深软场地地铁车站深基坑开挖变形实测

摘要:研究目的:对某大型地铁车站深基坑开挖过程中的软弱场地变形监测结果进行了统计分析，对基坑开挖引起的地面沉降、墙体水平位移和立柱桩体沉降的时空变化规律进行了整体分析，尤其是对不同基坑开挖深度对基坑变形速度的影响规律进行了总结。相关的结论和建议对城市软弱地基内地铁车站深基坑的变形监测方案设计、施工组织设计和施工安全控制等都具有一定的参考价值和指导意义。

      研究结论:( 1) 在深软场地深基坑开挖完成后地铁车站主体结构施工过程中拆撑可能造成地面的沉降比基坑开挖过程中产生的累积沉降还要大，应加强地铁主体结构施工过程中地面的沉降观测; ( 2) 基坑侧壁水平累积位移与每次开挖土层厚度及其土层性质关系密切，随着开挖土层埋深的增大，基坑侧壁水平累积位移累积速度明显加快; ( 3) 当基坑开挖深度有较大差异和基坑底部土层厚度分布极不均匀时，应考虑验算立柱桩的差异沉降; ( 4) 软弱场地深基坑工程开挖引起的场地变形时空效应非常明显，随着开挖的进行，应沿纵向按限定长度逐段开挖，在每个开挖段分层、分小段开挖。

关键词:地铁车站; 基坑开挖; 现场监测; 软弱场地

 

      城市大型复杂地下工程结构的施工将对周围城市生命线工程和地面结构的安全构成严重的威胁，大型复杂地下工程的超大规模施工开挖，直接破坏周围地基的原应力平衡场，引起周围地基土体的大变形，从而导致周围城市生命线的断裂或爆炸，以及地下结构周围的地面沉降。

      在大型地下结构深开挖过程中地基的沉降与变形主要是由两个方面造成的，一方面是开挖引起地基应力状态的改变而产生的沉降和变形; 另一方面主要是由于地下降水导致地面沉降及其对环境的影响^［1］。目前对该问题的研究手段主要为现场实测数据分析和计算机数值模拟研究^{［2 －7］}，通常的做法是首先对现场实测数据进行统计分析，在此基础上采用数值计算方法建立力学分析模型，然后通过数值计算结果与实测数据之间的对比分析，验证数值计算方法的可行性和可靠性。但是，到目前为止，由于数值计算方法对工程实际情况的模拟存在诸多急需解决的难题，因此，工程上主要还是采用现场监测技术对深开挖引起的环境效应进行监控，通过不断对不同时刻监测数据的对比分析，根据监测数据的信息反馈，对施工过程、施工工艺和相关设计做出应有的变更和工程事故应急措施。虽然现场施工监测能够有效地获得动态施工效应的信息，但无法对工程施工的不确定因素进行有效的预测与控制，往往会导致工程事故应急措施的失效和工程造价的失控。造成严重的经济损失和社会影响。因此，如何有效的结合数值计算预测方法和必要的现场监测技术仍是近阶段该课题急需解决的问题。

      本文基于上海深厚软弱地基上某大型地铁车站深开挖的实际工程为背景，对开挖过程中获得的场地变形实际监测资料进行了统计与分析，对该深基坑开挖引起的场地变形时空变化规律进行了总结，以此为基础，为下一步进行该工程深开挖的数值模拟分析与研究提供必要的指导和论证。

 

      拟建车站北端是道路，路北侧为居民住宅; 车站东端为大型购物超市和某公司货栈; 以南为现状火车站货场。场地内原有储油设施、运输轨道、轨道和各种管道等已全部移走，原有建筑物也已被全部拆除并经过平整，整个地块已用围墙圈定作为开发用地。该车站主体为地下双层岛式车站，沿线路呈南北走向，车站全长约 489 m，车站结构顶板覆土厚度为 2． 5 m，换乘处结构底板埋深约 22 m，从换乘处往南约 150 m 底板埋深约 16 m，再往南直到车站里程终点处底板埋深约26 m。车站围护结构采用地下连续墙，47 轴以南墙厚1 000 mm，47 轴以北墙厚 800 mm。车站采用明挖法施工，即开挖至坑底后顺筑车站底板、中板、顶板、内衬和其他结构，基坑第一道支撑主要采用间距为9 m的800 mm × 800 mm 的钢筋混凝土支撑，第二道 ～ 第六道支撑采用间距为 3 m 左右的直径为 609 mm 的钢管支撑。车站所在场地地质条件如表 1 所示，其中④₁层灰色淤泥质黏土，具有高含水量和大孔隙比、高压缩性和低强度、高灵敏度和弱渗透性，易在临空面处因流变而产生较大的变形，埋深约 7 ～8． 5 m，层厚约 8 ～9m 左右; ④₂层灰色砂质粉土为粉性土，在一定动水压力条件下易产生流砂、管涌等现象，埋深约 16 ～17 m，厚度约 5 ～7 m; ⑤_{1 － 1}层灰色粉质黏土均属高压缩性软黏性土，灵敏度高、强度低( 扰动后强度更低) ，易在临空面处因流变而产生较大的变形，埋深约 21 ～ 23 m，厚度约 4 ～6 m; ①₂层为地表暗浜填土，最大深度 4． 5m，呈灰黑色，含有机质、生活垃圾、砖块、煤渣、石块、混凝土块等，土质松散。

