ABSTRACT

The characteristics, laws and mechanism of the lateral displacement of the underground continuous wall of a subway station of (excavation depth of 17.6 m) in a deep paleochannel area with a relatively large thickness of soft clay (up to 40 m) in Shanghai are introduced. The ratio of the maximum lateral displacement of the diaphragm wall to the excavation depth is 0.17% to 0.46%. Between the excavation and the excavation to 12 m, the displacement increased significantly, exceeding the alarm value (0.4%), showing signs of kicking. The ratio of the maximum lateral displacement to the excavation depth is much smaller than the empirical correlation based on the Terzaghi’s safety factor of base heave. In addition, the comparison with the design results shows that the lateral displacement of the diaphragm wall given by the design is smaller, which may be related to the selection of the lateral bed coefficient of soft soil. The project case shows that the lateral deformation of the foundation pit of the metro station in the deep soft soil area is large, but the results from the design calculation and theoretical analysis are quite different. Therefore, the lateral direction of the foundation pit of the deep soft soil layer metro station should be emphasized to improve the reliability of design parameters’ (such as lateral bed coefficients) calculations.

Keywords:Deep Paleochannel, Foundation Pit, Deformation

上海深厚软土层地铁车站基坑的侧向变形特征

王超群^1,2*，高彦斌^3#，汤小明³

¹上海申通地铁集团有限公司，上海

²中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院，北京

³同济大学土木工程学院，上海

收稿日期：2019年5月5日；录用日期：2019年5月20日；发布日期：2019年5月27日

摘 要

本文详细介绍和分析了上海软粘土厚度较大(四十多米)的深古河道地区某地铁车站(开挖深度17.6 m)基坑地下连续墙侧向位移的特征、规律以及机理。结果表明：地下连续墙最大侧向位移与开挖深度的比值在0.17%至0.46%之间，开挖至12 m以后位移明显加大，超过报警值(0.4%)，出现“踢脚”的迹象；最大侧向位移与开挖深度的比值要远小于国外基于太沙基坑底隆起安全系数的经验关系。另外，与设计对比表明，设计给出的连续墙的侧向位移偏小，这可能与软土的侧向基床系数的选取有关。该工程案例表明深厚软土地区的地铁车站基坑的侧向变形较大，而与设计计算和理论分析的结果差异较大，因此应该重视对深厚软土层地铁车站基坑围护结构侧向变形的设计计算方法以及设计参数(如侧向基床系数)的研究，以提高设计计算的可靠性。

关键词 :深谷河道，基坑，侧向变形

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1. 引言

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 [1] [2] 。软土层厚且具有高含水量、高灵敏度(触变性)、大孔隙比、高压缩性、低强度、弱渗透性和明显的流变性等特征。在这种地质条件下，深基坑施工过程中围护结构容易产生较大的变形，引起基坑支护结构失稳或周边建(构)筑物开裂等工程事故 [3] [4] [5] [6] 。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、海的交替作用下，经历了沉积、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 [7] [8] 。上海地区更新世末古河道地层具有软土埋深大、分布广、厚度大、成分复杂的特点，对深基坑工程施工十分不利。

本文以位于深古河道深厚软土层中的某地铁车站基坑施工为例，研究深厚软土层中地铁车站深基坑的侧向变形规律和机理，对沿海地区同类地质条件下的地铁车站基坑工程的科学设计与施工具有重要的意义。

2. 某地铁车站基坑介绍

该车站场地属滨海平原地貌，位于晚更新世时期沿海深切古河道内。场地60.45 m深度范围内分布的土层见图1。场地埋深4.39 m~21.04 m内分布有由③层、④层、⑤₁₁层组成的软土，含水率高(大于40%)、强度低(不超过27 kPa)。基坑坑底为埋深21.83 m~41.7 m的由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 m~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。

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分段开挖，见图1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，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，用S₁~S₆表示。基坑开挖期间，采用真空深井泵降基坑内浅层潜水，对基坑内土层进行疏干加固，平均每150 m²~200 m²设置一口真空深井泵；开挖至坑底施工底板时，在井管位置每200 m²设置一个泄水孔并在顶板覆土和内部铺装层施工完成后封孔。

图1. 围护结构布置

基坑监测项目及监测点布置如图2所示。坑外布置12个地表沉降监测断面(编号D1~D7，D9~D13)，每个断面布置4个地表监测点和1个地下水位监测点。地下连续墙侧向位移监测孔28个(编号Q1~Q28)。立柱隆沉的监测点共18个(编号LZ1~LZ18)，其中标准段监测点为LZ2~LZ17，端头井监测点为LZ1和LZ18。另外还有若干支撑轴力监测点。基坑围护主体结构基本参数见表1。

图2. 基坑主体结构及监测点布置

表1. 基坑围护主体结构基本参数

3. 连续墙侧向变形分析

图3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，墙脚的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，此时地下连续墙的安全系数处于最低值，需注意围护结构的稳定性问题。图4给出了设计计算得到的连续墙侧向位移曲线，可以看出设计给出的曲线的形态与实测结果比较一致。但是，设计计算得到的标准段连续墙最大侧向位移δ_hm为24.6 mm，地下连续墙最大侧向位移实测值明显大于计算值，表明计算参数或方法存在一定的问题。另外，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。

