天津地铁二号线咸阳路站基坑开挖安全监控与实施

【摘  要】天津地铁二号线咸阳路站地处南开区黄河道交通干道，基坑开挖深17.71m，长463.1m。道路两侧建筑物较近，地下土质多为淤泥质粘土，深基坑开挖存在周围建筑物安全和基坑支护稳定等安全隐患。施工中采用安全监控的方法对地下水位变化、周围建筑变形沉降、支护结构位移等过程进行数据描述和报警控制，起到了预防预控的作用，从而保证的深基坑开挖施工安全，收到了良好的技术经济效益和广泛的社会效益。

    【关键词】软土地基；深基坑开挖；周围建筑物；支护稳定；安全监控

1  工程简介

    地铁二号线第4标段咸阳路站位于天津市南开区黄河道与咸阳路交口往西，车站起点里程DK5+371.843，终点里程DK5+834.943，本站为单柱双跨地下二层岛式车站。车站基坑围护采用钢筋混凝土地下连续墙结构，基坑长463.1m，标准段宽20.7m，深17.71m，东西端设有盾构井，车站顶板覆土厚度2.52m～3.61m，总建筑面积为26747.59m²。支撑结构采用钢管水平对撑。

2  安全风险分析

    天津市地铁二号线第4标段咸阳路站地处黄河道交通干道地段，具有现场周边环境复杂、施工难度大、技术要求高、工期长等特点。施工过程中有很大的不确定因素。地铁站两侧原有建筑物距离较近，常因基坑开挖导致开裂和沉降;地下管线因土体变形而被破坏;地下水位高又是软土地基，支护结构的稳定不可忽视。考虑以上因素，地铁施工中必然存在周围建筑物的安全、地下设施安全和基坑开挖安全等风险。

3  地质水文因素

    地质条件:本工程地下土质主要为淤泥质粘土，含水率高。

    -2.75m～-10.09m为淤泥质粉质粘土，为主要含水层。

    -10.43m～-17.71m，粉质粘土—粉砂，底板处于隔水层，以下存在微承压水。

4  基坑开挖方案

    地铁二号线咸阳路站基坑开挖长度463.1m，开挖深度17.71m，两端各有一个盾构井(如图1所示)，设计为明开挖。针对开挖线路长和深度较深、地下水位高和淤泥质粘土土质等情况，研究制定了超长基坑坝式分段开挖法。先将基坑划分为四个施工段，在二、三施工段中间设置一道高压旋喷水泥坝，将基坑分为东区和西区两部分，即起到临时支撑的作用，又能使两边的施工互不干扰。

    基坑深度方向设置有四道水平支撑，水平方向支撑间距3.0m，为满足随挖随撑的设计要求，按支撑纵向位置分四步退行开挖。第一步挖至第一道支撑以下，安装第一道支撑，第二步挖至第二道支撑以下，安装第二道支撑，以此类推。第四步挖到基底时，形成三阶四机接力倒土作业。挖土过程中先开挖支撑作业面，及时安装支撑再进行下道挖土工序。直至挖到基底标高，完成深基坑土方工程。

5  安全风险监控措施

    根据安全风险因分析，我们把重点放在保护周围建筑物安全、保护地下跨基坑管道的安全、确保围护结构的稳定和地下水、承压水的控制等方面。针对分析出的问题进行危险源辩识做出具体化、时空化、动态化的应急控制预案，然后制定详细的监控程序。

5.1 本工程监控的主要项目

    (1) 墙顶沉降及水平位移；

    (2) 地下水位观测；

    (3) 墙体水平位移；

    (4) 支撑系统轴向应力；

    (5) 临近建筑物变形(如表1)。

5.2 基坑开挖监控方案

    (1) 墙顶沉降及水平位移。

    由于施工场地内环境条件一般较差，考虑现场情况，监测点水平位移观测一般采用极坐标法，使用工作基点为起算点，采用极坐标法测定各监测点坐标，计算围护墙顶测点的变形量。按测回法依次测定各监测点与测站连线的角度、距离，计算监测点坐标，根据各测次与初始值的坐标，计算桩顶水平位移矢量。

    (2) 地下水位监测。

    监测点按施工监测图布置，每轴线基坑两侧各布设2个监测点，地下水位监测采用钢尺水位计，通过讯响器，读取测量钢尺读数，根据管顶高程、管顶与地面的高差，即可计算地下水位的高程和埋深。

