ABSTRACT

There are still big challenges in the deep excavation in soft clay area. The ground settlement, lateral displacement, pillar uplift and supporting internal force of a subway station in deep paleochannel region with a relatively large thickness of soft clay (over 40 m) in Shanghai are introduced. For the standard segment, the ratio of the surface maximum ground surface settlement to the excavation depth (δ_v/H) is 0.3% - 0.6%. The ratio of the maximum lateral displacement of the underground diaphragm wall to the excavation depth (δ_hm/H) is 0.17% to 0.46%. When the excavation depth exceeds 12 m, the lateral displacement increased significantly, exceeding the warning value (δ_hm/H = 0.4%), and showing signs of kicking in some parts. The uplift of the pillars is significant and they are in the range of 60 mm to 80 mm, which is much larger estimated value of 20 mm. The uplift causes the first reinforced concrete strut to generate tension and cracks, which affects the distribution of forces of the struts and the stability of the supporting system. The mechanism of the bottom uplift and the analysis method and control methods of the pillar uplift are the key issues needed to be solved in the subway station excavation under this kind of geological conditions.

Keywords:Deep Paleochannel, Subway Excavation, Deformation, Pillar Uplift, Stability

上海深古河道区地铁车站基坑变形及相关问题

王超群^1,2*，汤小明³，高彦斌^3#，杨正园³

¹上海申通地铁集团有限公司，上海

²中国矿业大学应急管理与安全工程学院，北京

³同济大学地下建筑与工程系，上海

收稿日期：2019年8月1日；录用日期：2019年8月16日；发布日期：2019年8月23日

摘 要

深厚软土区的深基坑工程仍然具有较大的挑战性。本文介绍了上海地区软粘土厚度较大(40 m以上)的深古河道区某地铁车站基坑(开挖深度17.6 m)的地表沉降、连续墙侧向位移、立柱隆起和支撑内力的特征。该车站标准段基坑地表最大沉降δ_v与开挖深度H的比值δ_v/H在0.3%~0.6%；地下连续墙最大侧向位移δ_hm与开挖深度H的比值在0.17%至0.46%之间，开挖至12 m以后侧向位移明显加大，部分位置超过报警值(δ_hm/H = 0.4%)，并出现踢脚迹象；立柱隆起明显，开挖至坑底时的最大隆起量在60~80 mm，远超出隆起量为20 mm的设计条件。较大的立柱隆起使第一道钢筋混凝土支撑处产生拉力并产生裂缝，影响了支撑轴力的分布以及支撑的稳定性。坑底隆起的具体机理以及立柱桩隆起的分析方法和控制措施是该类地质条件下深基坑工程需重点解决的问题。

关键词 :深古河道，地铁基坑，变形，立柱隆起，稳定性

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1. 引言

深厚软土地区由于地质条件差，深基坑开挖过程中非常容易产生较大的变形，包括地表变形、围护结构侧向变形以及立柱桩的隆起，严重的甚至导致基坑失稳。其中，由于坑底稳定性不足而导致的围护结构产生较大变形以及围护结构失稳的案例很多，其中最有名案例的是2004年新加坡的Nicoll Highway基坑倒塌 [1] 。我国也有类似的工程案例，例如杭州一号线某地铁车站倒塌 [2] 。对这一类问题，有些学者对坑底隆起稳定性的分析方法开展研究 [3] [4] [5] [6] [7] ，有些则对坑底土体以及立柱隆起量的计算方法进行研究 [8] [9] [10] [11] ，但至今仍然未得到很好的解决。由于基坑变形与地质条件和施工工况密切相关，通过一些典型案例的分析，对认识特定地质条件下的基坑变形特征以及存在的风险仍然具有重要的意义。

