基于动态监测的地铁深基坑变形机理分析

2014-02-19翟天琦吕世充范新宇罗学东

地理空间信息 2014年6期

翟天琦，陈曌，吕世充，范新宇，罗学东

（1.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北武汉430074；2.湖北省测绘宣传中心，湖北武汉430071）

随着城市现代化进程的加快，由人口聚集造成的地面交通拥挤问题日益突出[1]，地铁作为缓解地面交通压力的一种交通手段已经被各大城市广泛采用。当前，地铁车站基坑开挖深度已经达到了20～30 m[2]，随着开挖深度的增加，地质因素和环境因素对基坑的影响更加难以控制，因此在施工过程中建立合理、规范、完善的施工安全监测体系已经成为深基坑建设过程中必不可少的环节[3]。

当前，动态监测已经发展成为一门较为成熟的技术，被广泛应用在道路、管线、建筑物沉降及基坑变形等方面[4,5]。本文基于武汉某地铁深基坑项目，通过测量手段对基坑的变形和内力变化展开动态监测，分析了围护结构冠梁水平位移、周围地面的沉降和钢支撑的轴力变化，并对基坑变形和内力变化的原因进行分析，得出了有益的结论，对指导同类工程安全施工起到了一定作用。

1 基坑概况及监测方案

1.1 基坑概况

武汉某地铁车站深基坑工程采用1 000 mm厚地下连续墙作围护结构，车站开挖深度为25.5 m（端头井开挖深度为27.1 m），竖向设4道支撑，基坑安全等级为一级。经调查，基坑西北方有一栋8层砼结构楼房，东北部为一座28～31层高程砼结构建筑，西南角为在建高层砼结构楼房，周围环境较为复杂。

场区地貌单元属长江Ⅰ级阶地河流堆积平原，地形平坦开阔，地面高程23.80～24.60 m。开挖范围地层从上到下依次为填土、粘土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土夹粉土、粉质粘土、粉土、粉砂互层、粉细砂层，车站底板位于粉土、粉砂互层之间，地下连续墙墙趾位于细沙层。

1.2 监测内容

结合基坑设计规范[6,7]和现场实际情况，确定具体监测内容如下：地下连续墙的水平位移监测（27点）、地下连续墙沉降监测（27点）、周围地面沉降监测（84点）、钢支撑轴力监测（40个）。

1.3 测点布设及监测方法

该地铁深基坑测点布置如图1所示。

图1 基坑测点布置平面图

1）冠梁水平位移监测。根据设计要求和现场情况，地铁车站深基坑范围内共设15个断面，其中车站最西边和最东边及东南3个断面各一个测点，其余每个断面2个测点，共布设27个测点，采用Leica TC1201全站仪测量，测量精度均为1 mm。

2）地表沉降监测。该车站深基坑按间距25 m布设一个断面，共设11个断面，每个断面布8个测点，测点和基坑的距离分别为2 m、8 m、10 m、20 m。还布置了一部分不规则测点，测点共计84个，采用DINI03天宝电子水准仪、铟钢尺进行测量，测量精度为1 mm。

3）钢支撑轴力监测。根据基坑实际情况，在支撑上共布设40测点，钢支撑轴力采用轴力计进行监测。

2 基坑动态监测成果

2.1 冠梁水平位移

选择基坑不同位置、具代表性的4个测点进行分析，监测期间各测点水平位移变化如图2所示。监测期间，各测点位移呈现明显的不规则性，但整体位移是朝坑内发展的。在监测初期，当第1道钢支撑架设完成后，测点位移均有向坑外方向回弹的趋势，测点S2位移由坑内1.40 mm回弹到0.69 mm，S15点位移从坑内0.20 mm变化到坑外0.4 mm。在第2道钢支撑架设完成后，也出现类似情况，随着支护体系的完善，在监测中后期，基坑冠梁水平位移的变化稳定在一定范围内。

