基于实测数据的上海地区超深基坑变形特性研究_江晓峰

第32卷 增刊2 岩 土 工 程 学 报 Vol.32 Supp.2 2010年8月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Aug. 2010 基于实测数据的上海地区超深基坑变形特性研究

江晓峰1，刘国彬1，张伟立2，李翔宇1

(1. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；2. 上海市政工程设计研究总院，上海 200092)

摘 要：根据58个上海软土地区19 m以上超深基坑数据库，从基坑围护结构水平位移和墙后地表沉降两个方面进行了研究。通过充分的数据挖掘，围护结构水平位移方面，得到了围护结构水平位移曲线形态特征、最大水平位移的位置、归一化的最大水平位移值；墙后地表沉降方面，得到了墙后地表沉降的曲线形态、墙后最大地表沉降值、墙后地表沉降的影响范围。并对这些规律产生的原因进行了机理分析。这些结论可用于超深基坑的变形估算、优化设计以及指导施工。

关键词：超深基坑；实测数据；围护结构水平位移；墙后地表沉降；变形特性

中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2010)S2–0570–04

作者简介：江晓峰(1986–)，男，上海人，硕士研究生，主要研究方向为超深基坑工程和地铁及地下工程安全监控技术。E-mail: jiangxiaofengtjdx@https://www.360docs.net/doc/6913200968.html,。

Deformation characteristics of ultra-deep foundation pit in Shanghai based

on measured data

JIANG Xiao-feng1, LIU Guo-bin1, ZHANG Wei-li2, LI Xiang-yu1

(1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Shanghai Municipal Engineering Research

and Design Institute, Shanghai 200092, China)

Abstract: The database of 58 over-19-meters deep foundation pits helps to study the horizontal displacement of supporting structure and the surface settlement behind diaphragm wall. By fully data mining, the curve feature, and normalized maximum value of the horizontal displacement are obtained. The curve feature, maximum location and the influence range of the surface settlement behind diaphragm wall are also analyzed. These conclusions can be used in estimating the deformation, optimizing the design and guiding the construction for ultra-deep foundation pit.

Key words: ultra-deep foundation pit; measured data; horizontal displacement of supporting structure; surface settlement behind diaphragm wall; properties of deformation

0 引 言

近年来，由于城市建设和经济发展需要，基坑工程呈现出“深、大、近、紧、难”的特点。深基坑甚至是超深基坑不断涌现。以国内为例[1]，北京国际新闻文化中心的基坑开挖深度平均为22.96 m；国家大剧院工程基础埋深最深处为32.5 m；润扬长江大桥北锚碇基坑平均开挖深度达到48 m。上海地区，地铁董家渡修复工程开挖深度平均达到38 m，外环隧道浦西暗埋段基坑、世博变电站等基坑开挖深度都达到了30 m以上。

目前的理论研究仍然多局限与一般的深基坑，超深基坑实践已经超在了理论的前头。徐中华[2]、刘涛[3]等都对上海基坑的变形特性做了统计分析，但都局限于一般深基坑，超深基坑的变形特性与一般深基坑的差异性还没有研究。根据文献[4]将20 m定义为上海软土超深基坑的界限，因此，本文收集了上海地区部分超深基坑（19 m以上）的工程实例，基于统计分析，研究了超深基坑围护墙体和墙后地表沉降变形特性。

1 工程信息采集与符号约定

1.1 工程信息的采集

本文采集的目标源为上海地区开挖深度超过19 m的基坑。本文共收集了58个工程的监测数据。数据的来源为已出版的有关专著、各类期刊、岩土工程领域的硕博士论文以及通过上海地铁远程监控系统所采集的数据信息。本文所收集的监测数据项目仅限于

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收稿日期：2010–04–21

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围护结构水平位移和坑外地表沉降。 1.2 符号约定

如图1所示，h 为开挖深度，d 为插入深度，H 为地下墙长度，S 为支撑间距，max h 为地下墙最大水平位移，w h 为地下墙最大水平位移出现的深度，w l 为墙后地表沉降最大点距地下墙的距离，max v 为墙后地表沉降最大值。

图1 文中符号含义示意图 Fig. 1 Schematic of symbolic meanings

2 围护结构水平位移

2.1 围护结构水平位移曲线

Clough & O'rourke [5]

