許鐵軍

（中鐵十一局集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430061）

地鐵車(chē)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)測(cè)與分析

許鐵軍

（中鐵十一局集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430061）

以鄭州市地鐵一號(hào)線西三環(huán)車(chē)站基坑為研究背景，通過(guò)對(duì)該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)，并對(duì)整個(gè)施工過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁體的水平位移、坑周地表豎向沉降以及鋼支撐的軸力實(shí)施監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明：鋼支撐能有效的減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形；距離基坑越近，坑周地表沉降量也越大?？傮w來(lái)說(shuō)，運(yùn)用鋼支撐聯(lián)合鉆孔灌注樁的圍護(hù)形式穩(wěn)定性良好，該圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)滿足該工程的安全要求。

地鐵車(chē)站基坑 圍護(hù)結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定性 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

1 引言

隨著我國(guó)城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市軌道交通向三維空間發(fā)展也已成為我國(guó)各大城市的主流發(fā)展趨勢(shì)，目前，我國(guó)北京、上海、廣州、香港、天津等城市的地鐵已悉數(shù)開(kāi)通，還有武漢、蘇州、鄭州等許多城市的地鐵也都正在新建。在地鐵的建設(shè)中，不可避免的要產(chǎn)生地鐵車(chē)站這一基坑工程。由于地鐵車(chē)站一般都修建在商業(yè)文化中心以及人口和周?chē)ㄖ^密集的地區(qū)，受施工場(chǎng)地的限制，地鐵車(chē)站基坑的施工不能采取常規(guī)放坡開(kāi)挖的方法。因此，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和施工技術(shù)展開(kāi)研究對(duì)現(xiàn)代基坑工程的建設(shè)具有重要意義。而隨著基坑工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，以及施工條件難度的逐漸增大，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求也逐漸提高，因此，如何控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。

本文對(duì)鄭州市地鐵一號(hào)線西三環(huán)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開(kāi)挖過(guò)程中的變形規(guī)律展開(kāi)了研究，并根據(jù)研究的結(jié)構(gòu)來(lái)評(píng)價(jià)該地鐵車(chē)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)方案的合理性，并希望通過(guò)本文的研究為類(lèi)似工程提供借鑒和一定的指導(dǎo)。

2 工程概況

1.1 站址環(huán)境

西三環(huán)站位于西三環(huán)立交和建設(shè)西路十字交叉路口東北象限的綠地里，車(chē)站呈東西向布置，西接凱旋路站，東接秦嶺路站。西三環(huán)立交橋西北、西南象限均為三、四層民房，東北象限為在建的金源城上城住宅小區(qū)，東南象限為柿園水廠家屬院，站址西邊為西三環(huán)立交、東邊為電力廠區(qū)。本站共設(shè)3個(gè)通道4個(gè)出入口，四組八個(gè)風(fēng)亭。

1.2 水文地質(zhì)條件

本區(qū)場(chǎng)地臨近無(wú)河流通過(guò)，西約1 km處有西流湖，湖底標(biāo)高105.0 m，湖水深1.0～1.5 m，底部淤泥厚度1.5 m左右，西流湖地表水體與地下水之間以垂直滲透補(bǔ)給為主。本區(qū)淺層含水層巖性以粉土、粉質(zhì)粘土為主，屬松散巖類(lèi)孔隙潛水，地下水類(lèi)型為潛水?？辈炱陂g地下水位埋深15.1～15.6 m，在勘探深度內(nèi)，揭露的含水層為松散巖類(lèi)孔隙潛水，含水層巖性以粉土、粉質(zhì)粘土為主，該含水層屬弱透水層，富水性較差，降深5 m的單井涌水量＜100m3/d。本場(chǎng)地地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)沒(méi)有腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有弱腐蝕性，同時(shí)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)也有弱腐蝕性。

由該地鐵車(chē)站基坑的地質(zhì)勘察報(bào)告可以看出，該場(chǎng)地地層主要以上更新世及其以前的土層為主，局部層位存在砂土，土層分布較為均一，根據(jù)規(guī)范要求本場(chǎng)地穩(wěn)定性滿足要求，適宜本工程建設(shè)。該工程各土層具體的物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 地基土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

