地铁明挖车站深基坑围护结构变形监测分析

摘要：本文根据地铁车站深基坑围护结构形式，确定了土方开挖的合理施工工况顺序。基于基坑土方開挖过程的监测结果，阐述了围护桩桩身位移、桩外土体沉降和桩身弯矩等变化规律，分析了监测数据变化产生的原因，为相似工程提供施工参考。

关键词：深基坑；围护结构；变形监测

中图分类号：TU463 文献标示码：A文章编号：

Subway Open-cut Station Deep Foundation Pit Structural Deformation Monitoring and Analysis

Gao liang-yan， Wang zhen-xing，JI Zhi-yang

(Henan Fifth Construction Group，Zhengzhou，Henan，450007)

Abstract：Upon the envelope structure ofsubway deep foundation pit，the sequence of reasonable construction conditions was determined in this paper. Based on the results of monitoring by the excavation process，displacement pile body、settlement of soil outside pile and variation of bending moment were dicussed，and the reason of monitoring data changes was analyzed. The reference experience was provided for the same projects.

Key words：deep foundation pit，envelope structure，deformation monitoring

0 引言

随着地下轨道交通工程事业的发展，深基坑工程在我国迅速开始建设，基坑在深度方面越挖越深，深基坑开挖过程的安全性成为亟待解决的重要问题。本文以郑州市快速轨道交通桐柏路地铁站明挖深基坑施工技术研究为工程背景，结合深基坑开挖的施工特点，考虑时空效应作用，合理划分了深基坑开挖过程施工工况顺序；分析了开挖过程中围护结构桩顶位移、桩身测斜、桩身弯矩变化和基坑外土体沉降等一系列问题，为此类地铁车站基坑开挖安全性问题提供了经验参考。

1 工程性质与场地条件

1.1 工程概况

郑州市轨道交通一号线1期工程桐柏路地铁站车站，为地下二层岛式车站，顶板埋深1.8m，车站总高13.96m，全长275.9m。车站东西两端均采用盾构法施工，车站主体结构为箱型框架结构，采用明挖顺做法施工，主体围护结构采用钻孔灌注桩加钢管内支撑组合形式。钻孔灌注桩为Ф1000@1200，钢管内支撑采用Ф609壁厚t=14mm。

1.2 工程地质条件

工程位于郑州市西区，场地位于黄河冲洪积平原，起伏不大，主要为市政道路。在车站基坑埋深16m的范围内共分5层，各土层的物理力学性质见表1：

表1 地层物理力学指标表

2 地铁深基坑开挖过程分析

本工程围护结构采用排桩加内支撑的组合形式，合理确定基坑开挖方式，是车站安全施工的关键所在。根据“开槽支撑，先撑后挖，分层开挖，严禁超挖”的原则，对此基坑开挖分四个开挖施工工况进行。

2.1 基坑开挖工况确定

本基坑采用盆式开挖方式，先开挖基坑中间部分的土，周围四边留土坡，土坡最后挖除。这种开挖方式的优点是周边的土坡对围护桩结构产生被动土压力，提供了反向的支撑作用，有利于减少围护桩的变形，但缺点是土方要重复倒运，不能直接外运。

考虑基坑开挖时空效应作用，四个开挖施工工况为：

①第一工况，开挖基坑深度1.2m，架设第一道钢支撑，施工轴力；

②第二工况，开挖基坑深度6.7m，架设第二道钢支撑，施加轴力；

③第三工况，开挖基坑深度11.7m，架设第三道钢支撑，施加轴力；

④第四工况，开挖基坑深度15.3m，清理基底，开挖完毕，施作垫层。

2.2 基坑开挖过程

按照已经确定的基坑开挖施工工况，进行基坑开挖，具体开挖过程见图1~图2所示。

图1 基坑土方开挖横剖面图

图2 基坑土方开挖纵剖面图

3 深基坑开挖变形监测分析

基坑开挖过程变形监测非常重要，是影响和分析基坑开挖安全性的关键。桩体的位移，桩外土体的沉降、桩身弯矩变化等是深基坑开挖工程监测的重点，本文选取位于深基坑标准段中间部位的观侧点数据进行回归分析，得出一系列监测结果。