(1990)认为墙体位移可以分为3种模式：①悬臂式位移，一般在围护结构顶端还没撑好支撑时发生；②深槽的内向位移，当支撑系统撑上后，由于支撑构件的约束而发生；③二者的混合

位移。吴佩轸[6]

根据台北MRT 的监测数据将围护结构的水平位移分为4种类型：标准型、旋转型、多折型和悬臂型。

图2为上海地铁董家渡修复工程的典型测斜曲线，其变形类似于Clough & O'rourke 的第三种模式或类似于吴佩轸的旋转型。超深基坑围护结构的水平位移曲线形态与一般深基坑的曲线形态基本相同。

图2董家渡修复工程超深基坑典型围护结构变形图 Fig. 2 Typical deformation diagram of ultra-deep foundation pit

supporting structure in Dongjiadu restoration project

2.2 围护结构最大水平位移位置

图3为围护结构最大水平位移出现位置的分布图，最大水平位移平均位于0.89倍开挖深度处。最大水平位移出现深度的上下限分别为1.12倍和0.59倍的开挖深度。同时图4显示最大水平位移出现在开挖面以上的比例达到了78.7%。

图3 最大水平位移与开挖深度的关系

Fig. 3 Relationship between maximum horizontal displacement

and excavation depth

图4 最大水平位移相对深度分布图

Fig. 4 Ratio distribution of maximum horizontal displacement to

depth

这一点与一般深基坑有较为明显的区别。Moh

and Woo [7]

（1990）对台北地区27个基坑的统计发现墙体最大水平位移都出现在开挖面下一点的位置。李琳[8]和徐中华[2]

的统计结果也表明一般基坑的最大变形位置都位于开挖面附近，但是基坑深度在16 m 以上时，基坑的最大变形位置逐渐上移。

产生这一现象的主要原因为，对于上海地区的一般深基坑其坑底都处于③、④层灰色淤泥质粉质、灰色淤泥质黏土，属于软弱土层。而对于超深基坑，③、④层一般位于其开挖深度的中上部，开挖这两层土会在开挖面附近产生较大的变形，这一点可以从图2中看到，较大的变形已经在较为靠前的开挖步中完成了。超深基坑的坑底一般处于⑤层等灰色黏土性质较好的土层，因此开挖坑底附近时反而产生的变形较小。因此对于超深基坑应注意在③、④层土中开挖时对于变形的控制，这对减小基坑的整体变形有着重要意义。 2.3 围护结构最大水平位移

图5（a ）和图5（b ）、图6分别为圆形基坑和一般形状基坑的最大侧向位移与开挖深度之间的关系。

圆形基坑的最大水平位移为0.8‰h ，最大为1.44‰h 。

一般形状的基坑根据不同的施工方法分为3类进行统计，逆作法施工的基坑平均变形为1.93‰h ，但数据有一定的离散性。半逆作法平均最大水平位移为1.74‰h ，且数据较为密集，所有监测数据均小于2.5‰h 。顺做法平均最大水平位移为2.36‰h ，数据有一

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定离散性。

图

5 墙体最大变形与开挖深度的关系

Fig. 5 Relationship between maximum wall deformation and depth

图6 墙体最大变形与开挖深度的关系

Fig. 6 Relationship between maximum wall deformation and depth

从以上数据可以看出圆形基坑的变形控制能力要

大大强于一般形状的基坑，一般其变形量均在1‰h 以内。但是随着圆形支护结构半径的增大，其变形和

弯矩都有显著增长。如世博变电站[9]

基坑直径达到130 m ，而变形最大也达到了1.44‰h 。原因是当半径增大时，圆形支护结构随之趋向于平面形状，其所受的土压力也接近于平面支护结构的土压力。

3 墙后地表沉降

3.1 墙后地表沉降的曲线形态

Heish [9]

在对台北地区10个基坑分析过后，认为墙后的地表沉降形态可以分为三角形和凹槽形。其中拱肩形一般只会出现围护结构侧向变形过大和一道支撑之前的悬臂开挖。本文所统计的工程中，最终工况的地表沉降呈现凹槽形的占了绝大多数，但是也有个别地表剖面在最终工况时呈现出三角形的沉降。可见超深基坑的地表沉降规律与一般深基坑基本一致。

