天津地铁昆明路站基坑围护结构监测研究

【摘 要】针对城市地铁深基坑工程事故易发的现状，结合天津地铁3号线昆明路站深基坑监测方案，通过大量实测数据对基坑的围护体结构定向位移和支撑轴力进行了研究，分析墙体变形及钢支撑轴力变化的原因。通过监测分析表明：围护结构随着支撑的架设，水平位移部位下移；钢支撑内力变化不是单调递增，呈现反复变化的现象，底板浇注完成后，基坑变形趋于稳定。昆明路站基坑工程的现场施工监测是安全施工的重要保证，可为类似城市地下工程的安全施工提供有益的借鉴和参考。

    【关键词】地铁；深基坑；支撑；监测

1  研究背景

    随着城市的发展，城市人口极度膨胀，交通环境日益恶化，修建城市地铁是缓解路面交通拥挤现状，改善城市交通状况的重要途径。地铁工程的建设首先面临的是地铁车站深基坑工程的开挖^[1]。在基坑工程施工过程中，由于地质条件复杂，地下管线密集，地铁工程周边建筑物、道路众多等自然或者外部环境等，基坑工程的风险性通常较大，因此极易发生基坑事故^[2]。因此地铁深基坑开挖的过程中，对基坑施工期间基坑(及支护体)变形和其影响范围内的环境变形、被保护对象以及其它与施工项目有关的内容进行监测，以便及时全面地反映基坑围护体的变化情况，是判断基坑安全和环境安全的主要依据^[3]。本文通过对天津地铁3号线昆明路站基坑围护体定向位移和支撑轴力的实测数据分析，研究其变形规律，有利于控制围护结构的变形及其周围建筑和地下管线的安全，从而达到避免重大事故发生目的。

2  项目概况

2.1 设计概况

    天津地铁3号线昆明路站位于营口道的路面下，与昆明路斜交，车站沿营口道东西走向。昆明路站设计车站起点里程DK11+57.5，车站终点里程DK11+368.5，昆明路站及站后停车场全长311m。车站主体最宽为33m，为地下二层侧式站台车站。车站主体采用现浇钢筋混凝土箱型结构形式，围护结构采用800mm 厚地下连续墙围护结构。标准段基坑开挖深度约17.3m，地连墙深35～36.5m，控制周边地面最大沉降量≤0.1%H，地下连续墙最大水平位移≤0.14% H(H为基坑开挖深度)，且不大于30mm。明挖顺作法施工。

2.2 地质水概况

    根据图纸及地质报告提供的资料，站区地表普遍分布第四系全新统人工填土层(Q^m1)，岩性为杂填土，土质不均，结构松散，密实程度差。本车站主体结构基底位于(⑥₁)粉质粘土。基坑开挖范围内土体主要为填土、粘性土、粉土及淤泥质土，土质松软，直立性差。

    本场地内表层地下水类型为第四系孔隙潜水，其地下水位埋深较浅，勘测期间水位埋深1.3～2.1m(高程－0.3～0.4m)，赋存于第Ⅱ陆相层及以下粉砂及粉土中的地下水具有微承压性，为微承压水。微承压水以⑤₁粉质粘土⑥₁粉质粘土为隔水顶板，⑥₂、⑥₄、⑦₂为主要含水层，该层微承压水接受上层潜水补给，以地下径流方式排泄，同时以渗透方式补给深层地下水。其顶板最浅埋深为18.20m。勘测期间22.35～24.35m 层微承压水稳定水位埋深约为2.5m。

2.3 周围环境

    天津地铁3号线昆明路站北侧包括迎新里、竞业里、天兴楼共九栋居民楼，最近处距基坑仅5.9m，最远处为11.4m。居民楼基础为条形基础，埋深为1.5m，结构为砖混结构，结构形式及基础形式均较差。车站南侧为地矿大厦和市政设计院。地矿大厦距离基坑9.8m，五层砖混结构，局部六层；地矿大厦砌筑砂浆出现粉化现象，现状安全系数较小，满足相关规范要求。市政设计院距基坑约18m，基础形式为条形基础，基础埋深2.2m，基本满足地基承载力的要求，但基础砌筑砂浆出现了不同程度的粉化现象，安全储备小。车站范围内的地下管线，主要有天然气、电讯、排水管及电力等管线。