3.1 桩身位移监测结果分析

图3显示了观测点围护桩桩身位移测斜监测结果。

图3 观测桩桩身位移图

从图3可以看出，围护桩支护体系的水平位移在15mm以内，第一次开挖后围护桩的水平位移几乎没有变化，第二次开挖后，围护桩最大位移在坑深3.0m左右，最大为4mm，第三次开挖最大水平位移达到8mm，位置在坑深5.5m处，第四次开挖最大水平位移继续增大到13mm，深度在6.8m左右。坑底处的围护桩位移不大是因为坑内土体的嵌固作用。

图3中开挖基坑的深度不大时，桩身的时间—变形曲线像“扫把形”，也就是桩底位移小，桩顶位移大；当基坑开挖越来越深时，围护桩的变形呈现出“大肚子形”，这充分反映了在深基坑开挖中钢支撑对围护桩刚度的影响，它将大大的限制桩身的位移。

图3中表明桩顶位移随开挖深度增加而不断增加，但是到开挖基底后，由于钢支撑作用，桩顶位移会趋于平稳。

3.2 桩外土体沉降监测结果分析

图4显示了围护桩外部的土体在开挖过程中的变形过程。

图4 桩外土体沉降变化图

基坑开挖后由于土体的水平应力作用使得围护桩产生变形，从而导致围护桩外的土体产生沉降，通过图4可以看出，随着开挖过程的进行，桩外土体沉降不断增加，最大位置距坑边15m处，最大沉降量为21mm。离桩比较近的土体的沉降量不大是因为土与桩摩擦而阻碍了土体的下沉，靠近桩附近土体沉降故而不大；而离基坑越远，开挖的效果对土体的沉降影响越小，大致在三倍坑深附近变形趋于稳定。

3.3 桩身弯矩变化分析

围护桩在开挖过程中的桩身弯矩变化见图5所示。

图5 基坑开挖桩身弯矩变化图

在深基坑开挖过程中，围护桩的桩身承受土体与支撑结构的水平荷载产生的弯矩随着开挖深度的增加而不断增大，并且最大弯矩值不断往下移动，最大弯矩发生在第四开挖过程，为-1839kN•m/m，与围护桩的极限弯矩设计值对比可知，处于安全状态。从另一方面看，随着开挖深度的增加，支护桩的正向和负向的弯矩都逐渐增大，这对支护桩来说，必须增加截面尺寸和钢筋的配筋量才能够抵抗随开挖不断的桩身弯矩，而围护桩的双向配筋也能充分抵抗桩身弯矩正负变化的影响；从桩身入土深度方面看，支护结构的埋深应该满足一定的要求。国内外研究也发现，在保证基坑底部不隆起的前提下，同时就是埋深满足最小值的要求下，支护结构的埋深与围护桩的位移关系不大。因此，合理设置桩的入土深度，调整支护桩的正向和负向弯矩值才能够充分发挥材料的作用，做到对桩的优化设计。

4 结语

本文根据郑州地铁桐柏路站深基坑围护结构形式特点，考虑基坑开挖的时空效应作用，合理划分出土方开挖的施工工况顺序。根据监测结果，描述了土方开挖过程中围护结构桩身位移、桩外土体沉降、桩身弯矩变化等规律，分析了这些指标变化产生的原因，指出监测结果指导基坑土方开挖的科学性和合理性，为同类型工程提供了施工参考依据。

参考文献：

[1] 刘建航，候学渊. 基坑工程手册[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1997.

[2] 龚晓南，高有潮. 深基坑工程设计施工手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社,1998.

[3] 中华人民共和国行业标准. 建筑基坑支护技术规程[S]. JGJ120一99.

[4] 谭菊香. 某地铁车站深基坑支护工程监测与分析[D]. 长沙: 中南大学，2006.

[5] 郑州市轨道交通1号线桐柏路站设计说明[Z]. 西安: 铁道第二勘察设计院，2008.8.

[6] 郑州市轨道交通1号线工程工程可行性研究报告[R]. 成都: 铁道第四勘察设计院，2008.8.

作者简介：

高良艳，女，1979年出生，本科毕业，助理工程师，主要从事土木建筑施工技术工作。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。