地铁车站异形狭长基坑地连墙变形分类及规律研究

李炜明，姚成毅，任 虹，汪为巍，石旭东，丁敬文，张燕舞

(1.武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023；2.桥梁工程安全控制技术与装备湖南省工程技术研究中心(长沙理工大学), 湖南 长沙 410114；3.普渡大学 印第安纳州 西拉法叶，47906;4.中铁十九局集团有限公司，北京 100176)

近年来，我国地铁迅猛发展，在已建、在建的地铁线路中，地铁车站大多位于周边环境复杂、人流量大、建筑密集的城市中心。由于车站使用的功能要求，其基坑多为复杂、狭长的平面形状。

对于基坑开挖导致地连墙的变形，Peck在1969年进行过经典阐述[1]，此后Clough[2]，Finno[3-4]对此展开了深入研究。我国的候学渊、刘国彬、谭勇等学者从20世纪80年代开始，进行了系列的研究[5-7]。龚晓南、张顶立等学者团队也从不同角度分析了基坑施工引起的地面竖向沉降与地连墙的横向变形[8-9]。国家住房和城乡建设部、部分省份的住房和城乡建设厅制定、颁发了相关规范[10]。

Goldberg等通过对大量实测数据的分析，提出刚性围护结构下有3种基本的变形模式，即墙体变形平动发展、绕墙趾向坑内转动以及墙体绕墙顶向坑内转动，如图1(a)，(b)和(c)所示，而柔性围护结构最基本的变形模式为向坑内鼓胀，如图1(d)所示。Goldberg认为，围护结构变形可以简化为以上4种基本的变形模式，在此基础上，墙体变形呈组合模式[11]。

图1 Goldberg提出的地连墙变形的基本模式

Clough和O’Rourke于1990年将因开挖引起且设有内支撑和拉锚系统围护结构的变形形式分为悬臂式、内凸式及复合式，如图2所示。

图2 Clough等提出的地连墙变形类型

吴佩轸于1997年在对台北地区基坑工程连续墙变形实测结果的研究中，将连续墙变形曲线分为4种类型：标准型、旋转型、多折型和悬臂型，如图3所示，并指出连续墙具体的变形形式与地层条件、测斜管的埋深等因素相关。

图3 吴佩轸提出的地连墙变形的基本类型

龚晓南于1998年根据工程实测数据，将地连墙变形划分为4种类型：内凸型变形、复合型变形、悬臂型变形、踢脚型变形，如图4所示；并指出地连墙的变形取决于土层条件、围护结构的插入比和刚度、支撑系统刚度等因素。

图4 龚晓南提出的地连墙变形的基本类型

由此可见，对于长宽比大于10、长度可能超过300 m且各段长度与形状存在显著差异的地铁车站基坑，有必要进行针对性的研究确保施工安全，为后续设计、施工提供理论参考。而对于此类复杂体系、大型体量的地下空间建设，尚未得到具有普适性的解析解，数值模型中周边环境、边界条件、施工工况也难免与实际工程存在差异。因此，本文基于施工实测数据对地铁车站狭长基坑地连墙变形规律进行研究。

1 工程概况及监测方案

1.1 工程概况

选取的车站为地下二层深度12 m的岛式站台车站，车站结构形式采用公共区双层单柱双跨结构、设备区双层单柱两跨结构，总建筑面积为14 724.8 m2，共设置了4个直通地面的出入口，1个预留出入口及2组风亭，其中Ⅰ号出入口设计预留规划路地下通道。本站范围内设置了1条单渡线。小里程端头为区间提供接收条件，本站大里程端头为区间提供始发条件。主体基坑长度约293 m，宽度为20.9～24.74 m不等，标准段宽21.3 m，基坑平面呈长条形，开挖深度为16.99～18.94 m，车站底板埋深16.99 m左右，基坑所在位置均位于现状道路下方，顶板以上覆土约3.0～3.5 m。按照湖北省建筑基坑支护的有关技术规范和规定，本基坑安全等级定为一级，基坑侧壁重要性系数取1.0，基坑开挖面积为5624 m2。图5为本文施工监测的地铁车站基坑测点布置图，由于现场多种原因，数据不完全，蓝色测点为本文研究测点。