图2 冠梁水平位移-时间变化图

2.2 地表沉降

针对地表沉降，选取4个有代表性的测点进行分析，监测结果如图3所示。开挖期间基坑周围土体整体呈沉降趋势，但在监测初期，各测点均有不同程度的隆起，其中测点1A-2隆起位移达2.2 mm。随着基坑开挖的进行，各测点开始呈现沉降趋势。在第4道钢支撑架设之后，各测点位移基本趋于稳定。在整个监测周期内，地表垂直位移在-4.3～2.5 mm之间波动，并未超过警戒值。在基坑开挖至设计高程时，沉降量最终稳定在1.2～4.3 mm间，这表明基坑开挖导致的坑外岩土体变形被控制在合理范围内。

图3 地表沉降位移-时间变化图

2.3 钢支撑轴力

本文选取了4个具有代表性的钢支撑测点进行分析。由图4可知，钢支撑内力监测值总体呈上升趋势，在第1道钢支撑架设后，测点ZL-300301监测值由71 kN增加到231 kN。在第2道钢支撑架设后，测点ZL-300301轴力测值出现了一定程度的下降。在第4道钢支撑架设完成后，第2道钢支撑轴力由253 kN降低到237 kN。第3道钢支撑轴力则由358 kN降低到305 kN。在监测中期，第3道钢支撑轴力测值有一个上升过程，监测中后期各测点轴力相对稳定，随着第1、2道钢支撑的拆除，第3、4道钢支撑轴力均有一定程度的波动，但波动范围稳定在正常水平。

图4 钢支撑轴力—时间变化图

3 基坑变形及内力变化机理分析

对于冠梁水平位移，由图2可看出，在监测前期，基坑冠梁水平位移整体有向坑内移动的趋势。本文综合分析后认为，这是由于开挖扰动使原本平衡的土体应力出现失衡，墙后土体产生的压力使得围护结构有向临空方向移动的趋势；在监测中后期，基坑冠梁水平位移总体稳定，但存在一定突变，突变后的一段时间内会回归正常值。本文认为，冠梁水平位移在监测中后期总体稳定的原因是由于随着支撑结构的完善，墙后土体压力与支撑轴力之间达到了一个相对平衡的状态，但由于基坑开挖因素和外界因素的影响，监测点位移会出现一定波动，随着支撑轴力和墙后土体压力之间作用力的相互平衡，测点位移会逐渐回归到正常水平。

对于坑外地表沉降，由图3可看出，坑外土体整体呈沉降趋势，前期沉降趋势较为明显，监测到中后期的时候，坑外土体沉降位移稳定到一定水平。基坑的开挖引起基坑影响范围内岩土体应力状态的改变，应力的改变对土体沉降的影响在前期的表现较为明显，随着中后期支撑结构和维护体系的完善，基坑围护结构和坑外土体的压力达到相对平衡的状态，因此坑外地表沉降也会相对稳定。此外，测点距离基坑的远近也是影响沉降位移的一个关键因素，DT2-1测点沉降在后期明显大于其他测点，离基坑越远，开挖的效果对土体影响越小，影响范围一般为3倍基坑深。

在基坑监测期间，各支撑轴力整体呈现上升趋势，在第1道钢支撑架设之后，短时间内轴力呈现急剧上升趋势。其原因在于，基坑的开挖使得墙后土体对围护结构产生压力，第1道支撑的架设会承担一部分压力，使应力达到相对平衡的状态，随着支护体系的完善，后架设钢支撑的支撑应力并未出现急剧上升的情况。值得注意的是，第3道支撑在监测中期出现了急剧上升态势，分析认为在开挖初期，开挖面以上的土压力由静止土压力转为主动土压力，开挖卸荷带来的主动土压力作用于钢支撑上，造成支撑轴力在该段时间内迅速增加，但轴力总体上处于合理水平，反映出基坑支护结构架设比较合理。