地铁车站基坑围护结构的施工监测与分析

许铁军

（中铁十一局集团有限公司 湖北武汉 430061）

地铁车站基坑围护结构的施工监测与分析

许铁军

（中铁十一局集团有限公司 湖北武汉 430061）

以郑州市地铁一号线西三环车站基坑为研究背景，通过对该基坑围护结构监测方案的设计，并对整个施工过程中围护结构桩体的水平位移、坑周地表竖向沉降以及钢支撑的轴力实施监测。监测数据分析表明：钢支撑能有效的减小围护结构的侧向变形；距离基坑越近，坑周地表沉降量也越大。总体来说，运用钢支撑联合钻孔灌注桩的围护形式稳定性良好，该围护结构的设计满足该工程的安全要求。

地铁车站基坑 围护结构 稳定性 现场监测

1 引言

随着我国城市建设的快速发展，城市轨道交通向三维空间发展也已成为我国各大城市的主流发展趋势，目前，我国北京、上海、广州、香港、天津等城市的地铁已悉数开通，还有武汉、苏州、郑州等许多城市的地铁也都正在新建。在地铁的建设中，不可避免的要产生地铁车站这一基坑工程。由于地铁车站一般都修建在商业文化中心以及人口和周围建筑较密集的地区，受施工场地的限制，地铁车站基坑的施工不能采取常规放坡开挖的方法。因此，对基坑围护结构的设计方法和施工技术展开研究对现代基坑工程的建设具有重要意义。而随着基坑工程规模的不断扩大，以及施工条件难度的逐渐增大，对围护结构设计的要求也逐渐提高，因此，如何控制围护结构的稳定性是一个十分重要的问题。

本文对郑州市地铁一号线西三环站基坑围护结构的监测方案进行了设计，并通过现场监测的数据对围护结构在基坑开挖过程中的变形规律展开了研究，并根据研究的结构来评价该地铁车站基坑围护结构的稳定性和设计方案的合理性，并希望通过本文的研究为类似工程提供借鉴和一定的指导。

2 工程概况

1.1 站址环境

西三环站位于西三环立交和建设西路十字交叉路口东北象限的绿地里，车站呈东西向布置，西接凯旋路站，东接秦岭路站。西三环立交桥西北、西南象限均为三、四层民房，东北象限为在建的金源城上城住宅小区，东南象限为柿园水厂家属院，站址西边为西三环立交、东边为电力厂区。本站共设3个通道4个出入口，四组八个风亭。

1.2 水文地质条件

本区场地临近无河流通过，西约1 km处有西流湖，湖底标高105.0 m，湖水深1.0～1.5 m，底部淤泥厚度1.5 m左右，西流湖地表水体与地下水之间以垂直渗透补给为主。本区浅层含水层岩性以粉土、粉质粘土为主，属松散岩类孔隙潜水，地下水类型为潜水。勘察期间地下水位埋深15.1～15.6 m，在勘探深度内，揭露的含水层为松散岩类孔隙潜水，含水层岩性以粉土、粉质粘土为主，该含水层属弱透水层，富水性较差，降深5 m的单井涌水量＜100m3/d。本场地地下水对混凝土结构没有腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋有弱腐蚀性，同时对钢结构也有弱腐蚀性。

由该地铁车站基坑的地质勘察报告可以看出，该场地地层主要以上更新世及其以前的土层为主，局部层位存在砂土，土层分布较为均一，根据规范要求本场地稳定性满足要求，适宜本工程建设。该工程各土层具体的物理力学性质见表1。

表1 地基土物理力学性质参数表

3 围护结构设计方案

本车站附属通道、风道标准段基坑深度10 m左右，因通道、风道跨路口设置，通道受现场施工场地限制，没有放坡开挖的条件，故围护结构采用Ф 800@1 200 mm的钻孔灌注桩联合钢管内支撑的工法，桩插入深度4～5 m，桩间采用100 mm厚网喷砼支护，桩顶设置钢筋混凝土冠梁，钻孔灌注桩和冠梁均采用C30混凝土，中间挡墙也采用C30混凝土。基坑竖向设2道钢管内支撑保持稳定，钢管支撑采用Ф 609 mm（壁厚14 mm）的钢管，支撑水平间距一般为3.5～4 m。基坑围护结构的剖面布置样图如图1所示。

图1 基坑围护结构剖面布置图

4 监测方案

为了保证基坑的施工安全和周围环境的安全，需要对基坑施工全过程进行监测，以便及时掌握基坑开挖整个过程中围护结构的桩体位移、坑周地表的沉降以及钢支撑的轴力等的变化情况。并通过实际监测数据对施工质量进行反馈，以便及时对设计进行调整，从而实现信息化施工。根据该基坑周围地形地貌特点和周围建筑物分布情况，并结合本项目自身地质条件的基础上，根据规范要求和本项目设计技术要求主要对表2中的项目进行监测。各建材项目具体的监测点位布置如图2所示。