      车站采用明挖法施工，第一道混凝土支撑完成施工完后才开始第二批土的开挖，开挖顺序为从 57( c)轴到 37 轴的开挖方向，第二批土开挖近一半时开始开挖第三批土，第三批土开挖接近一半时开始第四批土的开挖，第四批土完全开挖后才进行第五批土的开挖，待第五批土开挖完成后再进行第六批土的开挖。根据车站结构的纵断面特点及其工程地质特点，采用如表 2的基坑施工开挖工序。

      本工程段分别设置了 23 个围护墙顶沉降位移监测点、23 个围护墙体水平位移监测点、6 个坑外地下水位监测孔、12 个立柱沉降监测点、30 个地表沉降监测点、16 个导墙监测点、4 个土体回弹监测点和 27 个支撑轴力监测点。监测点的布置图如图 1 所示。

 

      基坑开挖引起的地面沉降往往对邻近建筑物地基产生不良影响，主要表现为邻近地面结构产生不均匀沉降裂缝或更为严重的地面建筑物倒塌。本工程根据基坑平面分布特征和工程地质条件，沿基坑长边共布置了三个断面的地面沉降观测面。以 40 mm 为地面沉降报警值，根据监测结果，在第六批土挖完时 J7 －2监测点的地面沉降实测值超过了报警值，在基坑回填前，J7 －1 ～ J7 －3 和 J8 －1 ～ J8 －4 监测点的实测值都超过了报警值，且这些点都位于基坑的最南侧观测断面上，主要原因为该观测断面的上部地层正好穿越约4． 5 m 厚的暗浜，因暗浜填土土质松散，基坑开挖时容易产生土体坍方和流变现象，对浅部基坑开挖稳定性产生不利影响，设计、施工时须引起注意，同时，该处开挖深度为最深( 约 22 m) 。

      图 2 ～ 图 4 给出了不同开挖深度时三个观测断面上地面沉降曲线，由图可知，由于受到地下连续墙的影响，离基坑壁最近的观测点的沉降相对较远观测点的沉降要小，其他观测点的沉降基本都是随着与坑壁距离的增大而逐渐减小。随着开往深度的增加，各点沉降实测值基本都是增大的。沉降梯度较大的区域主要位于距离基坑 14 ～24 m 范围内。图 5 给出了最终沉降较大的观测点 J7 － 2 和 J8 － 2 的地面沉降时程曲线，由图可知，第 2 批土和第 6 批土的开挖对地面该两点的沉降影响明显比其他四次开挖要大，同时，在基坑第六批土开挖结束之后在 J7 －2 点的沉降观测值发生了明显的快速增长，主要与在该观测断面南部近 56 ～57c 轴处发生明显的流砂现象有关，同时也与该处的底板浇筑较迟有关。

      根据地下连续墙的水平位移可以预测基坑侧面地基的水平向变形和间接评价基坑地下连续墙的弯矩值，从而动态控制基坑开挖对侧向地基中地下管线的破坏和基坑围护结构的破坏等，本工程沿着地下连续墙每隔 6 m 左右的距离共布置了 23 个测斜孔，且都尽量避开支撑预埋件的位置。根据工程规定，测斜孔观测值的报警值为日变化量为 3 mm，累计变化量为59 mm。根据实测结果，CX18 孔在开挖第六批土刚完成时在 － 21 m 处的水平累积位移为 62． 55 mm，超过报警值，以后随着第 6 批土的不断向南开挖，CX17 ～CX13 孔的水平位移累计值依次超过报警值，总的累积水平位移最大值也由 CX18 孔转移到 CX15 孔的－ 21 m 处，最大累积水平位移为 73． 42 mm。

