卵砾地层深基坑非降水近距施工风险监控研究

程志鹏　朱雯蕾

(中交铁道设计研究总院有限公司，北京　100088)

卵砾地层深基坑非降水近距施工风险监控研究

程志鹏朱雯蕾

(中交铁道设计研究总院有限公司，北京100088)

摘要:结合北京地铁某车站主体基坑工程，介绍了帷幕注浆止水的排水方案及其控制措施，实现了基坑无水作业，并通过数值模拟结果与现场检测数据，评价了施工风险控制效果，指出除了达到黄色预警值的桩体变形应该加强监测外，基坑及周边环境均处于安全可控状态，且基坑围护结构及支撑体系参数仍然具有优化的空间。

关键词:地铁车站，基坑，非降水施工，风险监控

0　引言

目前，城市大深基坑的施工采用注浆止水已成为趋势，非降水施工的风险监控尚未形成系统的方法体系，国内的基坑施工风险控制的研究案例也主要集中在降水基坑的施工。为了丰富基坑施工风险控制经验、提高施工的安全性、预测环境风险，本文以北京某地铁主体基坑施工监控为背景，针对砂卵石地层开挖深度超过20 m的大深基坑非降水施工工程进行风险监控及分析，旨在提出复杂周边环境下、砂卵石地层大深基坑工程的风险监测要点及控制措施，为非降水深基坑工程的设计和施工提供指导。

1　工程背景

1.1工程概况

北京某地铁车站A站位于城市主道路北侧，东西走向布置，横跨道路交叉路口，与位于路口北侧南北走向的另一车站B站形成换乘。车站主体采用明挖法施工，主体基坑总长279.800 m，标准段总宽度13.800 m，基坑深26.7 m，车站主体基坑被B站换乘节点分为东西两部分，A站主体基坑贴近换乘节点施工，施工场地狭窄。

1.2工程条件

1)工程地质、水文地质环境差。所处地层主要为砂卵石层，地层孔隙率大，砂土层粘结性差，透水性好，这对基坑开挖极为不利;地下潜水位处于底板结构以上，基坑降水成为难点。2)周边建(构)筑物密集。主体基坑邻近多层商厦建筑物且换乘节点深基坑邻近高架桥。针对此类风险源，施工时需加强监控量测，采取相应的风险控制措施，保证安全。3)地下管线密布，错综复杂。4)与原有地铁车站B站相交。

1.3非降水施工措施

根据以往施工经验，城市的地铁车站的基坑开挖，一般采用管井降水施工实现基坑内无水作业环境。厚卵砾漂石地层的渗透性较大，降水形成的沉降槽大，同时，基坑周边建筑物密集、各种管线密布对地层沉降控制要求较高，传统的排水井降水施工方法不能满足施工对于沉降控制的要求。因此，采用帷幕注浆阻排水的非降水方法，对基坑封闭后结合明排方式(大口井)将水疏干，为结构施工创造无水作业环境。

2　基坑开挖数值模拟

采用有限元软件MIDAS-GTS对基坑开挖过程进行二维数值模拟，通过对基坑典型断面的开挖支护过程的模拟，评估、预测基坑开挖对基坑自身以及周边建筑物的风险性影响。

2.1计算模型的建立

考虑到边界效应，模型的计算范围选取如下:模型的左、右边界与基坑的侧边相距67 m，60 m(约为车站隧道跨度的3倍)，下边界与车站隧道的底边相距60 m，上边界取至地表;模型中的土体、既有建(构)筑物采用摩尔—库仑模型、平面单元进行模拟，围护桩、支撑以及管道单元则采用弹性模型、梁单元进行模拟;模型计算参数如表1所示;模型采用四边形网格划分，网格划分图如图1所示。

图1　模型网格划分图

2.2数值计算结果分析

1)桩体变形。由模型计算结果可以看出，随着基坑的开挖，桩体水平位移的最大值逐渐下移，随着支撑的逐步施作，桩体位移得到了有效的控制。基坑开挖完成后，桩体变形趋于稳定，最终桩体的变形及变形量如图2所示。

