复杂环境下北京地铁车站深基坑变形时空规律研究

李 淑,张顶立,邵运达

(1.国家开放大学 理工教学部, 北京 100039;2. 北京交通大学 城市地下工程教育部重点实验室，北京 100044)

近20年来，中国城市轨道交通迅速发展，建设规模之大、速度之快世界罕见.预计到2020年，全国将有超过50个城市开通轨道交通，运营里程将超过9 000 km.目前，北京已开通22条线路，居全国之首，运营里程达608 km[1].地铁车站往往修建在城市的交通枢纽位置，人口密集、周边环境复杂、敏感，一旦发生安全事故，将造成非常严重的经济损失和社会影响.2003年10月8日，北京地铁5号线崇文门站地梁钢筋整体倾覆、造成死伤4人的重大事故；2005年11月30日，北京地铁10号线熊猫环岛站基坑坍塌，坍塌范围之大、造成破坏之严重，在国内地铁工程建设中实属罕见；2007年3月28日，北京地铁10号线苏州街站塌方，造成6人死亡；2010年7月14号，北京地铁M15号线顺义站深基坑钢支撑脱落，造成2人死亡，8人轻伤.

朱爱国[2]对国内103起基坑事故进行调查分析，认为设计失误造成的基坑事故占40%以上，施工问题造成的基坑事故占26%以上.王曙光等[3]对国内185起基坑事故统计，认为因设计失误造成的事故占47.5%，其次为施工质量问题，占40.4%.唐业清等[4]对国内522起基坑事故进行调查，认为设计缺陷占40.8%，施工质量占39.6%.可见，目前以强度控制为主的设计理论和施工技术已无法满足现代城市深基坑工程对环境的严格要求.基于变形控制的设计理论逐渐被认可和应用.在基于变形控制的设计中，掌握基坑变形的特性是非常重要的.工程现场的实测数据是影响基坑变形各种因素的综合表现.通过研究已完工程的变形规律，可为新基坑工程设计和施工提供参考和依据.

自1940年以来，Peck等[5-9]学者通过半经验的方法对深基坑变形进行了研究，探讨了墙体侧移和墙后地表沉降在不同城市、不同地层条件下的变化特征和时空规律.刘建航、刘国彬等[10-13]结合上海软土地区深基坑施工实践和试验研究，认为深基坑变形具有明显的时空规律，提出在建筑群密集、场地狭窄的软土流变地层中进行深基坑的设计和施工时，应考虑采用“基于时空效应”的施工方法来控制基坑变形，达到保护周围环境的目的.目前，北京地区已有大量的深基坑工程实践，但对地铁车站深基坑变形时空规律的总结较少.

本文作者以北京地铁9号线丰台北路站深基坑及周围环境的变形监测数据为依据，对基坑开挖过程中地表沉降、桩体位移、支撑轴力和坑底隆起进行分析，探讨了基坑变形发展的时空规律，研究成果可为北京地区深基坑设计和施工提供参考.

1 工程概况

北京地铁9号线丰台北路站位于万丰路与丰台北路交叉路口以北，车站长202 m，宽21.3 m，标准段基坑深度18.7 m，南北向布置.围护结构采用Φ1000@1800(Φ为钻孔灌注桩直径;@为桩间距,单位均为mm)钻孔灌注桩，桩长26.7 m，嵌固深度8 m；支撑体系采用Φ600钢管支撑(壁厚t=14 mm)，支撑水平间距3 m，竖向设4道横撑和1道倒撑.车站平面位置见图1，支护结构剖面见图2.

丰台北路站为地铁9号线与14号线换乘站，9号线车站在上，14号线车站在下.车站周边环境复杂敏感，其北侧为万丰桥；南侧为丰台北路，地铁十四号线；西侧为华堂商场、望园楼；东侧为万丰路、卢沟桥乡政府、江湖一家饭店、宏景绿洲等住宅小区.车站区域内地下管线纵横交错，其中对车站影响较大的管线有：东侧距基坑边约2.0 m的Φ1000的污水管，管底埋深6.6 m；东侧距基坑边约4.0 m的Φ2200雨水管，管底埋深4.3 m.车站与周边环境位置关系见图1.

图1 基坑平面位置及监测点布置示意图Fig.1 Layout of field monitoring points

图2 支护结构剖面(单位:m)Fig.2 Sectional view of the support structure(unit:m)

2 工程地质与水文地质情况

丰台北路站场区范围内土层分布较有规律，自上而下依次为人工填土、新近沉积土层、第四纪晚更新世冲洪积地层.其中人工填土层普遍分布，厚度为0.2～2.8 m；新近沉积土层普遍分布，厚度一般为2.5～6.9 m；以下为第四纪晚更新世冲洪积层.土体物理力学性质见表1.