本車(chē)站附屬通道、風(fēng)道標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度10 m左右，因通道、風(fēng)道跨路口設(shè)置，通道受現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地限制，沒(méi)有放坡開(kāi)挖的條件，故圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Ф 800@1 200 mm的鉆孔灌注樁聯(lián)合鋼管內(nèi)支撐的工法，樁插入深度4～5 m，樁間采用100 mm厚網(wǎng)噴砼支護(hù)，樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，鉆孔灌注樁和冠梁均采用C30混凝土，中間擋墻也采用C30混凝土?；迂Q向設(shè)2道鋼管內(nèi)支撐保持穩(wěn)定，鋼管支撐采用Ф 609 mm（壁厚14 mm）的鋼管，支撐水平間距一般為3.5～4 m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)的剖面布置樣圖如圖1所示。

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面布置圖

4 監(jiān)測(cè)方案

為了保證基坑的施工安全和周?chē)h(huán)境的安全，需要對(duì)基坑施工全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)掌握基坑開(kāi)挖整個(gè)過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的樁體位移、坑周地表的沉降以及鋼支撐的軸力等的變化情況。并通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行反饋，以便及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)信息化施工。根據(jù)該基坑周?chē)匦蔚孛蔡攸c(diǎn)和周?chē)ㄖ锓植记闆r，并結(jié)合本項(xiàng)目自身地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)規(guī)范要求和本項(xiàng)目設(shè)計(jì)技術(shù)要求主要對(duì)表2中的項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)。各建材項(xiàng)目具體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置如圖2所示。

表2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與監(jiān)測(cè)周期

圖2 西三環(huán)站基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

本次監(jiān)測(cè)是從基坑開(kāi)挖開(kāi)始實(shí)施的，截止該基坑工程主體結(jié)構(gòu)施作完畢，已累計(jì)進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)175 d，整個(gè)基坑的關(guān)鍵施工階段如表3所示，為了分析施工過(guò)程中該工程的穩(wěn)定性，現(xiàn)選取部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表3 西三環(huán)站基坑關(guān)鍵施工階段

5.1 樁體水平位移

為了對(duì)各整個(gè)施工階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，在該基坑的四周共布設(shè)了6個(gè)測(cè)斜孔，本文僅選用南側(cè)的測(cè)斜點(diǎn)CX2的監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析，現(xiàn)將CX2的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整體如圖3所示。由圖3可以看出：

（1）在基坑剛開(kāi)挖時(shí)，由于基坑土體的突然卸荷，坑周土體對(duì)圍護(hù)樁的側(cè)向擠壓作用使基坑發(fā)生向內(nèi)側(cè)的變形，但是由于開(kāi)挖深度較淺，樁體各點(diǎn)的水平位移都很小，樁體變形曲線呈前傾型。

（2）隨著基坑的繼續(xù)開(kāi)挖和第一道鋼支撐的施作，樁體各點(diǎn)的側(cè)向變形明顯增大，并且在深度為5 m處達(dá)到最大，最大值為4.31 mm，而由于基坑開(kāi)挖尚未結(jié)束，坑內(nèi)土體能夠?qū)又芡馏w的側(cè)向擠壓有一定的阻止作用，使樁體下部受開(kāi)挖的影響較小，水平位移也還較小。另外，樁體變形曲線也由前傾型向弓形發(fā)展。

（3）在施作第二道鋼支撐后，樁體水平位移最大發(fā)生的位置明顯下移，當(dāng)達(dá)到深度為7～8 m處達(dá)最大。另外，受第一道鋼支撐和圍護(hù)樁的協(xié)同作用，樁頂?shù)乃轿灰谱兓苄?，這說(shuō)明通過(guò)施作鋼支撐可以有效的減小基坑圍護(hù)樁的側(cè)向變形。

（4）從基坑開(kāi)挖完成到，折除第一道鋼支撐的過(guò)程中，樁體不同深度處各點(diǎn)的水平位移發(fā)展較慢，這說(shuō)明了鋼支撐聯(lián)合鉆孔灌注樁的支護(hù)結(jié)構(gòu)能有效的抵抗坑周土體對(duì)基坑的擠壓作用，極大的提高了基坑的穩(wěn)定性。也可以看出，樁體最大位移是發(fā)生在距樁頂8 m處的位置，且最大位移為12.15 mm，在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。雖然這種支護(hù)結(jié)構(gòu)有效的抵抗了圍護(hù)樁的側(cè)向變形，但是考慮到基坑受時(shí)空效應(yīng)的影響，各點(diǎn)的水