表2 监测项目与监测周期

图2 西三环站基坑监测点位布置图

5 监测结果分析

本次监测是从基坑开挖开始实施的，截止该基坑工程主体结构施作完毕，已累计进行施工监测175 d，整个基坑的关键施工阶段如表3所示，为了分析施工过程中该工程的稳定性，现选取部分监测数据进行分析。

表3 西三环站基坑关键施工阶段

5.1 桩体水平位移

为了对各整个施工阶段围护结构的变形进行跟踪监测，在该基坑的四周共布设了6个测斜孔，本文仅选用南侧的测斜点CX2的监测资料进行分析，现将CX2的监测数据整体如图3所示。由图3可以看出：

（1）在基坑刚开挖时，由于基坑土体的突然卸荷，坑周土体对围护桩的侧向挤压作用使基坑发生向内侧的变形，但是由于开挖深度较浅，桩体各点的水平位移都很小，桩体变形曲线呈前倾型。

（2）随着基坑的继续开挖和第一道钢支撑的施作，桩体各点的侧向变形明显增大，并且在深度为5 m处达到最大，最大值为4.31 mm，而由于基坑开挖尚未结束，坑内土体能够对坑周土体的侧向挤压有一定的阻止作用，使桩体下部受开挖的影响较小，水平位移也还较小。另外，桩体变形曲线也由前倾型向弓形发展。

（3）在施作第二道钢支撑后，桩体水平位移最大发生的位置明显下移，当达到深度为7～8 m处达最大。另外，受第一道钢支撑和围护桩的协同作用，桩顶的水平位移变化很小，这说明通过施作钢支撑可以有效的减小基坑围护桩的侧向变形。

（4）从基坑开挖完成到，折除第一道钢支撑的过程中，桩体不同深度处各点的水平位移发展较慢，这说明了钢支撑联合钻孔灌注桩的支护结构能有效的抵抗坑周土体对基坑的挤压作用，极大的提高了基坑的稳定性。也可以看出，桩体最大位移是发生在距桩顶8 m处的位置，且最大位移为12.15 mm，在设计范围之内。虽然这种支护结构有效的抵抗了围护桩的侧向变形，但是考虑到基坑受时空效应的影响，各点的水

平位移仍在增大，因此，在基坑施工过程中，应尽量减小无支撑暴露的时间。

5.2 地表竖向沉降

为了研究该基坑在开挖过程中引起的地表沉降变化情况，在基坑的南北两个方向共布置了4个监测断面，各监测断面均布置6个沉降观测点，各点从围护桩开始依次以3m间距向外侧布置。本文仅选取监测断面DB1上的6个点的沉降观测数据进行分析，各沉降观测点沉降量随时间变化的曲线如图4所示。

由图4可以看出：

图3 各关键施工阶段CX2处桩体水平位移曲线

图4 地表沉降量随时间变化曲线

（1）随着基坑的开挖，各点的累积沉降量逐渐增大，且距离基坑越近，沉降量越大。其中DB1-1号点的累积沉降量最大，最大值为7.33 mm，远小于设计值规定的≦0.3 %H。DB1-6号点距基坑最远，在观测周期内的累积沉降量仅为1.39 mm。

（2）各观测点的累积沉降量曲线都经历了一个下降、上升、再下降、再上升然后又逐渐下降直至最终趋于基本稳定的过程。沉降量曲线下降是因为在基坑开挖过程中，由于坑内土体移除，使坑内地下水位降低，是坑周与坑内形成一定的水头差，使土体中产生渗透力，对坑周土体具有一定的压密作用，另外受坑内降水的影响，造成坑周土体排水，使坑周土体的自重应力增加，从而使其对自身也有一点的压密作用。因此，随着基坑的开挖，坑周土体的压密作用越大，累积沉降量也就越大。沉降量曲线在下降的过程中有两个上升的阶段是因为在基坑开挖过程中有两道钢支撑的施作，由于钢支撑对基坑侧向有挤压作用，使坑周土体有相对隆起趋势，导致沉降量有向上发展的趋势。

（3）从基坑关键施工阶段来看，在基坑开挖阶段坑周土体的沉降较大，而主体结构施作阶段的沉降较小，随着施工的不断推进，整个结构逐渐稳定，这说明了钢支撑联合钻孔灌注桩的支护结构在本工程中取得了良好的效果。

5.3 钢支撑轴力

为了研究该基坑在开挖过程中水平钢支撑轴力的变化情况，在基坑的四周分别布设四个监测点，分别在每个点处的第一、二道钢支撑上安装轴力计，共安装8个轴力计。本文仅选基坑南侧中部ZC1-1、ZC2-2所监测的数据进行分析，各轴力计随时间变化的曲线如图5所示。