图5 某城市车站基坑测点布置图

工程围护结构采用地连墙加内支撑的形式，地下连续墙厚度1 m，深度35 m，共115幅设计方案，支撑架设在基坑不同横截面处有所不同，其中1～2轴采用第1道混凝土撑加2，3，4，5道钢支撑的形式；2～4轴和28～30轴扩大端支撑设置为第1和第3道混凝土撑加第2、第4、第5道钢支撑(混凝土腰梁)；4～28轴标准段支撑为第1和第3道混凝土撑加第2、第4、第5道钢支撑(地连墙预埋钢板)，每道支撑自上而下分别设置在深度0.4，4.5，7.5，11.0和14.5 m处。图6为本文基坑地连墙、支撑平面位置示意图，表1为施工过程中各工况的说明。

图6 某城市车站基坑平面示意图

表1 施工工况

1.2 地质条件

根据勘察结果，拟建场地地貌单元为长江1级阶地，各土层的力学参数如图7所示。图中：γ为土层重度，c为土层粘聚力，φ为土层内摩擦角，Es为压缩模量，fak为地基土承载力特征值，K为渗透系数。土层自上而下依次为：①杂填土，平均厚度2.7 m；②淤泥，平均厚度6 m；③黏土，平均厚度2.8 m；④淤泥质黏土，平均厚度6 m；⑤淤泥质黏土夹粉土、粉砂，平均厚度5.4 m；⑥黏土、粉土、粉砂互层，平均厚度4.9 m；⑦粉细砂，平均厚度5.7 m；⑧粉细砂，平均厚度11.1 m；⑨中细砂，平均厚度6.5 m；⑩中粗砂夹砾卵石，平均厚度3.8 m。

图7 某车站土层力学参数

1.3 监测方案

本工程基坑在施工过程中共布置了32个墙体侧移类监测点，施工过程中部分测点破坏，仅13个测点全周期内数据基本齐全。本工程横向分14段、竖向分5层开挖，各测斜点监测起止时间各不相同。整体而言，基坑两端测点监测起始时间早于中部测点，且监测持续时间相对较长；局部而言，上基坑南段监测早于北段。

2 地连墙横向变形分类

基于已有研究，在前期工作的基础上，将横向变形分为反弯型、悬臂型、往复型，如图8所示。其中，反弯型又分为3种类型，即反弯a型，反弯b型及反弯c型。往复型变形类型在空间上主要分布在基坑较短边或拐角位置，其变形形状随施工墙体在一定范围内做往复平行运动，变形程度相对较小。随着开挖施工，悬臂型变形主要特征是以坑底为旋转中心，墙体坑外变形呈悬臂状，无反弯点出现；在空间分布上，悬臂型主要分布在基坑标准段上未施做土体加固的区域。反弯a型墙体变形演变主要特征是：演变过程中以反弯点为变形中心点，墙体向基坑内外两侧均有较大程度的变形增长；反弯b型以向基坑内部凸出的反弯型变形为主，演变过程可包括多个阶段，该类型墙体最大坑内变形接近于3倍的最大坑外变形；反弯c型以向基坑外部反弯型变形为主，演变过程中其最大坑外变形可达到最大坑内变形的4倍，反弯点位置主要分布在1/3～2/3倍开挖深度范围内。

图8 地连墙的变形类型

3 地连墙横向变形的统计特征

3.1 最大变形幅值分布

现将地连墙墙体变形按上述类别进行统计。

图9和图10显示了本工程中各分类墙体最大坑内变形δm1及最大坑外变形δm2与开挖深度Hc的统计关系。

由图9可见：本工程中墙体最大坑内变形始终小于0.110%倍的开挖深度。分别取各类型墙体最大坑内变形δm1与开挖深度Hc比值的平均值，坑内变形由大到小依次为反弯b型、反弯a型、反弯c型、往复型及悬臂型，对应统计结果依次为：0.058%，0.056%，0.027%，0.013%和0.011%倍开挖深度；该统计结果一方面能够反映本工程中各类型墙体随开挖施工的坑内变形发展情况，另一方面反映出根据地连墙坑内变形值的大小，同一地铁车站基坑，确有必要进行变形类型的划分。

图9 不同类型墙体最大坑内变形与开挖深度关系

由图10可见：本工程中连续墙最大坑外变形在0.131%倍开挖深度范围内，随着基坑开挖，坑外变形值由大到小类型依次为反弯c型、悬臂型、反弯a型、往复型及悬臂型，各类型对应最大变形值依次为0.067%，0.06%，0.058%，0.023%和0.022%倍的开挖深度。通过对连续墙最大变形δm与基坑开挖深度Hc的分析可知，对于不同变形类型的墙体，基坑内外最大变形统计结果有明显差异，而变形形式的划分受工程地质条件、加固方案等因素影响较大。因此，在根据基坑开挖深度预测墙体变形的同时，应结合工程实际，考虑加固方案、施工周边环境等综合因素的影响。