      图 6 给出了分别位于不同观测断面处的测斜孔位置土体开挖完后最终水平累积位移曲线，由图可知，同一观测断面处的基坑两侧壁的最终水平位移累积曲线相差不大，但不同观测断面处的最终水平位移累积曲线相差较大，主要影响因素为基坑的开挖深度不同，其次为该处土层条件也有一定的影响。图 7 和图 8 分别给出了不同位置测斜孔的水平位移位移累积曲线随开挖深度变化而变化的情况，可以看出，第 4 批土和第5 批土的开挖对基坑侧壁的水平位移的影响明显比前三批次土的开挖影响要大，同时第 5 批次土的开挖明显比第 4 批次土的开挖影响要大的多，根据分析，基坑侧壁水平累积位移与开挖深度和每次开挖土层性质关系密切，第4 批次和第5 批次开挖的土层为④₁层灰色淤泥质粘土，易在临空面处因流变而产生较大的变形。同时，随着开挖土层埋深的增大，基坑侧壁水平累积位移累积速度明显加快。图 9 给出了位于 48 轴断面处在第 5 批土开挖过程中 CX23 测斜孔实测水平位移位移累积曲线的变化规律，由图可知，随着土层开挖接近48 轴时，水平位移位移累积值逐渐变大，且增加速度越来越快，当土层开挖超过 48 轴时水平位移累积值继续增大且增大速度也较快，当随着土层开挖至距离 48轴较远的 52 轴时与较近的 50 轴的水平位移位移累积曲线基本重合，即水平位移累积曲线趋于稳定。

      立柱起到把基坑内支撑的自重传到立柱桩上承担，在该竖向荷载作用下，立柱桩将产生一定的沉降，该沉降变形将对基坑内支撑的稳定性产生必然的影响，将导致内支撑产生偏心受压，甚至产生基坑内支撑的失稳。本工程共设置了 12 个立柱沉降观测点，立柱累积沉降的报警值定为 20 mm，根据实测结果，LZ5 ～LZ10 的实测立柱累积沉降于第 4 批土开挖完后都达到了报警值，且 LZ10 的沉降最大。但随着第五批土开挖完，LZ2 ～ LZ10 的累积沉降都超过了报警值，且LZ5 的累积沉降值最大，达到 33． 58 mm，根据立柱桩的桩长设计结果，LZ5 ～ LZ10 处的立柱桩进入⑦₁层的长度明显比 LZ1 ～ LZ4 的要短很多，从而导致立柱桩侧土层所提供的摩阻力明显要小，从而导致 LZ5 ～LZ10 处的立柱桩的沉降相对偏大。

      图10 给出了不同开挖批次下立柱桩的累积沉降变化曲线，随着开挖深度的增加，立柱桩的沉降值也越来越大，尤其是第5 批土开挖完时 LZ4 和 LZ5 的沉降差达14． 32 mm，这将对该部位的内支撑产生较大的影响。

 

      本文对深厚软弱地基上某大型地铁车站深基坑开挖的变形监测结果进行了分析，对土体不同开挖批次条件下基坑周围地面的沉降、基坑侧壁水平位移和立柱沉降的变化规律进行了对比分析，根据分析结果，得出如下的结论与建议:

      ( 1) 深基坑深层土的开挖对地面沉降的影响相对较大，尤其是深土层开挖过程中应及时加撑和加快车站结构底板的施工速度。同时，在基坑开挖完后地铁车站主体结构施工过程中拆撑施工可能造成地面的沉降比基坑开挖过程中产生的累积沉降还要大，应加强地铁主体结构施工过程中地面的沉降观测和合理施工;

      ( 2) 基坑侧壁水平累积位移与开挖深度和每次开挖土层厚度及其土层性质关系密切，随着开挖土层埋深的增大，基坑侧壁水平累积位移累积速度明显加快;

      ( 3) 立柱桩的设计要充分考虑桩侧土体工程地质条件，当基坑开挖深度有较大差异和基坑底部土层厚度分布极不均匀时，应考虑验算立柱桩的差异沉降;

      ( 4) 基坑工程开挖引起的场地变形时空效应非常明显，随着开挖的进行，应沿纵向按限定长度逐段开挖，在每个开挖段分层、分小段开挖，随挖随撑，按规定时限开挖，及时安装支撑并施加预应力，按规定时间施工底板钢筋混凝土，减少暴露时间;

      ( 5) 本文对深厚软弱地基中某大型地铁车站深基坑的变形监测结果进行了分析，主要目的之一是对细长平面深基坑开挖的时空变形规律进行总结与分析，另一个主要目的为后继建立考虑流固耦合和软弱土体材料非线性的三维有限元分析模性对该工程的深开挖过程进行数值仿真分析做出前期的准备。