场区范围内地下水类型主要为潜水，水位埋深13.5～25.9 m，局部地段存在上层滞水，深部卵石层中赋存的地下水具有弱承压性.

表1 基坑土体的物理力学参数

3 基坑监测

施工过程中，对基坑自身和周边环境进行监测.主要监测项目有：地表沉降、桩体侧移、桩顶侧移、支撑轴力、建筑物沉降、管线沉降等.同时，为了进一步研究坑底隆起的时空效应，对中间桩(立柱)竖向变形及围护桩桩顶竖向变形进行监测.

由于基坑的对称性，选取基坑长边中心截面至基坑南端5个典型断面进行分析，截面选取的原则为：间距接近(25 m)，端点、中点、截面突变点和等分点截面兼顾.5个断面及各截面测点布置见图1.其中:DB表示地表沉降测点;WS为污水管沉降测点;YS为雨水管沉降测点;JZ为建筑物沉降测点;ZT表示桩体侧移测点;LZ表示中间立柱测点;ZL为钢管支撑轴力测点.

4 地铁车站深基坑变形时空规律

4.1 地表沉降时空规律

图3为基坑西侧及南侧各测点地表沉降曲线，由图3可知：1)随时间发展，地表沉降随基坑开挖深度的增大而增大.开挖期间沉降的增长速度较快，随着底板和内部结构的施工完成，沉降逐渐趋于稳定；2)受钢支撑预应力的影响，支撑架设时提供较大的反推力，会抑制地层沉降甚至抬升地层，导致地表测点沉降速度减慢甚至沉降减小，但这种作用随着土方的继续开挖而减小，这是导致地表沉降历时曲线呈波动式增长的原因；3)由于两边围护体系的共同约束作用，基坑角点测点DB5、DB6、DB8最终沉降在4 mm以内，小于基坑短边中点测点DB7最终沉降5 mm，远小于基坑长边中点测点DB1最终沉降13.3 mm.

图3 地表沉降曲线Fig.3 Curves of ground surface settlement

进一步分析基坑开挖期间西侧AB段(DB1～DB5)各测点在同一时间点时地表沉降的空间规律，如图4.其中不同样式线条代表不同时间点.由图4可知：地表沉降随距坑角距离的增大而增大，增大的趋势大致可分为3个区域：1)快速增长区域.位于距离坑角约25 m(1/8L)范围内，沉降随距离的增大而线性增大；2)过渡区域.位于距离坑角约25～50 m(1/8L ～1/4L)范围内，沉降随距离的增大而增大，但增大的速度渐减；3)平缓区域.位于距离坑角约50～100 m(1/4L ～1/2L)范围内，曲线趋于平缓，沉降随距离增长缓慢，增长到一定值后逐渐趋于稳定.

图4 AB段(DB1～DB5)地表沉降空间规律Fig.4 Spatial law of surface settlement in AB section (DB1～DB5)

4.2 桩顶侧移时间规律

图5为ZT1桩顶水平侧移随时间变化曲线，由图5可知：1)基坑开挖较浅时，桩体侧移很小，直到架设第2道钢支撑时，桩体侧移均小于4 mm；2)随着开挖深度的增加，侧移逐渐增大，第3道钢支撑的架设对侧移有一定的抑制作用，但由于开挖深度的增加和支撑轴力的损失，抑制作用逐渐被削弱；3)受作业环境影响，第4道支撑架设滞后，侧移持续增大，直到第4道钢支撑架设完成后，侧移增长逐渐变缓，可见钢支撑的及时架设对抑制基坑的变形具有重要作用；4)底板完成后，在拆撑过程中，由于墙体承受巨大的土压力，而内部结构刚度较低，侧移持续增大，随着施工完成，内部结构刚度逐渐增大，变形才逐渐趋于稳定.

图5 ZT1桩顶侧移曲线Fig.5 Curves lateral displacement for ZTI pile top

4.3 桩体侧移时空规律

随着基坑的开挖，地层应力重新分布，土体向坑内移动，造成桩体的侧向压力，导致桩体侧移和变形.钢支撑的架设一定程度上抑制了这种作用.图6为长边中心截面桩体(ZT1)侧移随时间和施工过程的发展曲线，其中“3.6 m”表示土方开挖至第一道钢支撑以下1 m，架设完第一道钢支撑时桩体的侧移(“8.8 m”～“17.2 m”同理可得)；“底板”表示土方开挖完成，底板浇筑完成时该桩体的侧移；“最终”表示基坑内部结构施工完成，土方回填完成时该桩体的侧移.