3  围护及监测方案

3.1 围护结构

    围护结构采用800mm 厚地下连续墙，明挖顺作法施工。西端头井基坑开挖深度约19.2m，地连墙深36.5m，设置五道支撑，第1道为混凝土支撑，其余为钢支撑；东端头井基坑开挖深度为18.6m，地连墙深35.5m，设置五道支撑，第1道为混凝土支撑，其余为钢支撑；标准段基坑开挖深度为17.3m，地连墙深35.5m，设置五道支撑，第1道为混凝土支撑，其余为钢支撑。

3.2 监测内容

    对基坑施工期间基坑(及支护体)变形和其影响范围内的环境变形、被保护对象以及其它与施工项目有关的内容进行监测，以便及时全面地反映基坑围护体的变化情况，实现基坑围护主体工程的信息化施工。为施工参数、预估发展趋势、确保工程质量及周边管线的安全使用提供实时数据，为优化施工方案提供依据，同时积累区域性设计、施工、监测的经验。因此，根据昆明路站基坑的实际工程情况及《建筑基坑工程监测技术规范(GB50497-2009)》和基坑设计施工说明相关规定，需进行以下项目^[4]的监测，具体监测布置图如图1所示。

    (1) 墙顶水平位移、沉降监测：测钉49个；

    (2) 围护体定向水平位移监测(测斜)：测斜管18根；

    (3) 钢支撑轴力监测：15个断面，每个断面五个(端头井处增加3个)，轴力计共78个；

    (4) 地下水位监测：观测井11口，微井承压六口；

    (5) 地下孔隙水压力、土压力监测：水压力和土压力计共24个；

    (6) 基坑周围地表沉降监测：圆头测钉约110个；

    (7) 基坑隆起监测：回弹管39根；

    (8) 基坑地表沉降变形监测：鼓形测钉约160个；

    (9) 基坑周围地下管线沉降变形监测：钢筋管线50个；

    (10) 围护体钢筋应力监测：钢筋应力计80个；

    (11) 分层沉降监测：分层沉降管六个。

3.3 监测频率

    根据设计要求及相关规范规定，昆明路站基坑的安全等级为一级。各项目的监测频率规定如下：

    (1) 基坑开挖1～7天：每隔12小时观测1次；

    (2) 基坑开挖7天后：各项目一天观测1次；

    (3) 主体施工中：各项目二天观测1次；

    (4) 主体结构完成后：各项目七天观测1次。

    若遇险情应随时增加监测频率，待主体施工完成趋于稳定后停止观测。同时为保障监测数据不受温度影响应定时对监测项目进行监测，时间设为上午8～11am和下午2～5pm。

4  监测结果与分析

    基坑的开挖过程^[5]是基坑开挖侧土体卸荷的过程，由于卸荷而引起坑内外土体原始应力状态的改变，作用在支护结构上的土压力使支护结构产生向基坑内的移动，即支护结构水平位移，同时坑外土体产生侧向滑移，引起地表开裂及垂直变形。其中维护结构水平位移以及支撑轴力的变化是基坑工程变形信息化监测的关键指标。

    为减少人为的错误、保证监测数据合理、正确，数据在现场采用计算机记录，数据自动传输。由于篇幅所限，本文为了反映昆明路站整个基坑在施工过程中的变形监测情况，采取区域集中选取相关测试项目的原则，以达到数据反映测试结果的目的。从昆明路站基坑工程实际监测数据出发，将选取围护体定向位移和支撑轴力为研究对象，分析基坑开挖过程中监测数据，预测基坑变形情况，具体监测点如图2所示。