    (3) 墙体水平位移。

    监测点共布设44个，墙体水平位移监测孔布设标准段断面图，围护墙体水平位移监测，采用测斜仪进行测量。埋设时将测斜管在现场组装后绑扎固定在桩钢筋笼上，并将其浇筑在混凝土中，并由引出的导线将测斜管的倾斜角值显示在测读仪上。

    (4) 支撑系统轴向应力监测。

    本工程横撑均为钢支撑，采用轴力计对支撑进行轴力监测，安装时将轴力计安装架与钢支撑端头对中并牢固焊接。待焊接件冷却后将轴力计推入安装架并用螺丝固定好。安装过程要注意轴力计和钢支撑轴线在同一直线上，各接触面平整，确保钢支撑受力状态通过轴力计(反力计)正常传递到围护结构上。

    (5) 周围建筑物变形监测。

    深基坑开挖施工过程中，影响周围建筑物安全的因素有两个。一是因地下水流失使建筑物基础产生不均匀沉降；二是地基土体变形，造成建筑物有不同程度的裂缝出现，影响正常使用。对于地下水位和地基土体变形的问题，采用设置沉降标和地下水位观查井的方法对以上两情况进行动态观测。

6  基坑开挖监控实施

    本工程以东区(26轴～61轴)为例。

6.1 周边地下水位及建筑物监测过程控制

    在基坑开挖前进行坑内降水，对地下水位变化和建筑物沉降进行监测。47轴和49轴发生水位变化量较大的情况，降水速率为0.186m/d，原因主要是基坑内侧降水过急，但未超过报警值±0.400m/d。经观查建筑物没有明显变化。针对基坑内降水过急的问题，结合挖土进度，把降水变化速率控制在0.12m/d，以保持基坑外地下水位稳定，同时制定预防渗漏的应急措施。

    基坑开挖至第二道支撑(深8.5m)时，地下连续墙接缝处发现渗水点，及时采取了防治渗漏应急措施，在渗漏处进行高压注浆堵住了漏点，使基坑外水位得到了控制。监测结果表明，渗漏控制点的地下水位变化明显减小。同时通过对建筑物沉降观测，沉降量最大仅2.9mm，建筑物安全。(如图2)

6.2 围护结构监测过程控制

    在挖土过程中对地下连续墙桩顶沉降、位移和墙体水平位移三项内容进行监测。在连续监控过程中显示，桩顶沉降变化不大，而桩顶位移受挖土影响变化较大。第一步挖土深度2.1m，出现桩顶位移接近报警值。经原因分析是由于开挖速度过快在支撑安装前产生的。施工中通过调整挖土进度并及时安装支撑解决了墙顶变形的问题。

6.3 支撑系统监测过程控制

    随着基坑开挖，共需架设四道钢管支撑，水平间距3000mm。随着支撑的安装，用轴力计进行监测，定期整理数据。对接近或超过报警值的部位立即报警，经过现场认真分析，一是地下土质不均匀产生的侧压力有一定的出入；二是挖土顺序不当顺墙深挖面积过大；三是支撑安装不及时。通过调整挖土进度，使被动土压力起到一定作用，对相邻支撑点做预压应力调整，有效地控制了支撑系统应力平衡稳定的问题。(如图3)

7  安全监控成果

    (1) 本工程基坑开挖工期为2009年6月7日至2009年9月26日，共计112d。监测过程采集近90000个数据，共整理图表974份，为深基坑开挖安全监控提供了可靠的时空信息。

    (2) 将所采集的数据进行时效处理并进行数理统计，对超过控制范围的点位及时报警，立即执行应急预案，正常范围内的数据用来指导和调整基坑挖土的进度和安全，使整个基坑开挖过程自始至终处于受控状态。

    (3) 通过周边地下水位和地下连续墙位移监测，对接近报警值的点位及时采取调整降水速率和修正挖土方案等有效措施，消除了安全隐患，保证了周围建筑物的安全。

8  结语

    随着地铁建设的发展，施工技术不断完善，设备日趋先进。然而地质条件的变化、周围环境复杂等多种因素，仍然是地铁深基坑开挖施工安全重点考虑的问题。对于高风险工程施工，不仅应具备一定的实践经验和成熟的施工技术，还要建立健全安全有效的监控机制，针对周围环境和施工安全，通过监测数据找到问题所在，通过原因分析给予高安全度的控制手段和措施，将安全风险降低至极微，杜绝危害，从而提高地铁施工的技术经济效益和广泛的社会效益。(乔成林 祁津勇)