图6 不同开挖阶段ZT1桩体侧移曲线Fig.6 Time series of lateral displacement for ZT1 pile at different stages

由图6可知：1)桩体侧移随开挖深度的增加逐渐增大.开挖初期(“3.6 m”和“8.8 m”施工期间)，因开挖深度较浅，主动土压力较小，且此时围护结构的相对刚度较大，所以侧移较小且发展速度慢，最大侧移发生在桩顶，桩体侧移呈“三角形”；2)随着开挖深度的加深(“14.2 m”～“底板”施工期间)，侧移增长速度加快，最大侧移逐渐下移，发生在0.5H+5 m(H为开挖深度)范围内，侧移呈现中间大两端小的“大肚子”形；3)施工内部结构时，发现钢支撑影响内部结构钢筋绑扎作业，从下往上，随工程进展，依次拆除第四、第三道和第二道钢支撑，拆撑阶段变形持续增大，拆撑过程至内部结构施工完成最大侧移增长了4.5 mm.可见，拆撑对变形影响较大，以往的研究往往忽略这一点，大多数认为底板施工完成变形逐渐趋于稳定.事实上，如过早拆撑，或内部结构强度还不够时就拆除支撑，对变形控制是不利的.

进一步分析基坑西侧AB段(ZT1～ZT5)各桩体最大侧移空间分布规律，并与该段(DB1～DB5)各测点最大地表沉降对比，如图7所示：发现侧移与地表沉降类似，随离坑角距离的增大而增大，至基坑中部达到最大值，也存在快速增长区域、过渡区域和平缓区域.但是相比地表沉降，桩体的侧移较大一些.类似的规律也在其他不同地层条件的基坑工程案例中发现[13-14].

图7 桩体侧移及地表沉降空间分布规律Fig.7 The maximal lateral deformations of piles and ground surface

4.4 钢支承轴力时空规律

图8 轴力变化曲线Fig.8 Time serie of axial force

轴力随时间变化情况如图8所示.由图8可知：1)初始预应力施加后，均发生快速衰减，虽及时进行了预应力补充，但仍损失较大；2)长边中心截面(ZL1)轴力最大，峰值达到723 kN；ZL2较小，峰值为608 kN；ZL3更小，峰值为485 kN；3)轴力的空间分布规律与桩体侧移及地表沉降类似，沿基坑中心截面向坑角减少；ZL1轴力最大，对应ZT1侧移最大；ZL2轴力和ZT2侧移次之；ZL3轴力和ZT3侧移最小；4)轴力随开挖过程反复振荡，直至底板施工完成逐渐趋于稳定.由于基坑土方开挖及钢支撑架设的扰动，土压力重新分布，每道支撑分担的土压力也相应变化.支撑轴力的大小及变化受开挖顺序的影响.

进一步分析基坑开挖期间ZT1桩顶侧移与ZL1轴力的相互关系,由图9可知，桩顶侧移与轴力表现出显著负相关性(R2=0.258，P<0.05)，侧移随支撑轴力的增大而减小.

图9 ZT1桩顶侧移与支撑轴力相关性分析Fig.9 Relationship between ZT1 lateral displacement and axial force

4.5 坑底隆起时空规律

深基坑开挖过程中，坑底隆起是基坑变形的主要表现之一.但由于坑内土体的开挖，使得对坑底土体隆起量的监测难度加大[14].为此，施工过程中，对长边中心截面中间桩(LZ1)及围护桩(ZT1)进行桩顶竖向变形监测，如图10所示.由图10可知：1)随着基坑的开挖卸载，基底土体向上回弹，带动中间桩(立柱)和围护桩向上隆起，隆起的大小随开挖深度的增加而增大.当开挖至基底时，隆起量达到最大值，中间桩(立柱)、围护桩的上浮量及差异上浮量也达到了最大值：中间桩(LZ1)最大隆起4.7 mm，围护桩(ZT1)最大隆起0.9 mm，差异隆起量为3.8 mm；2)围护桩的隆起量远小于中间桩(立柱)：一方面，是因为围护桩外侧土体对围护桩的侧摩阻力阻止了围护桩向上移动；另一方面，由于围护桩外侧土体的自重作用，抑制了桩体隆起的发展；3)随着底板的浇注及内部结构的施工，坑底隆起逐渐减小，直至顶板浇筑完后隆起量很小，并逐渐趋于稳定.一方面由于底板及内部结构具有一定的刚度，阻止了基底土体隆起的继续发展；另一方面，由于底板和内部结构的自重，增大了基底的竖向荷载，使坑底隆起逐渐减小并趋于稳定；4)最终中间桩(立柱)表现为微小的隆起，而围护桩表现为沉降.这也是坑外紧邻围护桩地表测点开始表现为隆起最终随着开挖完成表现为沉降的原因.