图3. 连续墙侧向位移曲线

图4. 设计计算得到的连续墙侧向位移曲线

图5给出了标准段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值集中在40 mm~60 mm。图6给出了端头井地下连续墙最大侧向位移δ_hm与开挖深度H关系。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5. 标准段最大侧向位移δ_hm与H的关系

图6. 端头井最大侧向位移δ_hm与H的关系

图3中除了给出侧向位移变形曲线外，还标出了开挖深度以及最大侧向位移的位置(用箭头表示)。根据这些信息，图7和图8分别给出了标准段和端头井各开挖步最大侧向位移位置H_δhm与开挖深度H的关系。最大侧向位移的位置大致在10 m~15 m之间，随着开挖深度的增加，最大侧向位移对应的深度位置也随之增加。开挖深度小于12.1 m (S₁~S₃)，H_δhm位置在开挖面之下，开挖深度大于12.1 m (S₄之后)，H_δhm位置在开挖面之上。这与王建华等 [9] [10] 对上海软土地区深基坑最大侧向位移位置的研究结论一致。

图7. 标准段最大侧向位移位置H_δhm与H的关系

图8. 端头井最大侧向位移位置H_δhm与H的关系

4. 连续墙侧向变形分析与太沙基坑底隆起安全系数的关系

研究表明，太沙基坑底抗隆起安全系数与围护结构的侧向变形有很好的相关性 [11] [12] [13] [14] [15] 。K. Terzaghi [11] 把基坑抗隆起稳定安全系数F_s定义为：

$F_s=\frac{N_c{C}_u}{\gamma H}$ (1)

式中：C_u为黏土的不排水抗剪强度，γ为土体容重，N_c为地基承载力系数。标准段的坑底隆起安全系数采用式1计算。在不考虑基坑坑底加固时，C_u取图1中给出的天然土C_u土的数值；考虑坑底加固时，C_u取滑动面影响范围内坑底加固水泥土和天然土的等效十字板强度C_u等，其中水泥土C_u取200 kPa。标准段F_s的计算不考虑支护结构影响，N_c = 5.7；端头井基坑属于矩形，采用Skempton [12] 建议的可以考虑基坑几何形状的方法计算F_s。计算得到的各开挖步下标准段坑底隆起安全系数F_s见表2所示，端头井的F_s见表2和表3所示。可以看出，未考虑坑底加固时，随着开挖深度的增加，标准段的F_s由1.75减小至0.63；端头井的F_s由2.11减小至0.83。考虑坑底加固时，标准段和端头井F_s显著提高0.3~0.7，随开挖深度的变化规律与不考虑坑底加固的情况一致。在开挖深度超过12 m以后，在两种条件下计算的F_s变化都不大。

表2. 标准段坑底隆起安全系数F_s

表3. 端头井坑底隆起安全系数F_s

图9给出了地下连续墙最大侧向位移δ_hm与坑底抗隆起稳定系数F_s的关系，Mana等 [14] 给出的预测曲线亦在图中绘出。本工程得到的数据点远小于Mana等给出预测值，标准段开挖至坑底时，计算得到的F_s约为0.9，而δ_hm/H仅约0.4%。由拟合曲线1和2可知，坑底加固对限制地下连续墙侧向位移和提高坑底抗隆起稳定系数均有一定作用。实测的δ_hm/H~F_s的关系与Mana的预测曲线总体差别较大，故不能用该曲线预测连续墙的侧向变形。该差别可能是由于实际施工工艺(分层开挖、支撑预加应力和坑底加固方式等)、周围环境以及理论模型的不足有关。

图9. 地下连续墙δ_hm与坑底抗隆起稳定系数F_s的关系

5. 结语

介绍了上海软粘土厚度较大的深古河道地区某地铁车站(开挖深度17.6 m)基坑侧向位移的特征、规律以及机理。研究结果表明，地下连续墙最大侧向位移与开挖深度的比值δ_hm/H较大，最大值可接近0.5%。开挖至12 m以后由于坑底稳定性的降低，侧向位移明显加大，出现“踢脚”的迹象，影响支护结构稳定性。另外发现最大侧向位移与开挖深度的比值要远小于国外基于坑底隆起安全系数的经验关系，但要明显大于设计计算值。侧向变形空间效应明显，端头井侧向变形显著小于标准段。建议重视对深厚软土的侧向基床系数取值的研究，以提高设计计算可靠性。能否采用太沙基坑底抗隆起稳定系数预测同类支护体系下的围护结构的侧向变形值得进一步研究。

文章引用

王超群,高彦斌,汤小明. 上海深厚软土层地铁车站基坑的侧向变形特征
Lateral Deformation Characteristics of a Subway Station Excavation in Deep Soft Clay in Shanghai[J]. 土木工程, 2019, 08(03): 751-758. https://doi.org/10.12677/HJCE.2019.83088

参考文献