成都东站合建中超大深基坑监测技术研究

【摘 要】在四川成都东站国铁地铁合建工程中，由于地质情况及周边环境复杂，因此，对基坑施工监测提出安全等级要求较高。针对这一要求，结合工程实际情况对基坑监测技术进行了研究并采取了相应的技术措施，最终达到要求，保障了列车的安全运营。

【关键词】国铁地铁合建 超大深基坑 监测 安全系数

      四川成都地铁沙河堡站是地铁 2、7 号线的换乘站，车站位于新建国铁成都东客站下。地铁 2、7 号线呈“十”字交叉，7号线车站为地下 3 层岛式车站，底板为轨道面，地下 2 层中板与 2 号线轨道面交叉，地下 1 层为国铁西站房（以下简称西站房）大厅。地铁 7 号线车站采用 3 层三跨的钢筋混凝土结构，其中地下 1 层为西站房国铁大厅，建筑总高 16.73m，长度 186 m，宽度 28 m。地下 3 层净高 7.65 m，地下 2 层净高 6.97 m。中板及底板自 X向 A 轴线方向 2%结构找坡，基础底板 1.2 m 厚，中板厚度 0.4 m 与地铁 2 号线相连板厚0.7 m，剪力墙地下 3 层墙厚 1.0 m，地下 2 层墙厚 0.8 m，内柱尺寸 1 m×0.8 m，纵向梁截面 2 m 宽×0.9 m 高，横向0.8 m 宽×0.7 m（图 1）。

      地铁 7 号线围护结构采用围护桩加钢支撑体系完成，围护桩按照使用功能分为普通围护桩、立柱桩、玻璃纤维桩 3种。基坑：7 号线地铁基坑从西站房国铁 -13.8 m 底板标高至 -31.238 m 垂直开挖，岩层 -13.8 m~ -20.5 m 为中风化泥岩，-20.5 m~ 基底为弱风化泥岩，基坑长度 196 m，宽度34 m。支撑体：系采用围护桩及两道钢结构支撑，围护桩共计 244 根，玻璃纤维桩 16 根，立柱桩 36 根，桩径 1.2 m，桩长20.5 m，土面开挖至基底桩嵌入泥岩深度不少于 3.5 m，水平钢支撑共计 106 根，斜支撑 48 根。桩间土面采用 120 mm厚，φ8@150 mm 网喷混凝土组成。

      普通围护桩主要是为满足基坑开挖过程中对土体侧压力支撑及为钢支撑提供支撑点；立柱桩的主要作用是因基坑跨度较大，以增加钢支撑体系的整体刚度；玻璃纤维桩的主要作用是提供盾构区间连接预留（图 2、3）。

 

      本工程基坑开挖面积大、施工影响范围大，且一直保持正常运营的既有成昆铁路从基坑中部横穿而过，周边环境情况复杂，属于复杂条件下的深、大基坑工程。若基坑工程出现破坏，将会带来严重的后果。所以，本工程的安全等级为一级（最高等级）。因此，根据国家标准《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330-2002）和《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-99）的规定，必须对本工程进行严密的施工动态监控。

      在基坑开挖深度范围内依次分布有人工素填土、人工杂填土、软土、成都黏土、粗圆砾土、粉土、粉质黏土、中砂、泥岩等土层。其中成都黏土、黏土、砾石土、泥岩等有弱～中等膨胀性，且局部有强膨胀性。泥岩质软，遇水易开裂，节理发育，属于典型的工程性质不良的地基土。

 

      车站监测主要项目包括:围护结构水平位移、土体侧向变形、围护结构变形、孔隙水压力）围护结构侧土压力、地面沉降、地下水位、支撑轴力、横撑变形、钢筋应力、对采取临时悬吊的管线、既有铁路线路沉降变形和降水试验。

      根据相关规范、规程、计算资料及类似工程经验制定本工程监测警戒值如下：

      （1）位移报警值：

      位移≤40 mm（周边无建筑物、支撑和地下管线）；

      位移≤20 mm（周边有建筑物、支撑和地下管线）；

      （2）沉降报警值：

      沉降≤30 mm（周边无建筑物、支撑和地下管线）；

      沉降≤20 mm（周边有建筑物、支撑和地下管线）；

      （3）土压力报警值为设计土压力值的 2 倍（考虑到因支护横撑作用产生的局部压力集中现象）；

      （4）孔隙水压力报警值为该处地下水位所产生的静水压力理论值的 1.1～1.2 倍。

      Plaxis是欧美十余所大学联合研发的岩土工程专用有限元软件，程序应用性非常强，能够模拟复杂的工程地质条件，尤其适合于变形和稳定分析。目前已在欧美、亚太地区广泛应用。该软件能 提供 多 种 土体 本 构 关系 ，如 TheMohr-Coulomb model、The Jointed-Rock model、Soft-Soil-Creep model和用户自定义土体本构模型等。对土工常用结构形式如板、桩、墙、锚杆、路基、隧道等都可以实现模拟。