图10 不同类型墙体最大坑外变形与开挖深度关系

图11为17 m深度范围内连续墙在全监测周期内累计变形最大值的分布概率，数据来源于每0.5 m深度处的监测墙体在全监测周期内的变形最大值。总体而言，本工程各深度的墙体在全监测周期内累计变形值介于[0～25)mm之间，各深度处最大坑内变形值分布在[0～20)mm之间，其中CX27测点在17 m深度处的墙体于第148个监测日时达到本工程坑内变形最大值，累计坑内变形19.11 mm。对于坑外变形部分，各深度处墙体最大变形值分布在[0～25)mm的范围内，其中本工程坑外累计变形最大值为24.39 mm，发生在CX09测点上0.5 m深度处的墙体。

图11 17 m深度范围内的最大变形分布概率

以5 mm为1个梯度对变形结果进行详细分析，全监测周期内累计变形值分布于[0～5)mm区间的概率最大，其中最大坑内变形、最大坑外变形在(0～5)mm范围内的数据所占比例分别为74.4%和47.1%；其次为(5～10)mm的区间，其中最大坑内变形、最大坑外变形在(5～10)mm范围内的数据分别为16.3%和35.3%。由此可见，在本工程中开挖深度范围内连续墙最大坑内变形值在(0～10)mm区间内的概率为90.7%，最大坑外变形值在(0～10)mm内的概率占82.4%。进一步，本工程中墙体变形值在10 mm以上的概率在20%以内，最大坑内变形在(10～25)mm的概率仅占9.3%；最大坑外变形在(10～25)mm内的概率为17.6%，其中在(20～25)mm内的概率为3.9%。

3.2 各类墙体变形最大值的深度分布区间

各类型最大坑内变形深度Hδm1与开挖深度结果分析如图12所示。往复型连续墙深度Hδm1随开挖离散性较大，这是由于该类型墙体在全深度范围内变形幅值较小，变化幅度也较小，对应最大变形深度Hδm在分布上规律不明显，即各点分布较为离散。

图12 不同类型墙体最大坑内变形深度与开挖深度关系

由图12可见：悬臂型最大坑内变形深度Hδm1在(Hc-2，Hc+8.5)范围内。反弯型变形的墙体坑内最大变形深度Hδm1介于(Hc-5.5，Hc+8.5)之间。其中，反弯a型Hδm1的变化区间较为集中，主要集中在(Hc-3.5，Hc+4.5)的区间范围内，即反弯a型墙体在开挖过程中最大变形深度位于开挖面以上3.5 m至开挖面以下4.5 m的深度范围内；反弯b型Hδm1主要介于(Hc-1，Hc+8.5)的范围内，即最大变形深度主要集中在开挖面以上1 m至开挖面以下8.5 m的范围内；反弯c型Hδm1分布在(Hc-5.5，Hc+7.5)区间内，悬臂型最大坑内变形深度Hδm1在(Hc-2，Hc+8.8)范围内。 由此可见，如不考虑比较特殊的往复型，最大变形的发生深度在(Hc-5.5，Hc+8.5)的范围内。

图13给出了在基坑分层开挖过程中最大坑外变形深度Hδm2。由图13可知：连续墙最大坑外变形深渡Hδm2在分布上较为集中，基坑开挖至不同深度时，连续墙Hδm2未发生明显变化，最大坑外变形Hδm2发生在墙体顶部4.5m深度范围以内。往复型因为侧移程度小，墙体未发生大变形，变形的墙体Hδm2分布较为离散。

图13 不同类型墙体最大坑外变形的分布深度

图14给出了对分层开挖过程中最大侧移深度Hδm分布概率进行统计的结果，连续墙最大坑内变形深度Hδm1主要分布在10～20 m的范围内，占对应统计结果的65.2%，其中分布在10～15和15～20 m的概率均为32.6%，在20～25 m深度的概率为16.3%；分布在其他深度范围内概率均小于10%，其中在0～5 m深度的概率为7.0%，5～10m深度的概率为4.7%，25～30 m的概率为2.3%，30～35 m的概率为4.7%。最大坑外变形深度的分布概率较为集中，Hδm2分布在0～5 m深度的概率为82.1%，即最大坑外变形基本发生在连续墙顶部。