图10 长边中心截面围护桩与中间桩隆起对比分析Fig.10 Upheaval comparison between piles at middle section of the long side

4.6 基坑开挖对环境的影响

4.6.1 建筑物沉降

选取基坑西侧华堂商厦进行分析，建筑物部分测点变形曲线见图11，由图11可知：1)建筑物沉降随时间的发展，开挖深度加深而增大，但相比其附近地表沉降较小.这是因为一方面建筑物距离基坑较远，另一方面建筑物基础和地基相互作用可看作是工程平衡系统的子系统，其本身具有自组织能力.随着基础与地基接触面的调整、基础与地层变形的协调，地层变形能量也发生积累与耗散的变化.建筑物刚度越强，质量越大，建筑基础切入地基的量越大，建筑物抗变形能力越强，建筑物与地表变形的差异越大[15]；2)建筑物变形同样具有明显的时空效应，位于基坑中部及附近的测点沉降明显大于其他远离基坑中部处测点；(3)建筑物的最终最大差异沉降为3.1 mm，最大纵向倾斜为0.3‰；最大横向倾斜为0.45‰，均小于变形控制标准.华堂商厦的沉降大小及差异沉降的变形值均小于北京地区同类建筑物的变形统计研究结果(平均值为6.13 mm，标准差为4.93 mm，建议角变量控制指标0.002)[16-17]，一般认为差异沉降小于10 mm时，角变量小于0.002，建筑物未受到损坏，不影响建筑物正常使用[17].

图11 华堂商厦测点变形曲线Fig.11 Time series of deformation for Huatang Building

4.6.2 地下管线沉降

以基坑东侧的污水管和雨水管为例，其变形随时间发展过程见图12.

图12 管线部分测点变形曲线Fig.12 Time series of deformation for pipes

由图12可知：1)管线的沉降随施工进行逐渐增大，基坑开挖期间沉降速度较快，开挖完毕后逐渐趋于稳定；2)由于管线自身的刚度及地层变形由上而下传递的损失，管线沉降远小于其附近位置地表的沉降，且较快趋于稳定；3)管线的变形同样具有明显的时空效应，位于基坑中部及附近的测点沉降明显大于远离基坑中心处测点；4)最终，污水管最大沉降为6.9 mm，最大差异沉降3.4 mm，最大纵向倾斜为0.1‰，小于北京地区污水管沉降变形统计研究结果(平均值为-13.46 mm，标准差为14.48，建议控制值25 mm, 最大斜率为2.55‰)[18]；雨水管最大沉降为7.0 mm，最大差异沉降2.3，最大纵向倾斜为0.05‰，小于北京地区雨水管沉降变形统计研究结果(平均值为-13.58 mm，标准差为 12.85，建议控制值25 mm, 最大斜率为2.55‰)[18].施工过程中没有发生因附加变形过大而影响管线正常使用的情况.

5 结论

通过对北京地铁9号线丰台北路站深基坑施工过程中的现场监测数据分析可知，长条形深基坑开挖时，地表沉降、桩体侧移、支撑轴力及坑底隆起变形具有明显的时空规律：

1)地表沉降和桩体侧移随时间发展逐渐变大；空间上沿坑角至基坑中部逐渐增大，至基坑中部达到最大值.增大趋势大致可分为3个区域：快速增长区域、过渡区域和平缓区域；相比地表沉降，桩体的侧移变形量更大一些，桩体侧移在拆撑过程中有明显增大.支撑过早的拆除可能导致显著的桩体变形，以往的研究多集中于基坑的主开挖阶段，容易忽略这点.

2)由于基坑土方开挖及钢支撑架设的扰动，支撑轴力随时间反复振荡，直至底板施工完成时逐渐趋于稳定；轴力大小在空间分布上沿坑角至基坑中部逐渐增大；对于同一根桩而言，轴力大小与桩体侧移具有显著的负相关性.钢支撑是控制基坑变形的大小及形状的重要手段之一，轴力的大小直接影响其支护的效果，过大可能造成挠度变形过大，严重时甚至造成钢支撑脱落，发生安全事故；过小则起不到抑制围护桩侧向变形的作用，尤其周边存在高大建筑物等侧向荷载的情况下，需要引起重视.

3)坑底隆起随时间发展逐渐增大，至开挖结束时达到最大，然后逐渐减小；坑底隆起同样具有明显的空间效应，基坑中部(中间桩)隆起量远大于坑边(围护桩)，差异量随隆起的发展逐渐增大，开挖结束时达到最大.隆起差异会对内部结构水平梁、板产生不利影响.目前对隆起量的定量分析多用数值模拟的方法，未来应考虑进行更多的实测数据研究.