图5 支撑轴力随时间变化曲线

由图5可知：

（1）第一道支撑的轴力在刚开始阶段基本呈线性增长，但当施工进度达35天时，即基坑施作第二道支撑的时候，第一道支撑的轴力有减小的趋势，这说明通过第二道支撑的施作，有效的缓解了第一道支撑的水平压力。随后随着基坑开挖深度的增加第一道支撑的轴力在波动中呈缓慢增加的趋势，但是在第110天施作底板时，第一道支撑的轴力又有所下降。这是因为施作底板后，使坑底形成了一个刚性的整体，也能够抵抗坑周土体对围护结构的挤压作用。随着主体结构的施工，第一道支撑的轴力都在小范围波动，这说明通过钢支撑的施作，有效的限制了围护结构的侧向变形，使该基坑的稳定性良好。

（2）第二道支撑在刚施加的初始阶段轴力增长非常迅速，从施作到开挖到坑底过程中由480 kN增至840 kN，但随着底板的施作，第二道支撑的轴力也和第一道支撑一样，有较为明显的减小，这也是由于底板的抵抗作用引起的，随后第二道支撑的轴力在波动过程中逐渐减小，直至第二道支撑的折除。

（3）比较第一、二道支撑轴力的变化情况可以看出，虽然两者都存在一定的波动，但是第一道支撑轴力的波动明显小于第二道支撑。这说明在基坑水平方向达到支撑中，第二道支撑承受的侧向挤压作用更强。

（4）另外从图中可以看到两者轴力的最大值均小于设计值，因此可以调整各道支撑的预加轴力，使得各钢支撑能够承担更大的轴力，更好的发挥其材料性能。

6 结论

本文对郑州市地铁一号线西三环车站基坑围护结构监测方案的进行了设计，并对围护结构的整个施工过程实施了现场监测。通过对监测数据的分析，主要得出以下结论：

（1）围护桩的侧向变形随着开挖深度的增加而增加，并且受钢支撑的侧限作用，桩体的变形曲线也由前倾型向弓形发展，并且最大位移发生的位置也逐渐下移。并且在开挖完成后，受时空效应的影响，围护桩的侧向变形还在继续变大，因此，应尽量减小无支撑暴露的时间。

（2）坑周地表的沉降随开挖深度的增加而不断增大，并且距离基坑越近，沉降量也越大。另外，钢支撑的对坑周土体的侧向挤压作用使坑周土体隆起，使各点沉降在下降的过程中，有短暂的上升阶段存在。

（3）钢支撑联合钻孔灌注桩的围护形式对基坑的侧向变形有较好的限制作用，并且水平位移量、竖向沉降量、钢支撑轴力均小于设计要求，说明该基坑的稳定性良好，且围护结构的设计满足该工程的安全要求。

[1]刘杰,姚海林,任建喜.地铁车站基坑围护结构变形监测与数值模拟[J].岩土力学,2010.31(增2)157～162.

[2]刘杰.黄土地区地铁车站基坑围护结构变形规律监测与数值模拟研究[D].西安:西安科技大学,2008.

[3]武朝军,陈锦剑,叶冠林.苏州地铁车站基坑变形分析[J].岩土工程学报,2010.32(增2)458～462.

[4]黄强.基坑围护工程设计技术[M].北京:中国建材工业出版社,1999.

[5]唐业清,李启民,崔江余.基坑工程事故分析与处理[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.

[6]胡伟.软土地层地铁车站深基坑开挖围护结构稳定性数值模拟分析[D].成都:西南交通大学,2003.

Monitoring and Analysis of the Construction of the Envelope Structure of the Foundation Pit in the Subway Station

XU Tie-jun
(China Railway 11th Bureau Group Co. Ltd., Wuhan Hubei 430061 China )

Combining with the foundation pit construction of the Xi San Huan stop of the No. 1 subway station in Zhengzhou, the design of the envelope structure of this foundation pit, the horizontal displacement of the piles of the envelope structure, the vertical settlement of the ground near the foundation pit and the axial force of the steel support were monitored. The monitoring data indicates that, first, the steel support can reduce the lateral deformation of the envelope structure; second, the vertical settlement of the ground is more serious near the foundation pit. In summary, the envelop structure of the steel support and the bored pile has a good stability, which shows that the design can meet the security requirement of the project.

foundation pit of the subway station envelop structure stability field monitoring

U231

A

1673-1816(2014)01-0007-06

2013-11-26

许铁军（1976-），男，工程师，学士，研究方向土木工程。

收稿日期：2013-11-26

作者简介：孙世芳（1973-），河北沧州人，男，汉，本科，工程师，研究方向隧道工程。