上海属于较为典型的天然软土地基区，软土主要为滨海沼泽相堆积类型。在第四纪时期，长江口由于受古气候、古环境和地质构造的影响，经历了6次海侵、海退，在江、湖、海的交替作用，以及沉积、冲刷或切割、再沉积的反复作用，在不同时期沉积了不同的古河道地层 [12] [13] [14] 。本文所指的深古河道地层指的是晚更新世末(距今一万年前)沉积的古河道地层，具有埋深大(底部最大埋深达50米)、分布广、厚度大(总厚度约30多米)、成分复杂(以黏性土层为主，含有粉土和粉砂层)的特点 [13] [14] 。除了上海地区外，我国东南沿海其他地区也有大量的深古河道地层分布，如杭州湾的古钱塘江河道。目前对于这类地质条件下深基坑支护结构变形特征的认识还不成熟。本文以上海在建18号轨道交通线中的一个地铁车站为工程背景，介绍深古河道区地铁车站基坑施工过程中围护结构产生的变形以及相关问题，希望能够对该类地质条件下地铁车站基坑工程的设计施工有所帮助。

2. 车站基坑介绍

场地属滨海平原地貌，位于晚更新世时期深切古河道内。场地50 m深度范围内的土层分布以及各土层的物理力学特性如图1所示，具体包括含水率w、孔隙比e₀、重度γ、塑性指数I_p、液性指数I_L、扁铲实验测得的侧压力系数K₀和十字板剪切试验测得的不排水抗剪强度C_u。场地埋深4.39 m~21.04 m内分布的③层、④层、⑤₁₁层为典型的软土，含水率高(大于40%)、强度低(不超过40 kPa)。埋深21.83 m~41.7 m为由⑤₁₂、⑤_31a、⑤_31b和⑤₄层组成的含水率较高、强度较低的古河道地层。埋深43.3~45.7 m范围内为渗透性较大、强度较高的⑦₁₂和⑦₂层土，也是该场地的承压含水层。

车站基坑总体平面图见图2所示。基坑总长约208 m，标准段长约175.2 m，宽度22 m，最大开挖深度17.6 m；南北两个端头井形状相同，长16.3 m，宽26.8 m，北端头井基坑开挖深度约为19.1 m，南端头井基坑开挖深度约19.5 m。布置的监测点包括地表沉降(编号为D)、地下水位(编号为SW)、地下连续墙侧向变形(编号为Q)、立柱隆沉(编号为LZ)。标准段和端头井地下连续墙厚度为800 mm，标准段墙深32.5 m，端头井墙深36.5 m，入土比为0.84~0.87。标准段围护结构的布置见图2。标准段共4道支撑，端头井6道支撑，第1道为钢筋混凝土支撑，其余为Φ609钢支撑。立柱桩为钻孔灌注桩，直径为Ф800，长30 m。坑底3 m深度范围内采用旋喷桩加固。基坑采用明挖顺作法施工。自南端头井向北端头井单向分层开挖，见图3所示，标准段开挖分五层，开挖深度依次为5.9 m、9.1 m、12.1 m、15.1 m、17.64 m，分别用S₁~S₅表示；端头井开挖分六层，开挖深度依次为5.9 m、9.5 m、12 m、14.5 m、17 m、19.5 m，分别用S₁~S₆表示。基坑开挖期间采用疏干井排导基坑内潜水。

图1. 场地土层分布及土层特性

图2. 车站基坑及监测点布置

图3. 标准段围护结构布置

3. 地表沉降

标准段三个轴线的东西两侧共6个断面的地表沉降曲线见图4(a)所示，南、北端头井共6个段面的地表沉降曲线见图4(b)所示。从图中可以看出，周边地表沉降均呈U型，即地表沉降δ_v随离开坑边距离d的增大先增大至最大值，然后逐渐减小。标准段周边地表沉降δ_v普遍大于端头井地表沉降。标准段最大地表沉降大多在50~100 mm，端头井最大地表沉降大多在40~80 mm左右，沉降最大的点基本出现在距离基坑10 m的地方。基坑标准段两侧地表沉降存在差异，同一轴线上东侧地表沉降(图4(a)实线)略小于西侧(图4(b)虚线)，可能与两侧周边环境的差异有关，东侧地表建筑荷载要小于西侧。