      对于本基坑工程，可以用二维平面应变模型来模拟基坑的三维支护（图 5）。以钢管横撑 HCZL7-1/7-2 处为计算截面。考虑到基坑周围受到的荷载作用，在±0.00 平面上预加10 kN 荷载，在 -18.8 平面上预加 10 kN 荷载作用。

      （1）每次开挖至下一根锚杆位置，进行锚杆和网喷施作。直至开挖至 -18.8 m 处；

      （2）开挖至 -20.4 m 后，施作网喷和支护桩；

      （3）分别开挖至 -22.5 m、-24 m 后，施作桩间网喷；

      （4）开挖至 -26.4 m 后，施作桩间网喷；加第一排横撑，预加应力 -550 kN；

      （5）分别开挖至 -29 m、-31 m 后，施作桩间网喷；

      （6） 开挖至 -32.4 m 后，加第二排横撑，预加应力-900 kN；

      （7）分别开挖至 -31 m、-33 m、基坑底，施作桩间网喷。

      （1）基坑变形及应力

      从图 6~ 图 11可见，整个系统潜在滑移面在基坑上部边坡处。正常情况下该处强度折减安全系数为1.488（计算曲线见图14），满足要求。且深基坑范围的安全系数大于边坡处。

      （2）横撑轴力

      从表 5 中可看出，上排横撑 HCZL7-1 实测最大轴力713 kN，实测平均值为 364.4 kN，相对误差为 0.49%；下排横撑 HCZL7-2 实测最大轴力 486 kN，实测平均值为 231.7 kN，相对误差为 17.1%。可见，有限元计算值与实测值吻合较好。

      （3）土体水平位移（图 12）

      模型选取截面处土体测斜管编号为 TTCX7-2。土体最大水平位移的有限元模拟值为 26.30 mm，实测土体最大水平位移为 27.12 mm。从表 2 对比可知，土体最大水平位移相对有限元模拟值偏大 3.02%，但相差较小，模拟效果良好。

      （4）支护桩水平位移（图 13）

      模型选取截面处桩身测斜管编号为 ZSCX7-3。从表 7 对比可知，土体最大水平位移的有限元模拟值为 13.86，实测值为 12 mm，相对误差为 15.5%。对比可知：桩身最大水平位移有限元模拟值相对实测值略大，模拟效果良好。

      （5）安全系数计算

      通过有限元强度折减法计算整体结构的安全系数如图14。

      通过有限元计算得出，7 号线基坑最危险开挖的两个阶段（即分别为施加第一和第二道横撑之前）的整体性安全系数为 1.448，完全满足工程要求，因此，基坑的开挖及支护均是安全、稳定的。但需注意的是：在整个开挖过程中需注意减少可能对边坡稳定有干扰的可能因素，开挖过程中应即时监测边坡水平位移及变形情况，一旦出现位移及变形过大或发展过快的情况，应加强观测频率并且及时报告，以便采取应对措施。

      （6）特殊情况下安全系数计算

      2009 年 9 月 11 日和 12 日，7 号线基坑地下一层出现边坡失稳现象，其滑移面与上述有限元模拟值吻合。这是由于边坡在开挖后，边坡顶部及其排水沟局部出现了裂缝，再加上失稳前几天连续的降雨，因雨量大、时间长，使得边坡开始出现位移突然增大引起开裂，使得雨水经过裂缝流入坡体，使得土体自重增加、抗剪强度及粘聚力减小、滑动力矩增大和抗滑力矩减小。因此，安全系数慢慢的减小至临界值 1 附近时，边坡在潜在滑移面上产生了整体滑移。

      为了验证这个结论，这里运用 Plaxis有限元软件对降雨情况对边坡的影响进行了模拟验证。由于降雨边坡渗水的影响，内摩擦角直径折减为原来的 72%，粘聚力折减为原来的折减为原来的 75%。由此计算出的安全系数为 1.001（图15），非常接近于 1 的临界状态，由于雨水渗入边坡，使得边坡水平位移与竖直位移都突然增大（水平计算值为 33.68cm，竖直位移计算值为 23.84 cm，均远远超过了限值），如果再考虑边坡进水对土重度的影响，滑坡推力会进一步增加，从而使得边坡的安全系数必定会小于 1 这个临界状态，最终必将导致边坡的滑坡，见图 16。