太原地区地铁车站深基坑变形特性研究

贾 霄，张金柱，夏瑞萌，郎瑞卿

(1.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037；2.天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384)

深基坑开挖会引起围护结构侧向变形和周边地表沉降，进而对周边建构筑物产生不利影响，研究分析深基坑的变形特性和规律具有一定的工程意义。许多学者采用基于实测数据的统计分析经验方法对不同地区基坑开挖引起的变形开展了一系列研究，成果见表1。李淑等[1-2]和吴锋波等[3-4]对北京地铁车站深基坑的围护结构和地表变形特性进行了大量实测统计和研究；刘美麟[5]对天津地铁6号线25个车站的基坑变形规律进行了研究分析；徐中华等[6-7]、王卫东等[8]以实测数据为基础，对上海地铁深基坑的围护结构及地表变形规律进行了统计分析；李方明等[9]对南京江漫滩地区的地铁基坑变形规律进行了研究；乔亚飞等[10]和朱瑶宏等[11]分别基于无锡轨道交通1号线和宁波轨道交通1号线工程，研究了两个地区的深基坑变形特性。由表1结果可知，由于工程地质和水文地质的差异，不同地区的基坑变形特性有所不同。北京地区主要为硬土地层，基坑变形最小；上海、南京、宁波等地区以软土为主，基坑变形最大。天津地区上部土层以软土为主，下部为土质较好的硬土层，基坑变形居于前两者之间。

表1 不同城市的基坑变形结果统计表

太原地区尚缺乏针对地铁车站深基坑变形特性的系统研究，工程技术人员对深基坑的变形特性和规律缺乏统一认识[12]。由于地质成因及区域性差异，其他地区的经验成果也不能直接用于指导本地区的工程实践。针对太原的地层特点，本文建立了不同深度、不同插入比的有限元数值模型，以太原地铁2号线11个车站深基坑工程的变形实测资料为基础，从基坑围护结构侧移和周边地表沉降两个方面进行了研究和分析，成果可用于指导本地区类似工程的设计和施工。

1 工程概况

太原地铁2号线工程是太原市建设的首条地铁，线路呈南北走向，主要穿越汾河漫滩和一级阶地。汾河自北向南纵贯太原全市，市区大部分区域为冲积扇平原。由于地质成因不同，太原的地层特点鲜明，上部以填土、粉质黏土为主，孔隙比大、含水率高、压缩性高、多为高灵敏性土，受扰动后强度显著降低；下部以砂层为主，渗透性强，水量丰富，且多为承压含水层。由于砂层厚度较大，难以找到相对隔水层，车站基坑围护结构设计时，普遍采用悬挂式止水帷幕。图1为典型车站的基坑支护剖面图。

图1 典型车站的基坑支护剖面图

表2为太原2号线工程11座车站深基坑的围护结构设计参数。主体基坑的开挖深度主要集中在17 m左右，最大约24 m，附属基坑的开挖深度为11 m左右。插入比是衡量基坑经济性、影响基坑安全性的重要指标，太原地铁2号线车站主体及附属基坑围护结构的插入比平均值为0.5。

表2 太原2号线车站围护结构参数表

2 数值模拟

2.1 模型建立

目前国内常用的基坑围护结构设计软件仅能计算基坑开挖引起的基底回弹、地表沉降、围护结构侧移等变形，不能考虑降水引起的流固耦合作用，计算结果与实际偏差较大。本文采用MIDAS/GTS有限元软件模拟应力场与渗流场共同作用的过程，更符合实际工况。考虑地铁车站基坑均为长条型，建立二维平面模型进行模拟计算。模型分11.0 m、17.0 m和24.0 m三种不同的开挖深度，每个深度设置0.35、0.50和0.65三种不同的插入比。表3为计算模型的参数表。

表3 模型参数表

为尽可能消除边界影响，模型的计算深度取开挖深度的3倍，宽度取基坑宽度的4倍。模型上表面自由，侧面约束水平向位移，下表面约束竖向和水平向位移[13]。模型边界不透水，坑外地下水位取勘察水位，降水后坑内水位取基底以下1.0 m，水位线处孔压为零。

根据不同的土类选取不同的本构模型，黏性土选用修正剑桥本构模型，砂性土选用莫尔-库仑本构模型[14]。土体物理力学参数[15-16]的选取见表4。

表4 土体物理力学参数表

土体和围护结构采用面单元模拟，支撑采用梁单元模拟。围护结构和支撑均为线弹性材料。混凝土的弹性模量Ec=3×104MPa，钢材的弹性模量Et=2×105MPa，泊松比μ=0.2。

