北京地铁明挖车站典型支护结构的变形规律研究

徐　凌　张顶锋　张　昊

(1. 北京市轨道交通建设管理有限公司　北京　100068；　2. 中铁第五勘察设计院集团有限公司　北京　102600)



北京地铁明挖车站典型支护结构的变形规律研究

徐凌1张顶锋2张昊1

(1. 北京市轨道交通建设管理有限公司北京100068；2. 中铁第五勘察设计院集团有限公司北京102600)

为研究明挖车站典型支护结构的变形规律，对北京地铁6号线二期7座砂性地层中分别采用围护桩+锚索、围护桩+钢支撑、地下连续墙+钢支撑3种支护形式的明挖车站深基坑变形监测数据进行分析，并与以往类似工程进行对比。研究表明：围护桩+锚索、围护桩+钢支撑形式下的地表沉降在0.15%H以内(H为开挖深度)，地下连续墙+钢支撑形式下的地表沉降在0.1%H以内，3种支护形式下的基坑外地表沉降最大值所在位置与基坑边的距离大致为0.5～0.7H，且沉降影响范围约为1.5H；3种支护形式下的桩顶水平位移在0.1%H以内；围护桩+锚索和地下连续墙+钢支撑形式下的桩(墙)体水平位移在0.1%H以内，围护桩+钢支撑形式下的桩(墙)体水平位移在0.15 %H以内，3种形式下基坑最大桩(墙)体水平位移所在深度分别为0.3～0.4H、0.4～0.7H及0.5H。

地铁车站；深基坑；支护结构；变形规律

明挖法作为地铁车站的一种主要施工工法，正随着国内地铁建设的蓬勃发展而得到广泛应用，在地铁明挖基坑工程施工过程中，基坑坍塌的事例多次出现[1-3]，为此，工程参建各方均十分重视基坑开挖后地表沉降、支护结构水平位移等监测项 目 的 实 施。目 前，已 有大量针对明挖基坑工程施 工 变 形 规 律 的 研 究[4-8]，涉及北京地铁明挖基坑的分析研究也为数不少，但是结合地层针对北京地铁明挖基坑典型支护结构下的变形规律进行对比的研究较少，同时对近年来在北京地铁建设过程中新采用的地下连续墙+内支撑支护形式的分析也较少，因此，在地铁工程建设大规模发展的背景下，笔者将结合北京地铁6号线二期工程7座明挖车站在不同支护结构形式下的变形监测数据，研究地铁明挖车站典型支护结构的变形规律。

1　工程概况

已于2014年底通车试运营的北京地铁6号线二期工程共设车站8座，其中采用明挖车站7座。这些明挖车站共涉及3种围护结构形式：围护桩+锚索、围护桩+内支撑和地下连续墙+内支撑(以下分别简称为桩锚、桩撑和墙撑)，其中郝家府站是北京地铁首批采用地下连续墙+内支撑作为支护体系的工点。这7座明挖车站的基本概况及地质情况如表1所示，可以看出，各车站基坑开挖深度和所处地层相近，基坑开挖深度H均为20 m左右，开挖地层主要为粉细砂、细中砂和中粗砂，部分夹杂粉质黏土夹层，存在一定的层间滞水。

2　各种支护形式的基坑变形对比

7座明挖车站在建设过程中针对基坑外地表沉降、桩顶水平位移、桩体水平位移等，按要求实施了监测，以下对各类型监测数据进行分析。

2.1地表沉降

通过对7座明挖车站基坑外地表沉降监测数据的汇总统计，结果显示：桩锚形式下地表沉降累计有97%小于30 mm，且大部分为10～20 mm；桩撑形式下地表沉降累计有77%小于30 mm，且大部分为10～20 mm；墙撑形式下地表沉降均小于30 mm，有97%在20 mm以内，且大部分为5～10 mm。北京地铁明挖基坑支护结构背后土体地表沉降的控制值为≤0.15%H及≤30 mm中的较小值[9]，结果表明，这3种支护形式下的地表沉降均可控制在要求范围内，且墙撑形式下基坑外的地表沉降更小(≤0.1%H)。

表1　北京地铁6号线二期工程明挖车站概况

3种支护形式下基坑外地表沉降主测断面的数据如图1所示(数值为正代表隆起，数值为负代表沉降)。

图1　3种形式下地表沉降主测断面数据情况

1) 7座车站的基坑外地表沉降均表现为凹槽形沉降曲线，即地表沉降随测点与基坑侧壁距离呈现先增大而减小的变化，沉降最大处不是在基坑侧壁，而是在离基坑侧壁一定距离处，说明各明挖车站支护结构施作及时、钢支撑及锚索的预应力施加及时，支护结构体系可正常发挥作用。