图14 最大侧移深度的分布概率

3.3 不同测点最大变形分布区间

图15给出了围护结构最大侧移δm与基坑开挖深度Hc的关系。图中，引入了部分相关研究的统计结果，同时列出了本工程的变形结果。Ou分析了台北地区10个基坑变形实测结果，研究对象以常规顺做法施工为主，采用连续墙和排桩作为围护结构，结果在(0.02%～0.13%)Hc之间[12]；廖少明分析了苏州地区23个以上地铁车站型基坑的变形结果，其最大侧移值在(0.05%～0.4%)Hc范围内；谭勇分析了上海某顺作施工地铁车站基坑，按设计开挖，标准段的最大侧移结果在(0.05%～0.4%)Hc之间。

图15 最大侧移与开挖深度关系

本工程连续墙在不同开挖深度下最大横向变形统计结果在0.11%Hc以内，且大部分最大侧移小于0.07%Hc。与相关研究成果对比，本工程基坑δhm的分布区间小于Ou的统计范围，与廖少明的统计范围有交集，与Tan的统计范围[13]较为接近。可能原因如下：本文结果仅以武汉某地铁车站监测数据为基础，Ou与廖少明的分析以多个基坑变形数据为基础，差异较大。而 Tan分析是基于上海一处车站基坑，其按规范施工的统计结果与本工程较为接近。本工程分析结果在一定程度上反映了同类工程中的基坑变形特性，能为武汉及类似地质区域的后续相关研究提供一定的参考。应指出的是，本工程周边建筑环境复杂，对于临近建筑物及特殊区域采取了相应的保护加固措施，地基加固会减小基坑的横向变形。此外，对于围护结构而言，地下连续墙刚度大，整体性好，且本工程开挖深度在16.99～18.94 m之间，共设置2道混凝土支撑和3道钢支撑，支护体系协同作用使得抗侧移效果明显。

图16为围护结构最大侧移深度与基坑开挖深度关系的分析结果。廖少明得到的长条形基坑围护结构Hδm的变形区间在(Hc-7，Hc+5)的范围内，方形基坑的Hδm变形区间在(Hc-11，Hc-1)范围内。谭勇等得到的深度分布区间在(Hc-6，Hc)之间。本工程基坑平面形状存在多个宽度，最大坑内侧移深度在分布上表现出一定的离散性，Hδm的变形区间大于类似研究结果。

图16 最大侧移深度与开挖深度关系

3.4 不同开挖深度的最大变形演化路径

具体分析本工程各监测点在不同开挖深度时墙体最大坑内变形δm1的变化，如图17所示。本工程中连续墙在开挖至不同深度Hc时，最大坑内变形δm1并非均呈增长的变化趋势，在各点的监测中，CX27测点、CX22测点、CX29测点、CX31测点、CX30测点随开挖深度的加大，最大坑内变形δm1呈增长趋势。在δm1呈增长趋势的变形监测点中，CX27测点与CX22测点随着开挖，最大坑内变形增长速率较快；CX29测点与CX31测点分别在开挖至12及16 m时，最大变形发生回落，变形小于上一层土方开挖时的相应值，部分原因是在相邻位置加设了支撑。

本工程最大坑外变形δm2随Hc的变形规律如图18所示。测点CX20，CX27与CX32最大坑外变形δm2在各层开挖中近似呈线性增长，CX06，CX07，CX09与CX22测点最大坑外变形δm2与开挖深度Hc的关系曲线均在16 m深度处发生转折，开挖完成时CX09与CX22测点δm2值最大。坑底开挖阶段墙体向坑外变形的速率远大于开挖深度较浅时的变形速率，结果表明对于部分位置测点，坑底开挖阶段是最大坑外变形增长最快的阶段。