表1　模型计算参数

图2　桩体水平向位移云图（单位：mm）

2)桩顶位移。模型对桩顶水平位移的计算结果如图3所示，围护桩就位后桩顶向基坑内的方向发生小变形，基坑完成第一步开挖后，桩顶向内位移迅速增大，施作第一道支撑后位移得到约束，随着基坑的进一步开挖，左、右侧桩顶全部位移量逐步增大，施作第三道支撑后趋于稳定，最大位移量分别为3.04 mm和2.34 mm。

图3　桩顶水平位移历时曲线

3)高层商厦。基坑开挖完成后，高层商厦的竖向、水平向位移分别如图4所示。由位移云图可以看出:竖直方向上，高层商厦发生整体沉降，近基坑侧沉降略大，最大沉降值为5.88 mm，最大差异沉降为0.92 mm;水平方向上，高层商厦底部位移最大位移量为4.92 mm，相对位移量为2.1 mm。

图4　高层商厦位移云图（单位：mm）

4)高架桥。基坑开挖完成后，高架桥的竖向、水平向位移分别如图5所示。由位移云图可以看出:竖直方向上，高架桥整体略有抬升，靠近基坑侧的向上位移值较大，最大为0.57 mm，桥面差异沉降为0.46 mm;水平方向上，高架桥桩底向基坑侧变形，桥面则向相反方向发生位移，相对位移量为1.97 mm。

5)周边管线。数值模型中取四条典型管线进行沉降计算，管线的位置图如图6所示。随着基坑开挖的进行四条管线的竖向位移曲线如图7所示，由计算结果可知，变化最大的是污水管线D1 050沉降达到7.15 mm，其次是上覆土厚度较小的D500和 D2 200分别向上隆起4.50 mm和4.17 mm。

图5　高架桥位移云图（单位：mm）

图6　管线位置图

图7　周边管线沉降历时曲线（单位：mm）

3　风险控制效果评价

3.1基坑自身风险监测分析

1)桩体水平位移。选取基坑围护桩最大桩体水平变形一断面南、北侧对应一对测点数据进行分析，基坑围护桩最大桩体变形为15.1 mm;该监测断面挖至18 m深时，变形开始加大，直至挖至26 m深时，10 d内变形达10 mm左右，对第三、四道钢支撑加力后桩体向基坑外变形约2 mm;分析变形数据，桩顶2 m左右有冠梁锁定、桩底2 m有坑内土体锁定变形很小，最大变形在14 m～24 m之间，即第三、四道钢支撑部位，可见桩体变形与开挖深度和钢支撑轴力的施加密切相关，及时架设钢支撑并施加轴力可有效控制桩体变形，并且在钢支撑拆撑过程中，补加其余各层损失轴力，加强对桩体变形的关注。

2)桩顶位移。由桩顶监测数据记录可知，围护桩桩顶水平位移累计值最大为6.5 mm，累计值位于4 mm～5 mm之间的测点占总测点的50%，其余测点均小于4 mm。

图8　桩顶水平位移测点历时曲线

图8列出了典型基坑桩顶水平位移测点的变形历时曲线，可以看出，开挖初期变形不明显，随着开挖深度的增加，位移趋势加大，并且贯穿于整个开挖过程，当基坑开挖且底板混凝土浇筑完成后，位移曲线趋于平稳，钢支撑拆除对位移影响不大。

3.2周边环境风险源监测分析

1)高层商厦监测数据分析。由高层商厦测点监测数据可知，高层商厦最大沉降值为5.84 mm，累计差异沉降最大值为3.5 mm，两者均小于控制值。

图9　高层商厦典型测点历时曲线

从图9曲线可以看出，基坑开挖初期变形不明显，随着开挖深度的增加，特别是挖至第二道支撑的深度后，沉降趋势加大，并且贯穿于整个开挖过程中，当基坑开挖完成，沉降并未立即稳定，直至底板混凝土浇筑完成后，沉降曲线趋于平稳。1号点比2号点距离基坑较远，沉降量较小，两点差异小于控制值。