平位移仍在增大，因此，在基坑施工過(guò)程中，應(yīng)盡量減小無(wú)支撐暴露的時(shí)間。

5.2 地表豎向沉降

為了研究該基坑在開(kāi)挖過(guò)程中引起的地表沉降變化情況，在基坑的南北兩個(gè)方向共布置了4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，各監(jiān)測(cè)斷面均布置6個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，各點(diǎn)從圍護(hù)樁開(kāi)始依次以3m間距向外側(cè)布置。本文僅選取監(jiān)測(cè)斷面DB1上的6個(gè)點(diǎn)的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各沉降觀測(cè)點(diǎn)沉降量隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示。

由圖4可以看出：

圖3 各關(guān)鍵施工階段CX2處樁體水平位移曲線

圖4 地表沉降量隨時(shí)間變化曲線

（1）隨著基坑的開(kāi)挖，各點(diǎn)的累積沉降量逐漸增大，且距離基坑越近，沉降量越大。其中DB1-1號(hào)點(diǎn)的累積沉降量最大，最大值為7.33 mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值規(guī)定的≦0.3 %H。DB1-6號(hào)點(diǎn)距基坑最遠(yuǎn)，在觀測(cè)周期內(nèi)的累積沉降量?jī)H為1.39 mm。

（2）各觀測(cè)點(diǎn)的累積沉降量曲線都經(jīng)歷了一個(gè)下降、上升、再下降、再上升然后又逐漸下降直至最終趨于基本穩(wěn)定的過(guò)程。沉降量曲線下降是因?yàn)樵诨娱_(kāi)挖過(guò)程中，由于坑內(nèi)土體移除，使坑內(nèi)地下水位降低，是坑周與坑內(nèi)形成一定的水頭差，使土體中產(chǎn)生滲透力，對(duì)坑周土體具有一定的壓密作用，另外受坑內(nèi)降水的影響，造成坑周土體排水，使坑周土體的自重應(yīng)力增加，從而使其對(duì)自身也有一點(diǎn)的壓密作用。因此，隨著基坑的開(kāi)挖，坑周土體的壓密作用越大，累積沉降量也就越大。沉降量曲線在下降的過(guò)程中有兩個(gè)上升的階段是因?yàn)樵诨娱_(kāi)挖過(guò)程中有兩道鋼支撐的施作，由于鋼支撐對(duì)基坑側(cè)向有擠壓作用，使坑周土體有相對(duì)隆起趨勢(shì)，導(dǎo)致沉降量有向上發(fā)展的趨勢(shì)。

（3）從基坑關(guān)鍵施工階段來(lái)看，在基坑開(kāi)挖階段坑周土體的沉降較大，而主體結(jié)構(gòu)施作階段的沉降較小，隨著施工的不斷推進(jìn)，整個(gè)結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，這說(shuō)明了鋼支撐聯(lián)合鉆孔灌注樁的支護(hù)結(jié)構(gòu)在本工程中取得了良好的效果。

5.3 鋼支撐軸力

為了研究該基坑在開(kāi)挖過(guò)程中水平鋼支撐軸力的變化情況，在基坑的四周分別布設(shè)四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別在每個(gè)點(diǎn)處的第一、二道鋼支撐上安裝軸力計(jì)，共安裝8個(gè)軸力計(jì)。本文僅選基坑南側(cè)中部ZC1-1、ZC2-2所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各軸力計(jì)隨時(shí)間變化的曲線如圖5所示。

圖5 支撐軸力隨時(shí)間變化曲線

由圖5可知：

（1）第一道支撐的軸力在剛開(kāi)始階段基本呈線性增長(zhǎng)，但當(dāng)施工進(jìn)度達(dá)35天時(shí)，即基坑施作第二道支撐的時(shí)候，第一道支撐的軸力有減小的趨勢(shì)，這說(shuō)明通過(guò)第二道支撐的施作，有效的緩解了第一道支撐的水平壓力。隨后隨著基坑開(kāi)挖深度的增加第一道支撐的軸力在波動(dòng)中呈緩慢增加的趨勢(shì)，但是在第110天施作底板時(shí)，第一道支撐的軸力又有所下降。這是因?yàn)槭┳鞯装搴?，使坑底形成了一個(gè)剛性的整體，也能夠抵抗坑周土體對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的擠壓作用。隨著主體結(jié)構(gòu)的施工，第一道支撐的軸力都在小范圍波動(dòng)，這說(shuō)明通過(guò)鋼支撐的施作，有效的限制了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形，使該基坑的穩(wěn)定性良好。