模型首先在重力作用下进行迭代计算，直至系统达到平衡，模拟地层的初始应力状态。根据基坑工程的实际施工步序设置施工阶段的不同工况：(1) 施工围护结构; (2) 进行坑内降水，水位降至基底以下1.0 m; (3) 分层开挖土方、架设支撑; (4) 开挖至设计标高后封闭基底，浇筑底板混凝土。

2.2 结果分析

为叙述方便，本文对涉及的符号做统一定义，见图2。

图2 基坑开挖变形示意图

(1) 围护结构侧移。图3为不同模型的围护结构变形曲线，最终形态均呈现向坑内的“凸形”。顶部和底部的侧移较小，坑底附近的侧移较大。主要原因是：基坑工程的施工工序一般是先开挖土方至某一标高，再架设支撑。开挖冠梁浅基坑时，侧向变形较小，第一道支撑采用钢筋混凝土支撑，有效约束了顶部侧移。随着逐层开挖土方，围护结构向坑内的变形逐渐发展。所以，在汾河漫滩和一级阶地区修建地铁车站基坑时，第一道支撑应尽可能地设计为刚度、强度和稳定性更好的钢筋混凝土支撑。

图3 围护结构侧移曲线图

(2) 围护结构的最大侧移。围护结构最大侧移与开挖深度的关系如图4所示。在围护结构插入比相同的情况下，最大侧移随着开挖深度的增加不断增大，近似呈线性。当基坑开挖深度一定时，插入比越大，围护结构的最大侧移越小。

图4 围护结构最大侧移量与基坑开挖深度的关系

刘建航等[17]认为：增大围护结构的插入比可提高坑底抗隆起稳定性安全系数，对减小基坑变形有利。但当插入比大于0.9时，继续增大插入比对减小基坑变形的效果不明显，工程造价却有较大增加。从经济合理角度考虑，不宜盲目加大插入比。根据部分地区的工程经验，不同区域、不同土层条件下，基坑的插入比相差较大。北京地区的地层条件相对较好，插入比也较小，主要分布在0.25～0.35范围。上海软土地区基坑的插入比较大，平均值约为1.1。根据计算结果，对于太原地区的地层而言，插入比为0.5时，δhm/H约0.14%，既能将围护结构的变形控制在规范允许的范围，又避免了过高的工程投资。

(3) 最大侧移的深度。图5为围护结构最大侧移的深度与开挖深度的关系。在插入比相同的情况下，随着开挖深度的增加，围护结构最大侧移的深度逐渐增大。插入比为0.5时，Hm/H在0.68到0.75之间。当开挖深度一定时，插入比越大，Hm/H越小。这表明，基坑围护结构的嵌固深度越小，坑底土层对围护结构的约束作用越弱，最大侧移的深度越接近坑底。

图5 围护结构最大侧移的位置与基坑开挖深度的关系

(4) 周边地表沉降。图6为基坑周边地表沉降曲线，均为向下的“凹形”，沉降范围大致为坑外0～3.5H，最大沉降点位于0.3H附近。在0

图6 地表沉降曲线图

基坑周边地表的最大沉降量与开挖深度的关系如图7所示。

图7 地表最大沉降量与开挖深度的关系

相同插入比的基坑，地表最大沉降量随着开挖深度的增加近似呈线性增大。当开挖深度一定时，插入比越大，地表最大沉降量越小。本文的计算结果与刘建航等的研究结论一致，即适当增大围护结构插入比，对减小基坑周边地表沉降的作用显著。对于太原地区的基坑工程而言，当插入比为0.35、0.50和0.65时，δvm/H分别为0.24%、0.16%和0.10%。

3 统计分析

3.1 围护结构侧移

(1) 围护结构的最大侧移。经过对11座车站基坑的围护结构变形实测数据的统计分析，得到最大侧移量与基坑开挖深度的关系曲线图(见图8)，可知：

① 围护结构的最大侧移随开挖深度的增加而增大，大致呈线性趋势。

② 围护结构的最大侧移与开挖深度之比δhm/H介于0.06%～0.18%之间，均值约为0.11%。

③ 在全部统计的δhm数据中，δhm/H≤0.15%的概率约为90%，建议太原地区地铁车站基坑的围护结构变形控制值取δhm=0.15%H。

图8 围护结构最大侧移与开挖深度的关系

(2) 围护结构最大侧移的深度。图9是围护结构最大侧移的深度与开挖深度之间的关系。最大侧移的深度与开挖深度之比Hm/H约为0.6～1.1，均值为0.9。围护结构最大侧移的深度基本位于基底上方1.0 m～3.0 m。