图7为开挖深度达到29 m 的R4线宜山路车站的地表沉降曲线。从图中可以看到三角形的沉降并不只发生在第一道支撑之前的悬臂开挖，而是一直到第7道支撑完成后才变为凹槽形沉降。同时地表最大沉降点的位置是随着开挖的进行不断变化的，并不是如Ou [10]

所描述的位于0.5h 处并保持不变。

3.2 墙后最大地表沉降值

图8为归一化的地表沉降与墙体测斜的关系，最大地表沉降与最大墙体测斜的比值平均为0.83，较Ou [10]

的统计要大。上下限分别为0.4和1.2，范围略

大于Ou 的统计。刘涛[3]

在对上海地铁一般深基坑的地表沉降的统计规律为0.9～1之间的概率较高，但在本文的超深基坑地表沉降的统计则是0.4～0.83之间的概率较高。超深基坑与一般深基坑在最大地表沉降值上的不同，主要原因为超深基坑墙体水平位移最大值的位置较一般深基坑更深，因此其对地表的影响程度就相对较小，而现阶段的超深基坑的墙体水平变形量

并不比一般深基坑大，因此显得相对较小。

图7 宜山路站典型地表沉降剖面

Fig. 7 Typical cross-section of surface settlements in Yishan Road

station project

图8 归一化最大地表沉降与地下墙最大水平位移的关系 Fig. 8 Normalization of relationship between maximum surface

settlement and maximum horizontal displacement of wall

3.3 墙后地表沉降的影响范围

图9为墙后地表沉降最大值位置与开挖深度的比值图。从图中可以看到最大地表沉降点距地下墙平均

为0.38h ，小于Ou [10]得到的0.5h ，也小于刘涛[3]

0.5～0.7h 。且超深基坑的最大地表沉降点集中分布与0.3～0.55h 这一范围之内，可知超深基坑的最大地表沉降点

的相对位置较一般深基坑更靠近围护墙体。

图9 墙后地表沉降最大点位置与开挖深度的关系 Fig. 9 Relationship between the location of maximum surface settlement behind diaphragm wall and the excavation depth

但是从绝对量值上来看，超深基坑最大地表沉降

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点位置与一般深基坑的相仿，都位于墙后的8～12 m 之间。可见基坑开挖深度的加深并没有使墙后最大地表沉降点的绝对位置发生明显的改变。

图10为地表沉降曲线与Clough [2]和Heish [7]的曲线比较。图中可以看出Heish 的曲线能够较好与实测的数据吻合，但是由于收集的地表沉降剖面少有超过2倍开挖深度的，因此对于地表沉降的具体影响范围，

将在日后监测数据逐渐丰富后再进行实测研究。

图10 墙后地表沉降分布（与Clough 和Heish 比较） Fig. 10 Distribution of surface settlements behind diaphragm wall

(compared to Clough and Heish)

4 结 论

（1）超深基坑的墙体水平位移曲线的形态同一般深基坑，都呈现“大肚状”，并基本符合Clough 所提出的混合型曲线。

（2）超深基坑围护结构最大水平位移平均位于0.89倍开挖深度处即超深基坑围护墙最大水平位移一般出现于开挖面以上，不同与普通深基坑最大水平位移出现坑底下1～2 m 处，这是因为在较为靠前的开挖软弱土层③、④层淤泥质黏土时已经产生较大的变形，因此控制③、④层土中开挖时的变形或进行相应位置加固对减小基坑的整体变形有着重要意义。

（3）逆作法施工的基坑围护水平位移平均变形为1.93‰h ；半逆作法平均最大水平位移为1.74‰h ；顺作法平均最大水平位移为2.36‰h 。

（4）圆形基坑的变形控制能力要大大强于一般形状的基坑，一般其变形量均在1.4‰h 以内。

（5）超深基坑的墙后地表沉降形态绝大部分为凹槽形，可以用Heish 的曲线模式进行较好拟合；归一化地表沉降最大值的平均值为0.83；最大变形点位置从相对值上看相对于一般深基坑更靠近基坑边，大部分集中在0.3～0.55h 。 参考文献：

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