地铁明挖车站深基坑围护结构变形监测分析
地铁明挖车站深基坑围护结构变形监测分析
马守成
摘要：地铁车站开挖方式可根据对地面道路的影响，可以采取明挖法、盖挖法、暗挖法等施工方法。明挖法是指将待建工程上部的土层全部开挖，并在施工结束后进行回填；盖挖法是指在一定的深度上，在工程进行到一定的施工阶段后，对建筑物的顶部进行封堵，恢复地基和地面交通；暗挖法是将地表土壤破坏，在地下进行直接开挖的一种施工技术。本文针对北京轨道交通某明挖基坑车站工程中的明挖法进行了详细的阐述，阐述了该工程中的深基坑监测方案，并通过对其横向位移、内支承轴力等的监测资料进行了分析，并对其在施工过程中的变形、内支承轴力的变化规律及其机制进行了研究；可供同类工程参考。
关键词：深基坑；监测方案；围护结构
随着我国城市建设的迅速发展，深基坑丁程的规模越来越大，深度越来越深，深基坑的开挖和支护问题也越来越受到重视。深基坑工程中，因其结构的变形是造成其严重事故的重要原因，因此，如何有效地控制其变形，保证其施工安全，已成为一种普遍现象。基坑施工中经常会出现基坑坍塌、围护结构变形等问题，如何确保深基坑施工安全，是我国城市轨道交通建设的一个重要问题。尽管在深基坑工程中，深基坑围护结构的设计与稳定性评价已有不少成果，但是这一问题的复杂性使得深基坑的变形和稳定性分析还有待进一步的研究。本文以北京轨道交通某明挖基坑车站为例，对地铁车站进行了深基坑的稳定分析。
1工程概况
1.1工程水文地质条件
某明挖基坑地铁车站位于市中心繁华路段十字路口附近，车站周边为30层高层建筑物、科技园等密集建筑物。车站周边规划以科研办公及住宅为主。该车站明挖基坑一期目前已经结构封顶，二期明挖基坑正在施工中。道路路面宽度30米，地下管线密集，施工难度较大。该车站为地下二层明挖岛式站台车站，车站主体长度260m，标准段宽度25m。根据钻探资料及室内土工试验结果，按地层沉积年代、成因类型，将本工程场地勘探范围内的土层划分为人工堆积层、第四纪全新世冲洪积层、第四纪晚更新世冲洪积层三大类。勘察共观测到四层地下水：上层滞水（一）、潜水（二）、层间水（三）、承压水（四）。车站所处地层共含三层地下水。地下水采用阻水方式进行处理，严禁带水作业。
1.2基坑及围护体系
车站采用明挖顺作法，采取了一种以地下连续墙+内支承为主的支护形式。车站采用地下连续墙作为施工阶段的围护结构，车站采用600毫米厚的地下连续墙，基坑一期工程小里程端第一层斜撑以及基坑二期工程小里程端第一层四根支撑均采用混凝土支撑，其余内支撑采用三道钢支撑+1道换撑（局部换撑）。基坑开挖范围内共涉及三层地下水，采用阻水方案，开挖过程中坑内积水随开挖顺序分层分段将至开挖面下0.5~1.0m，确保无水作业。
2监测重点分析
1）本基坑自身所在区域地下水丰富，基坑施工涉及到上层滞水（一）、潜水（二）、层间水（三），采用坑外止水坑内疏干方式处理，开挖过程中需重点监测和巡视基坑周边地表及基坑自身结构变形，以防地连墙开裂造成地下水渗漏。
2）明挖基坑临近污水管线和雨水管线，与开挖边线水平最近距离1.50m，风险等级较高。施工前应加强对管线的详细调查，在施工过程中应加强管地下管线的变形监测，同时加强现场巡查，关注管线附近道路有无新增裂缝和裂缝发展情况。
3）本工程临近30层高层建筑，基坑开挖过程中，易引起建（构）筑物不均匀变形，严重时导致建（构）筑物墙体剥落、开裂，影响建（构）筑物使用寿命，严重时威胁结构及人员安全。在施工过程中应加强周边建筑物的变形监测，同时加强现场巡查，关注有无新增裂缝和裂缝发展情况。
3监测方案
由于地质条件、荷载、材料性质等原因，在地下工程中的应用；由于施工环境和外部环境的复杂影响，仅用理论上的方法难以对工程中的问题进行预报，并且无法全面、精确地反映工程的各项变化。因此，在理论分析的指导下，有系统地进行现场施工监测是非常有必要的，而对于经常进行的常规丁程，可以借鉴以石的经验；在工程地质调查数据的基础上，结合室内土工测试参数进行设计与施工；在大型、大型、大型、环保要求高的工程中，应在施工组织设计中制订并执行监控方案。该项目的监测内容包括：地表沉降、桩顶水平位移、地下连续墙测斜、支撑轴力等。在图1中显示了测量点的排列。
图1监测布置图