图9 围护结构的最大侧移深度与基坑开挖深度的关系

3.2 周边地表沉降

(1) 地表最大沉降量。经过对11座车站基坑周边地表沉降监测数据的统计分析，得到地表最大沉降量与开挖深度的关系曲线如图10所示，可知：

① 随着开挖深度的增加，地表最大沉降量基本呈线性增大的趋势。

② 地表最大沉降量与开挖深度之比δvm/H在0.11%～0.33%之间，均值约为0.21%。

③ 在全部统计的δvm数据中，δvm/H≤0.25%的概率约为90%，建议太原地区地铁车站基坑周边地表沉降的控制值取δvm=0.25%H。

图10 地表最大沉降量与基坑开挖深度的关系

(2) 地表沉降影响范围。《城市轨道交通工程监测技术规范》[18](GB 50911—2013)将基坑工程的影响分区按照与基坑边缘距离的不同划分为主要影响区、次要影响区和可能影响区。对于土质较坚硬的北京地区，主要影响区为坑外0～0.7H范围，次要影响区为坑外0.7H～2.0H范围，可能影响区为距坑边大于2.0H的范围。对于以软弱土为主的上海地区，主要影响区根据Htan(45°-φ/2)计算确定，次要影响区为坑外tan(45°-φ/2)H～3.0H范围，可能影响区为距坑边大于3.0H的范围。

基于太原地铁2号线11座车站基坑的实测数据，将地表沉降(δv)和沉降点距坑边距离(d)进行无量纲的归一化处理，结果见图11。可知：基坑周边地表沉降主要分布在0≤d/H≤2.5范围内，0≤d/H≤1.0范围为主要影响区，1.0

图11 地表沉降的影响范围

3.3 实测数据与计算结果对比分析

将围护结构插入比为0.5的数值模型计算结果与工程实测值进行对比分析，可知：

(1) 对于围护结构的最大侧移量，数值计算所得δhm/H约为0.14%，实测的δhm/H均值约为0.11%。实测值略小于计算值，吻合度较好。

(2) 对于最大侧移的深度位置，计算的Hm/H约为0.7，实测的Hm/H均值约为0.9。实测明显偏大，推测可能的原因是基底暴露时间过长。根据现场施工记录，部分基坑开挖至基底设计标高后正值太原冬季环保督查期，商品混凝土生产企业开始减产、停工，现场混凝土供应也受到一定影响，导致多个车站未能及时封底。建议施工时合理安排各工种的作业进度，及时架设支撑，开挖至基底标高后尽快封闭底板。

(3) 对于坑外地表的最大沉降量，计算的δvm/H约为0.16%，实测的δvm/H均值约为0.21%。实测值偏大，推测可能是过量抽水导致的。根据降水设计和现场抽水情况，部分基坑的降水管井深度较大，距止水帷幕底部较近，加大了坑外地下水向坑内渗流；而且施工方为加快进度、尽快降低水位，加大了抽水泵功率，平均日出水量显著大于设计值，坑外地下水位显著下降，进而造成地表附加沉降。建议本地区的类似工程在设计和施工时，合理布置井间距，严格控制抽水量。

4 结 论

(1) 由于地质条件差异，不同地区的基坑变形特性具有明显的区域特点。北京地区主要为硬土地层，基坑变形较小；上海、南京、宁波等地以软弱土为主，基坑变形较大。本文的计算结果及统计分析表明，太原地区深基坑围护结构的侧移和地表沉降与天津、无锡等地区较接近。围护结构的最大侧移δhm/H介于0.06%～0.18%之间，地表最大沉降量δvm/H在0.11%～0.33%之间。

(2) 综合考虑太原地铁2号线的工程经验和数值计算结果，太原地区基坑围护结构的插入比取0.5，可作为类似工程的参考。

(3) 结合数值计算结果和实测数据，建议太原地区深基坑的变形控制指标采用如下值：δhm/H≤0.15%，δvm/H≤0.25%。

(4) 基坑周边地表沉降主要分布于0≤d/H≤2.5范围内，0≤d/H≤1.0为主要影响区，1.0