2) 刘国彬等认为对于基坑外发生的凹槽形地表沉降，最大沉降值的发生位置根据统计的情况一般介于(0.4～0.7)H之间。李淑等对北京地铁4、5、10号线等30座明挖车站的现场实测数据进行统计分析后认为，基坑外地表最大沉降发生处距基坑侧壁10～15 m。而在本工程中，桩锚形式下地表测点大致在距离基坑侧壁10～15 m的位置发生最大沉降，桩撑形式的对应点在距离基坑约不到10 m的位置，墙撑形式的对应点在距离基坑10～13 m位置，即3种支护形式下地表沉降最大值所在位置与基坑边的距离为(0.5～0.7)H。

3) 刘国彬等认为地表沉降范围一般为(1～4)H，李淑等的研究表明距基坑坑壁30 m以外的地表变形微小，张庚涛的研究表明，在砂卵石地层中，开挖深度H约为16.1 m的北京地铁明挖基坑(桩撑支护体系)，距离基坑边1H时的地表沉降几乎为0。而在本工程中，可推知各种支护形式下基坑侧壁外30 m处的地表沉降较小，说明在砂层土体中地表沉降影响范围较砂卵石地层更大一些，约为1.5H，这也与《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB50911—2013)[10]提出的北京地铁明挖基坑地表沉降的主、次影响区为基坑外(0～2)H范围相吻合。

2.2桩(墙)顶水平位移

3种支护形式下的基坑桩(墙)顶水平位移与对应基坑深度的比值分布情况如图2所示。

由图2可知，3种支护形式的桩顶(墙)水平位移基本均在0.1%H以内(墙撑形式为全部在0.1%H以内)，其中桩锚形式下桩顶水平位移主要范围为(0.02～0.07)%H，桩撑形式与墙撑形式下的桩(墙)顶水平位移的分布较为类似，主要范围为(0.07～0.1)%H，北京地铁明挖基坑桩顶水平位移的控制值为≤0.15%H及≤30 mm中的较小值，说明3种支护形式下的桩(墙)顶水平位移均可控制在要求范围内。

同时，通过分析李淑等提供的北京地铁22个明挖工程(支护形式为复合土钉墙、桩+钢支撑+锚索、桩+钢支撑、桩+锚索等)的桩顶水平位移监测数据，结果显示：有19个工程的桩顶水平位移方向全部向基坑内，其中桩顶水平位移最大为23.5 mm，与开挖深度之比最大为0.15%H，平均为0.07%H。张钦喜等[11]通过对北京国贸中心三期深基坑(深度H约为22 m，总体采用上部土钉墙加下部桩锚的支护形式，局部采用地下连续墙支护)在开挖过程中监测结果的分析，表明在正常情况下桩锚支护的位移一般不会超过0.1%H，说明本次研究结果与以往成果是匹配的。

2.3桩(墙)体水平位移

3种支护形式下基坑最大桩(墙)体水平位移与对应基坑深度的比值分布情况如图3所示。

图2　3种形式下墙顶水平位移与基坑深度比值分布

图3　3种形式下最大墙体水平位移与基坑深度比值分布

由图3可知，桩锚和墙撑形式下的桩(墙)体水平位移基本均在0.1%H以内，桩撑形式桩体水平位移分部较为离散，(0.04～0.14)%H之间均有分布，桩撑形式桩体水平位移大于0.15%H的有两个，分别是0.181%H、0.215%H。北京地铁明挖基坑桩(墙)体水平位移的控制值为≤0.15%H及≤30 mm中的较小值，说明3种支护形式下的桩体水平位移均可控制在要求范围内。

同时，通过分析李淑等提供的北京地铁22个明挖工程(支护形式为复合土钉墙、桩+钢支撑+锚索、桩+钢支撑、桩+锚索等)的桩体最大水平位移监测数据，结果显示：桩体最大水平位移方向全部向基坑内，位移最大为45.8 mm，与开挖深度H之比最大为0.218%，平均为0.095%，说明本次研究结果与以往成果是匹配的。

3种支护形式下，基坑最大桩(墙)体水平位移所在深度与对应基坑深度的比值分布情况如图4所示。

由图4可知,桩锚、桩撑、墙撑结构支护形式下基坑最大桩(墙)体水平位移所在深度与对应基坑深度的比值大致在0.3～0.4、0.4～0.7及0.5左右。

图4　3种形式下最大桩体水平位移所在深度与基坑深度之比

3　结语

通过分析北京地铁6号线二期7座开挖深度约为20 m，在砂层地质条件下，桩锚、桩撑和墙撑等3种不同支护形式明挖车站基坑变形监测数据，可得到以下结论：

1) 桩锚、桩撑形式下的地表沉降在0.15%H以内，墙撑形式下的地表沉降在0.1%H以内；3种支护形式下的基坑外地表沉降规律类似，地表沉降均表现为凹槽形曲线，最大值所在位置与基坑边的距离大致为(0.5-0.7)H，影响范围约为1.5H(H为开挖深度)；