图17 各测点最大坑内变形与开挖深度关系

图18 各监测点最大坑外变形与开挖深度关系

3.5 最大日变形分布区间及其概率

通过对基坑日变形结果的归纳统计，得到本工程挖深范围内连续墙在全监测周期内的最大日变形分布概率，如图19所示。最大日变形值在(0～6)mm范围内。最大日变形在区间(2～3)mm内的测点占比最大，坑内、坑外日变形在(2～3)mm范围内的测点占比分别为57.5%和58.2%；最大日变形分布在(1～2)mm区间内的测点比率次之，坑内、坑外日变形在(1～2)mm的测点所占比率分别为27.3%和34.6%。最大日变形在(0～1)mm的比率较小，坑内外变形在此区间的测点分布概率分别为15.2%和6.5%。此外，对于坑外变形部分，个别监测点有3 mm以上的日变形发生，日变形在3 mm以上的测点分布比率共占0.7%，工程中若日变形在3 mm以上，应保持关注并做好相关预案。

图19 全周期17 m深度范围内最大日变形分布概率

将相邻工况间坑内部分最大日变形进行归纳整理，图20为各工况间不同类型的连续墙最大日变形统计结果，图21为各工况下监测点最大日变形分布的概率。由图20和图21可知，随着工况的施工，连续墙最大日变形并没有表现出明显的变形增长，各工况下最大日变形整体集中稳定在0～3 mm范围内，变形值分布在0～3 mm的概率占97%，其中最大日变形分布在1～2 mm区间内的分布概率最大，其值为42.4%，在2～3 mm区间内分布的概率为35.4%；随着工况施工不同类型的连续墙最大日变形分布有一定的差异，各类型墙体相邻工况间最大日变形在3 mm以内均有分布。由上可知，工程最大日变形在3 mm以上时应引起关注。

图20 各工况最大日变形结果

图21 最大日变形分布概率

3.6 各工况间最大日变形对应深度分布

图22为随着工况施工，各工况间最大日变形对应深度分布。相较于累计变形而言，最大日变形深度的分布没有明显的区域性，或随着施工最大日变形没有明显的变形增长，在不同施工工况间最大日变形深度在25 m范围内均有分布。

图22 各工况间最大日变形对应深度

结合图23，就工况间最大日变形在深度上的分布概率而言，最大日变形分布在深度0～5 m之间的概率占统计结果的35.7%，最大日变形发生在深度(5～10)m、深度10～15 m及深度15～20 m范围内的概率相差不大，分别为20.4%，18.4%和19.4%。综合而言，工况间最大日变形位置超过20 m的概率较小，共占7.1%，可以作为工程警戒值。

图23 各工况间最大日变形对应深度分布概率

4 结 论

(1)异形狭长地铁车站基坑地连墙有必要进行变形性状分类，各类性状与平面形状、施工工况、周边加固措施等因素相关。将一典型狭长地铁车站基坑的地连墙横向变形分为往复型、悬臂型、反弯型3大类。其中，往复型位于基坑角点或者短边位置，受到空间约束较大，是一类相对特殊的变形类型；悬臂型多出现在基坑长边中部，坑内变形较小，最大值小于4 mm，坑外变形较大，最大值在25 mm以上；其他位置多为反弯型，其变形曲线存在反弯点，坑内、坑外变形都相对较大，坑内最大值大于20 mm，坑外最大值在25 mm以上。

(2)不同变形类型的变形性状，在不同开挖深度下存在显著差异。随着开挖深度的加大，除往复型变形类型，其他各类横向变形呈增长趋势，开挖过程中墙体最大坑内变形不大于0.110%倍开挖深度，最大坑外变形不大于0.131%倍开挖深度。对于坑内变形部分，随着开挖施工各类型墙体最大变形与开挖深度的比值由大到小依次为反弯b型、反弯a型、反弯c型、悬臂型及往复型；坑外变形部分最大变形与开挖深度的比值由大到小依次为悬臂型与反弯a型、反弯c型、往复型及反弯b型。

(3)本工程中随着开挖施工，除往复型外，连续墙最大坑内变形主要集中在开挖深度以上5.5 m至开挖深度以下8.5 m的深度范围内，不同类型的墙体开挖过程中最大变形位置分布区间不同：往复型墙体最大变形位置分布较为离散，悬臂型最大坑内变形位置主要集中在开挖面以上2 m至开挖面以下8.5 m的范围内，反弯型墙体最大变形位置整体分布在开挖面以上5.5 m至开挖面以下8.5 m范围内。开挖过程中最大坑外变形集中分布在墙体顶部深度1 m内，最大坑内变形分布较为分散。

此外，根据实测性状分析及其变形最大值，在工程中，坑外变形应该关注悬臂型与反弯型，坑内变形应该关注反弯型，应重点关注无加固、长边、施工方案复杂、周边环境复杂的区域。