（2）第二道支撐在剛施加的初始階段軸力增長(zhǎng)非常迅速，從施作到開(kāi)挖到坑底過(guò)程中由480 kN增至840 kN，但隨著底板的施作，第二道支撐的軸力也和第一道支撐一樣，有較為明顯的減小，這也是由于底板的抵抗作用引起的，隨后第二道支撐的軸力在波動(dòng)過(guò)程中逐漸減小，直至第二道支撐的折除。

（3）比較第一、二道支撐軸力的變化情況可以看出，雖然兩者都存在一定的波動(dòng)，但是第一道支撐軸力的波動(dòng)明顯小于第二道支撐。這說(shuō)明在基坑水平方向達(dá)到支撐中，第二道支撐承受的側(cè)向擠壓作用更強(qiáng)。

（4）另外從圖中可以看到兩者軸力的最大值均小于設(shè)計(jì)值，因此可以調(diào)整各道支撐的預(yù)加軸力，使得各鋼支撐能夠承擔(dān)更大的軸力，更好的發(fā)揮其材料性能。

6 結(jié)論

本文對(duì)鄭州市地鐵一號(hào)線西三環(huán)車(chē)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方案的進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整個(gè)施工過(guò)程實(shí)施了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，主要得出以下結(jié)論：

（1）圍護(hù)樁的側(cè)向變形隨著開(kāi)挖深度的增加而增加，并且受鋼支撐的側(cè)限作用，樁體的變形曲線也由前傾型向弓形發(fā)展，并且最大位移發(fā)生的位置也逐漸下移。并且在開(kāi)挖完成后，受時(shí)空效應(yīng)的影響，圍護(hù)樁的側(cè)向變形還在繼續(xù)變大，因此，應(yīng)盡量減小無(wú)支撐暴露的時(shí)間。

（2）坑周地表的沉降隨開(kāi)挖深度的增加而不斷增大，并且距離基坑越近，沉降量也越大。另外，鋼支撐的對(duì)坑周土體的側(cè)向擠壓作用使坑周土體隆起，使各點(diǎn)沉降在下降的過(guò)程中，有短暫的上升階段存在。

（3）鋼支撐聯(lián)合鉆孔灌注樁的圍護(hù)形式對(duì)基坑的側(cè)向變形有較好的限制作用，并且水平位移量、豎向沉降量、鋼支撐軸力均小于設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明該基坑的穩(wěn)定性良好，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)滿足該工程的安全要求。

[1]劉杰,姚海林,任建喜.地鐵車(chē)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué),2010.31(增2)157～162.

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Monitoring and Analysis of the Construction of the Envelope Structure of the Foundation Pit in the Subway Station

XU Tie-jun
(China Railway 11th Bureau Group Co. Ltd., Wuhan Hubei 430061 China )

Combining with the foundation pit construction of the Xi San Huan stop of the No. 1 subway station in Zhengzhou, the design of the envelope structure of this foundation pit, the horizontal displacement of the piles of the envelope structure, the vertical settlement of the ground near the foundation pit and the axial force of the steel support were monitored. The monitoring data indicates that, first, the steel support can reduce the lateral deformation of the envelope structure; second, the vertical settlement of the ground is more serious near the foundation pit. In summary, the envelop structure of the steel support and the bored pile has a good stability, which shows that the design can meet the security requirement of the project.

foundation pit of the subway station envelop structure stability field monitoring

U231

A

1673-1816(2014)01-0007-06

2013-11-26

許鐵軍（1976-），男，工程師，學(xué)士，研究方向土木工程。

收稿日期：2013-11-26

作者簡(jiǎn)介：孫世芳（1973-），河北滄州人，男，漢，本科，工程師，研究方向隧道工程。