    图2中CX10是监测支撑轴力的轴力计监测点；F250328、F250306 和F200360是监测围护体定向位移(测斜)的测斜管监测点。

4.1 围护体定向位移(测斜)

    图3所示为昆明路站基坑第7段开挖后测斜点CX10在不同开挖时刻变形沿深度分布曲线。

    由图可知，2010年7月初，当第7段基坑开挖较浅，如在5m以下时，在基坑顶部混凝土支撑的作用下，基坑顶部变形较小，曲线变形较平稳。7月11日至8月初，随着基坑的继续开挖深度加深，地下连续墙墙体所承受的侧向土压力随之增大，地下连续墙水平位移迅速增大，但增大的幅度并不大。此时CX10测斜孔水平位移形状变逐渐变为弓形，且已经超过报警值24mm。其原因是本段开挖完成，属于正常变形。因此，在基坑施工过程中，应该减小无支撑暴露的时间，及时架设钢支撑并施加适当的预应力。基坑开挖至基底后，随着钢支撑的全部架设，围护结构的水平累计逐渐趋于平稳，下降到正常水平。这表明支撑及基础底板所组成的支护体系能较好地完成基坑围护工作。

4.2 支撑轴力

    在第7段基坑开挖过程中，对与CX10在同一断面上的钢支撑轴力计进行监测，分别为F250306、F250328和F200360，数据如图4所示。

    由图4分析可知，基坑施工过程中，钢支撑的轴力并不是单调递增的，它有反复变化的现象。由于同一层其他钢支撑的预压及土体的回弹，钢支撑内力均经历了快速增加，然后逐渐减小的过程，随后在基坑开挖到坑底时达到其最大值，在坑底浇注完底板后无较大变化。钢支撑轴力均未达到轴力设计值，表明钢支撑是安全的，同时说明钢支撑轴力还有比较大的空间可以利用，应对设计方案进行优化。

5  结论

    以天津地铁3号线昆明路站深基坑为例，其基坑围护结构为在地下连续墙，对基坑围护结构水平位移、钢支撑轴力变化规律进行的现场监测，并对结果进行了初步分析，主要结论包括：

    (1) 在基坑开挖到一定深度而未架设支撑时，地下连续墙呈向坑内变形的前倾型曲线，地下连续墙墙顶水平位移在混凝土支撑的作用下较小，但随着基坑的开挖和钢支撑的施加，最大水平位移发生的部位也随之下移，说明钢支撑可以大大限制了地下连续墙的水平位移，因此，应尽量减少基坑开挖暴露时间，严格按设计方案开挖及架设内支撑。

    (2) 在基坑开挖过程中，基坑深度在到达钢支撑设计位置而未及时安装时，围护结构钢支撑内力变化随基坑开挖深度增加而增加，但并不是单调递增，有反复变化的现象；随着钢支撑的安装及基底浇注完底板后，基坑变形不再发展，变形趋于稳定。

    (3) 在基坑开挖过程中对基坑围护结构水平位移及钢支撑内力进行同步监测是基坑开挖实现信息化施工的关键。通过对天津地铁3号线昆明路站基坑工程的现场监测，可知基坑开挖过程中的施工监测及信息化施工是基坑安全的重要保证，建立完善的、成效显著的信息化施工监控体系至关重要，同时可以为类似城市地下工程的安全施工提供了有益的借鉴和参考。(陈伟珂 李金玲 张东涛)

参考文献：

    [1] 龙小梅,陈龙珠.基坑工程安全的故障树分析方法研究[J].防灾减损工程学报,2005,25(4):363～368.

    [2] 丁勇春,戴斌,王建华,等.某邻近地铁隧道深基坑施工监测分析[J].北京工业大学学报,2008,34(5): 492～497.

    [3] 刘润,闫澍旺,张启斌,等.天津地区地铁深基坑施工安全控制标准研究[J].岩土力学,2007,28(7):1511～1517.

    [4] GB 50497-2009,建筑基坑工程监测技术规范[S].