将各断面地表沉降用基坑开挖深度H归一化处理，整理得到δ_v/H~d/H关系曲线，如图5所示。图5中还给出了王建华、王为东等 [15] [16] 对上海软土地区基坑工程统计得到的地表沉降包络线，以及Peck绘制了沉降分区图 [17] 。可以看出，标准段δ_v/H的最大值大多在0.2%至0.6%之间，端头井的略小一些。地表沉降数据点均在王建华给出的包络线内。标准段地表沉降数据点大部分分布于Peck所分的I区范围内，少数数据点分布于II区；端头井的地表沉降数据绝大部分分布于I区。Peck分区中II、III区对应的地层条件与上海地区地层条件相似，这表明在相似地层条件下，该地铁基坑的地表沉降较Peck给出的地表沉降要小得多。这可能是由于Peck所统计基坑的主要围护形式是钢板桩等柔性支护体系，而本工程采用采用的是刚度较大的地下连续墙，且钢支撑采用了预加轴力。

图4. 各断面地表沉降曲线

图5. 归一化地表沉降曲线

4. 连续墙侧向变形

图6给出了标准段(测斜孔Q9)和端头井(测斜孔Q28)在不同开挖步下地下连续墙侧向位移δ_h与深度H的关系。标准段地下连续墙在开挖至坑底时，墙脚侧向位移突然增加大20 mm左右，最大侧向位移δ_hm增加到60 mm左右，表明坑底隆起安全性在开挖最后一层土时迅速降低。设计预估的标准段最大侧向位移δ_hm仅为24.6 mm，不到实测值的一半。受空间效应和周边环境等因素的影响，端头井的侧向位移较小，最大侧向位移δ_hm在40 mm左右，且未出现踢脚现象。

图7给出了标准段和端头井地下连续墙最大侧向位移δ_hm与开挖深度H关系。最大侧向位移δ_hm随开挖深度的增加而增大。标准段最大侧向位移δ_hm在0.17%H~0.46%H。开挖步S₄和S₅下最大侧向位移的增加速率(△δ_hm/△H)较S₁~S₃快；开挖至坑底时，最大侧向位移δ_hm值多在40~60 mm。南北端头井的最大侧向位移与开挖深度的关系分别为δ_hm = 0.17%H和δ_hm = 0.31%H。北端头井具有较大的侧向位移，可能与施工过程中的一些细节有关。

图6. 连续墙侧向位移

图7. 最大侧向位移δ_hm与H的关系

5. 立柱隆起

开挖卸载会造成坑底土体的隆起，但是隆起变形的机理较为复杂 [18] 。坑底土体的隆起会抵消立柱所受的支撑重量荷载，甚至造成立柱隆起。作为代表，图8给出了标准段的立柱LZ9和端头井的立柱LZ1的立柱隆沉δ_z (以隆起为正)与开挖深度H_e及时间t的关系图。随着开挖深度的推进，立柱隆起量增加；标准段的立柱最大隆起量可达60~80 mm左右，为设计给出的立柱隆起控制值20 mm的3至4倍；端头井的立柱最大隆起量则普遍小于30 mm，这主要是由于尺寸效应的原因。从图中可以看出，在底板浇筑阶段，由于有荷载的施加，立柱隆起有明显的回落。

图8. 立柱隆沉量与开挖深度随时间的变化

图9中分别给出了标准段11个立柱(LZ2~LZ12)和端头井的2个立柱(LZ1和LZ13)的隆起量δ_z与开挖深度H的关系图。可以看出，立柱隆起与开挖深度呈明显的正相关。总体上讲，立柱隆起量随着开挖深度的增加而增加，但是隆起速率(△δ_z/△H)却并不相同。按照立柱隆起速率的变化情况，基本上可以划分为三个阶段，第一阶段为S₁~S₃，具有较小的速率，第二阶段为S₄，具有较大的速率；第三阶段为S₅，速率有所下降。