2)高架桥监测数据分析。由高架桥测点监测数据可知，高架桥最大沉降值为2.28 mm，沉降值90%以上集中在1 mm～2 mm之间，未超过控制值。

图10　高架桥典型测点历时曲线

从图10曲线可以看出，基坑开挖初期变形不明显，随着开挖深度的增加，变形趋势加大，并且贯穿于整个开挖过程中，当基坑开挖完成，沉降并未立即稳定，直至底板混凝土浇筑完成后，沉降曲线趋于平稳，1号点比3号点距离基坑较远，初期沉降量较小且变形相对3号缓慢，两点差异沉降小于控制值。

3)周边管线。从监测情况来看，地铁车站基坑施工重点监测的6条管线中以D1 050污水管的沉降最大，累计最大沉降7.52 mm，其次是D2 200雨水管，累计最大沉降为6.68 mm，均小于预警值10.5 mm，且各管线变化趋势较为平缓。

图11　周边管线典型测点沉降值曲线

从图11曲线可以看出，基坑开挖初期变形量不明显，随着开挖深度的增加，沉降趋势加大，直至底板浇筑混凝土后，部分沉降曲线趋于稳定，进入结构施工阶段，基坑周边大型车辆动载及堆载荷载增加，造成部分测点沉降继续小幅加大。

4　结语

1)针对地质条件差、周边环境复杂、管线多以及与既有车站相交的环境风险，采用有限元软件MIDAS-GTS对基坑开挖过程进行二维数值模拟，通过模拟可以看出不同开挖阶段周边建(构)筑物的变形趋势，又经现场实际监控量测数据对其模拟结果进行了验证，通过数值模拟的变形趋势可以对其开挖过程进行有效指导。

2)地铁车站基坑开挖过程各监测项目的监测数据累计变化值均小于其控制值，反映所采用的施工方式对地层及建(构)筑物的变形控制非常有效，基坑及周边环境均处于安全可控状态，总体施工沉降满足风险管理的需求。

3)基坑自身监测点和周边环境监测点的受力与变形都是随着基坑开挖逐渐增大的，当基坑开挖完成，沉降并未立即稳定，直至底板混凝土浇筑完成后，受力和变形曲线才趋于平稳。

参考文献:

［1］罗凤.深基坑工程风险管理研究［D］.成都:成都理工大学，2008.

［2］房倩，张顶立，侯永兵，等.浅埋暗挖地铁车站的安全风险控制技术［J］.北京交通大学学报，2010，34( 4) :16-21.

［3］杨坪.砂卵(砾)石层模拟注浆试验及渗透注浆机理研究［D］.长沙:中南大学，2005.

［4］边占利.深基坑工程监测和控制［J］.岩土工程界，2001( 7) : 45-46.

［5］骆建军，张顶立，王梦恕，等.地铁施工对管线的影响［J］.中国铁道科学，2006，27( 6) :124-128.

On non-precipitation close construction risk supervision and control at deep foundation pits at pebble stratum

Cheng Zhipeng Zhu Wenlei
( CCCC Railway Design and Research Institute Co.，Ltd，Beijing 100088，China)

Abstract:Combining with the foundation pit projects of the main part of some station in Beijing Metro，the paper introduces the drainage scheme of the curtain grouting waterproof and controlling measures，realizes the anhydrous works of foundation pits，evaluates the construction risk control effect according to the numeric simulation results and site test data，and points out the foundation pits and surrounding environment are in the safe and controllable status except the pile deformation reaching the yellow alert，and the foundation pit enclosure structure and support system parameter are in the optimal space.

Key words:metro station，foundation pit，non-precipitation construction，risk supervision and control

作者简介:程志鹏(1983-)，男，硕士，工程师;朱雯蕾(1988-)，女，硕士，助理工程师

收稿日期:2015-11-23

文章编号:1009-6825( 2016) 04-0062-03

中图分类号:TU463

文献标识码:A