2) 3种支护形式下的桩顶水平位移在0.1%H以内；

3) 桩锚和墙撑形式下的桩(墙)体水平位移在0.1%H以内，桩撑形式下的桩(墙)体水平位移在0.15%H以内；桩锚、桩撑、墙撑形式下基坑最大桩(墙)体水平位移所在深度大致为(0.3～0.4)H、(0.4～0.7)H及0.5H。

4) 与桩锚、桩撑形式相比，地下连续墙+钢支撑(墙撑)支护形式的控制支护体系变形效果更好，且该种支护形式不必提前在基坑外进行降水，施工安全更有保障，工程质量更好，因此在北京地铁地下水丰富地区修建明挖车站时具有明显的优越性。

[1] 张旷成, 李继民.杭州地铁湘湖站“2008.11.15”基坑坍塌事故分析[J].岩土工程学报,2010，32(S1)：338-342.

[2] 来杰, 郭利刚.某地铁出入口基坑坍塌案例分析[J].北京测绘,2015，29(1)：114-118.

[3] 李宏伟, 王国欣.某地铁站深基坑坍塌事故原因分析与建议[J].施工技术,2010，39(3)：56-58.

[4] 刘国彬.王卫东.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社, 2009.

[5] 李志佳. 北京地区深大地铁基坑稳定性及变形特性研究[D].北京：北京交通大学, 2012.[6] 李淑, 张顶立, 房倩, 等.北京地区深基坑墙体变形特性研究[J].岩石力学与工程学报, 2012，31(11)：2344-2353.

[7] 李淑, 张顶立, 房倩, 等.北京地铁车站深基坑地表变形特性研究[J]. 岩石力学与工程学报,2012，31(1)：189-198.[8] 张庚涛.地铁车站深基坑变形监测及数据分析[J].现代测绘, 2013，36(6)：23-25.

[9] 地铁工程监控量测技术规程：DB 11/490—2007[S].北京, 2007.

[10] 城市轨道交通工程监测技术规范：GB 50911—2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[11] 张钦喜, 陈鹏, 尹文彪.国贸中心三期基坑支护工程监测研究[J].岩石力学与工程学报,2012，31(11)：2319-2326.

(编辑：郝京红)

Deformation Rule of Typical Supporting Structures for Beijing Subway Station with Open-cut Construction Method

Xu Ling1Zhang Dingfeng2Zhang Hao1

(1. Beijing MTR Construction Administration Corp., Beijing 100068;2. China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Beijing 102600)

In order to study the deformation rule of typical supporting structures of the foundation pit of a subway station, the deformation monitoring data of foundation pits are analyzed and compared with previous similar projects for 7 subway stations of Phase II, Beijing Subway Line 6 in the sandy layer, which are supported by pile and anchor support, pile and steel support, underground diaphragm wall and steel support. Some conclusions can be drawn: (1) The ground settlement outside foundation pit for the pile and anchor support, the pile and steel support, underground diaphragm wall and steel support is within 0.15%H, 0.15%H and 0.1%H (H is the excavation depth of foundation pit) respectively. The distance between the location of the maximal ground settlement and the foundation pit is approximately 0.5-0.7H. The influence range of ground settlement is about 1.5H outside foundation pit. (2) The horizontal displacement of the pile top for the three kinds of supporting form is within 0.1%H. (3) The horizontal displacement of the pile body for the pile and anchor support, underground diaphragm wall and steel support is within 0.1% H. The horizontal displacement of the pile body for the pile and steel support is within 0.15%H. The depth of the maximal horizontal displacement of the pile body for pile and anchor support, pile and steel support, underground diaphragm wall and steel support is 0.3-0.4H, 0.4-0.7H and 0.5H. These conclusions can be helpful for future similar constructions.

subway station; deep excavation; supporting structure; deformation rule

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.01.012

2015-08-12

徐凌，男，工学博士，高级工程师，主要从事地铁工程建设技术与安全管理工作，94550061@qq.com

北京市科技新星计划资助项目(Z121106002512086)；科技北京百名领军人才培养工程资助项目(Z121106002612017)

U231

A

1672-6073(2016)01-0047-04