离坑壁10～15 m内地表沉降值最大；距坑壁30 m以外沉降较小，基本模式与北京地区深基坑地表变形模式相似[6].

由图7可知，西安地区地铁车站基坑支护桩变形表现为两种变形模式，即“中凸形”或“悬臂形”模式[7].除个别测点支护桩顶部向基坑外变形外，其余均向基坑内变形.“中凸形”模式变形的支护桩距地表5～15 m内变形最大；“悬臂形”模式支护桩顶变形最大，并随深度增加而逐渐减小.两种变形模式下支护桩嵌固端可视为不动点.根据经验，对于土质较好的基坑，桩侧土压力的作用往往表现不明显，支护桩变形更接近于“悬臂形”模式；当土质相对较软或部分土层发生湿陷时，桩侧土压力的作用将会表现的较为突出，桩体变形模式更接近于“中凸形”模式，类似于软土基坑.

4 结 论

(1)西安地铁车站深基坑地表沉降变形主要集中于0～12 mm 范围，支护桩侧向变形集中于0～8 mm范围，但两者均小于其它地区的统计值.

(2)基坑开挖导致的地表沉降变形表现为“凹槽形”模式，距离坑壁10～15 m内地表沉降值最大，坑壁30 m以外地表沉降较小，且随着基坑开挖深度的增加，峰值逐渐向基坑侧靠近.支护桩侧向变形分别表现为“中凸形”或“悬臂形”两种模式，距地表5～15 m范围内侧向变形最大且在施工过程中，桩体变形最大位置随着开挖深度的增加逐渐下移.

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