在监测围护结构的横向位移时，应在30~40 m的基础上，设置一个测斜孔，通常在最易出现的围护变形和较大的位置。对于端头井，应在每个边沿中心设置一个测点。在该项目中，共埋设了15个测斜孔，分别为CX1~CX15。基坑结构外侧的水平土力是由围护结构和支撑系统共同承受的，如果实际支承轴力超出设计或与设计值不符，则会导致支护系统不稳定。在基坑开挖过程中，为监测支承的应力状况，必须设置支承轴力监测点。该项目共埋设了10个支撑轴力监测点，编号分别为ZL1~ZL10。该项目中，选取了沉降监测点共计15个，编号分别为DB1~DB15。沉降测点布置过程中，应根据基坑的开挖深度、周边的地下管线分布情况，并参照《北京城市轨道交通监测技术规范》进行编制。
3数据分析
3.1围护结构水平位移分析
在基坑工程中，基坑的水平位移是最直接、最可靠的、最直接的、最可靠的指标，而基坑的变形情况则是整个工程的重点。在图2至图3中，同护结构的横向位移变形如图2、3所示，CX15为基坑中心，CX14为盾构井眼。由图2、3可知，在基坑的深度下，整体的水平位移发生了显著的变化。第一层开挖后，连续墙的横向位移变化比较轻微，而在二次开挖后，最大变形量发生了显著的变化；CX2最大值为12.26毫米，而CX13为17.24毫米。通过对CX2和CX13监测点的对比，发现在基坑中段的变形比盾构井孔的变形要大得多，在中段变形最大，这是因为在基坑后期，施工阶段的变化不大，反映了基坑开挖的时间和空间影响。因此，在基坑开挖前期，基坑的横向变形较小，开挖面较小；测斜随着开挖深度的增加而增大，最大值随着开挖深度的增加而下降，最大值出现在开挖面附近；在支撑位置测量的斜度几乎没有什么变化。
图2 CX2测斜曲线 图3 CX13测斜曲线
3.2支撑轴力分析
在地铁车站深基坑监测中，支承轴力与同护结构的稳定关系十分密切。从图4可以看出，在基坑开挖时，支承的轴向受力并非单调增加，而是不断地发生变化；这是因为建筑条件和天气的影响。第三道钢支撑支承的受力及土方施工对其影响较大，且变化幅度在50 KN以内。在不同截面的最大轴力存在差异，ZL7截面最大可达657 KN,ZL10截面为439 kN,ZL9为277 kN；在开挖过程中，由于受开挖时间、空间等因素的影响，基坑中部的变形量最大，从而导致了最大的支承轴力。从图4可以看出，ZL7钢支承对地下连续墙的变形具有空间抑制效应，它具有徐变、温变和施工过程等因素造成的渐进特征。
图4钢支撑轴力监测断面累计变化曲线
3.3沉降监测分析
基坑明挖过程中造成的地表沉降主要包括以下两种因素，首先，开发过程中导致的围护结构变形会造成土体向坑内移动，引起围护结构破坏，造成外侧土体地表的沉降。其次，为满足地铁施工无水作业要求，需开展降水施工。基坑降水会导致附近土体空隙水压力的消失，使得土地有效应力明显增加，导致土体被压缩而产生沉降。由于裂缝水压力减小，势必会导致颗粒间有效应力增大，继而导致土层出现沉降。为了保证基坑明挖工程施工的安全性和可靠性，必须要做好对周围环境的尤其是地表沉降等监测工作，适时调整工程进展和开发的位置，防止过度地面沉降对附近环境产生的影响，避免施工过程导致围护结构的破坏。因此，必须要做好地表沉降监测点的位置排布工作，明确地表沉降的相关规律，从而可以采取针对性的措施，防止大规模土体沉降现象的发生，保证施工的安全性。本基坑沉降最大点为DB12，累计沉降最大值为-16.0mm；其次为DB14，累计沉降值为-13.3mm；最小沉降为DB04，累计沉降值为-1.9mm。基坑开挖前期沉降量较小，开挖至第二、三道撑的时候沉降比较明显，本基坑主要沉降点位于基坑两侧钢支撑变换位置。
图5沉降监测断面累计变化曲线
4结论
根据对基坑开挖过程中的变形资料进行分析，得到如下主要结论：1）最大变形点不在基坑表面，而在基坑底部附近；2)基坑开挖引起的卸荷效应使同护体向内移动，而同护体的位移增加多集中在深基坑开挖期，开挖结束后，其变形逐步趋于稳定。3)横向变形量最大值出现在靠近基坑长边的位置，而在基坑的拐角处，壁面的挠度相对较低，说明了其空间作用。4)在基坑工程中，由于施工技术及温度的改变，混凝土支撑、钢支撑的轴向受力并非单调变化，而是不断发生变化。5)在水平方向上，支承轴力的大小与支承系统的横向位移有关。
参考文献
[1]薛飞,蒋文杰,王天佐,等.上海天山路地铁车站深基坑开挖施工监测分析[J].绍兴文理学院学报,2021,41(2):22-28.
[2]翁志坚.深基坑施工对临近既有车站结构变形的影响[J].中国科技论文,2021,16(10):1055-1060,1067.
[3]谢裕春,张洁,王琦,等.城市地铁深基坑围护结构变形规律研究[J].工程技术研究,2020,5(4):14-15.
[4]李向群,李培豪,候学飞,基坑开挖对周边地表沉降的影响因素分析[J].吉林建筑大学学报,2018,135(2):23-26.