图9. 立柱隆沉量与开挖深度的关系

6. 支撑轴力

图10为标准段(ZL5)在不同开挖步各支撑的轴力F。第1道钢筋混凝土支撑的轴力随开挖深度的增大逐渐变小，开挖至坑底时呈现较大的拉力(−1800 kN)。现场可见钢筋混凝土支撑出现明显上拱且支撑中部产生裂缝。这应该与立柱隆起上顶使支撑产生较大的弯矩有关。可以预测，若第1道支撑采用钢支撑，则非常容易导致支撑坠落而发生工程事故。第2道支撑的轴力随开挖深度的增大而有增大的趋势，可能的原因是混凝土支撑拉力作用下地下连续墙对第2道钢支撑产生了较大的压力。第3~5道支撑轴力随开挖深度的增大而增大，底部的第5道支撑的轴力最大。

设计计算给出的结果中，第一道混凝土支撑的轴力为1600 kN，第四道钢支撑的轴力最大，为1795 kN。从现场监测到的结果来看，第一道混凝土支撑的受力状态与设计状态差别较大，立柱隆起改变了支撑体系的受力特征，出现了拉应力，这一点在第一道混凝土支撑的设计中需要关注。另外，也表明了在该类地质条件下第一道支撑采用混凝土支撑(而不是钢支撑)的必要性。

图10. 标准段(ZL5)各工况的支撑轴力F

7. 结论与讨论

介绍了黏性土厚度较大的深古河道区一个典型地铁车站基坑(开挖深度17.6 m)的地表沉降、侧向位移、立柱隆起和支撑内力，一些特殊的现象总结如下：

1) 当开挖至10 m至12 m以上时，标准段地下连续墙侧向变形以及立柱隆起出现明显增大的现象，分别为设计计算值的2倍和3.5倍左右，表明坑底隆起安全性处于较低的水平。

2) 标准段过大的立柱隆起导致第一道混凝土支撑受拉开裂，并影响了支撑体系的内力分布。过大的立柱隆起严重影响了钢支撑和混凝土支撑的安全，产生事故的风险较大，需要在工程中予以重视。

3) 由于尺寸效应，端头井的地下连续墙侧向变形与立柱隆起较小，基本在设计计算和相关规范控制范围内。表明该类地质条件下端头井虽然开挖深度较大，但是安全性能够得到保证。

在18号线的地铁车站基坑建设过程中，深古河道区多个车站表现出过大的立柱隆起(多在50~80 mm之间，为正常地层区的3倍左右)，成为威胁基坑施工安全性的一个普遍问题，因此这些特殊现象的产生应该与所处的地质条件有关。该类地质条件下地下连续墙底部出现明显的位移以及威胁支撑体系安全的过大的立柱隆起应该与深厚软土层坑底隆起安全性不足有关。坑底隆起安全性不足导致坑外土体在自重作用下向坑内流动，进而造成立柱上拔。另外，深古河道区地层中大多夹有薄层砂土因而渗透系数较大，卸载造成的深厚软土层的固结回弹可能也是立柱出现较大隆起的一个原因。

除了需要进一步研究了解该类地质条件下坑底土体隆起和立柱隆起的机理外，关于立柱隆起的计算分析方法以及控制技术的研究也是设计施工中迫切需要解决的问题。在本文给出的案例中，设计方按照上海规范得到的坑底隆起安全系数为3.1，满足规范要求的2.5的规定，显然高估了实际所处的状态，这个问题是值得思考并予以重视的。

文章引用

王超群,汤小明,高彦斌,杨正园. 上海深古河道区地铁车站基坑变形及相关问题
Deformations and Problems in a Subway Station Excavation in Deep Paleochannel Region in Shanghai[J]. 土木工程, 2019, 08(06): 1052-1060. https://doi.org/10.12677/HJCE.2019.86123

参考文献