青岛地铁8号线红岛站深基坑监测成果分析

杨守兴，商吉庆，张在云，杨 恒

（中建八局第一建设有限公司，山东 济南，250014）

城市地铁建设的快速发展对修建地铁技术提出了更高的要求。地铁施工技术具有显著的地域特征，与各地区地质条件密切相关。由于地铁修建位置交通较发达、人口较密集，受到场地的局限性，基坑无法采用传统的分级放坡进行开挖，基坑围护结构的设计与施工问题变得非常突出[1～3]。基坑开挖过程中的实时监测作为必不可少的一个环节，不同地区的深基坑变形规律的实测结果，已有大量的现场总结[4～9]，但关于青岛地区的深大基坑的监测结果总结还不完善。青岛地铁8号线红岛站共建段基坑采用桩+锚索、桩+钢支撑的支护体系，基坑开挖过程中对桩顶水平位移、深层水平位移、基坑地表沉降、钢支撑轴力、地下水位等进行了监测。测试结果表明：采用桩+锚索支撑与桩+钢支撑的深层土体水平位移曲线不尽相同；冠梁顶部水平位移呈波浪形，位移发展趋势可分为三个阶段；钢支撑的内力随时间的变化大致呈线性关系。监测结果验证了地铁通廊支护体系的合理性与可靠性，丰富了青岛地区类似工程的基坑监测结果。

1 工程概况

青岛地铁8号、12号线下穿济青高铁红岛火车站房，该段地铁车站结构与高铁站房共建称为共建段。共建段呈“工”字型，地铁区域为地下2层结构、三柱四跨，宽45.4m；局部结构七柱八跨，宽70m，长度为315.5m。

本工程地质分区主要为滨海沼泽带地区，地貌类型主要为滨海堆积浅滩，地形较为平坦。地表现状为虾池、养殖场、平地等，已经高铁施工已回填。明挖基坑场区内地下水丰富，地下水位较高，易受潮汐水影响，因此要求基坑围护结构要有较好的止水效果及足够的刚度。

基坑南侧环境较为复杂，紧邻青兰高速公路，且施工便道狭长，车辆过往频繁，为重点监测对象。因此本文重点分析了共建段南侧紧邻高速路边的监测数据。

根据地质情况，地铁基坑1～3段的支护结构采用钻孔灌注桩+内支撑、4～17段钻孔灌注桩+预应力锚索的支护形式。基坑开挖深度为18m。维护桩径采用直径为1 000mm和800mm钻孔桩，间距为1m，；桩顶设置1 100mm×1 000mm冠梁。开挖期间暴露的桩间土采用C25钢筋网片+喷混凝土，钢筋网片采用∅8@150（双向）。基坑监测醒目及监测点平面布置图如图1所示。

2 监测方案

2.1 监测内容

本基安全等级为一级，依据设计要求及《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50479-2009），结合工程地质勘查报告、施工方给出的开挖方案，制订地铁通廊共建段的监测方案。紧邻青兰高速位置，地铁基坑为监测重点，各监测项目及控制指标见表1。

图1 基坑各监测点的平面布置图

表1 监测项目及控制指标

2.2 监测频率

基坑监测应贯穿基坑开挖至主体结构施工的全过程，目的是了解基坑变形和紧邻高速路边环境的变化， 保证地铁基坑及青兰高速路边环境的稳定安全。各监测项目的初始读数应在基坑开挖前测定3次，并取其平均值；土方开挖期间按1次/天的频率监测，待地铁筏板混凝土浇筑完成后监测频率相应减少。

遇到特殊情况，如监测项目的累计值、变形速率过大或异常突发情况对基坑不利时，监测频率必须加密。

3 基坑的开挖施工过程

整个基坑主体结构采用明挖顺作法施工，遵循时空效应理论，结合监测数据及时掌握基坑围护结构的变形清理并指导基坑的顺利开挖。地铁通廊共建段3～17段采用桩锚支护体系，分3层开挖，共3道锚索；1～3段采用桩+钢支撑体系，开挖也分3层开挖。

4 监测成果分析

整个基坑开挖由北向南开挖，地铁第4～17段从2016年12月开挖至2017年6月底地铁底板完成施工，第1～3段2017年5月开挖至12月底板完成。整个监测过程持续时间长，监测次数多，现将部分有代表性的监测数据做如下分析。

4.1 土体深层水平位移

对土体深层水平位移进行监测，能够准确地反映基坑开挖期间围护桩的变形情况，对基坑的动态开挖具有指导意义。测斜点CX-01-04-03位于基坑中部位置，此处围护桩整体的刚度较小，具有代表性，该测点土体深层水平位曲线如图2所示。由图可知采用桩锚支护体系深部土体的位移呈“大肚”型，最终变形值为22.8mm，没有超过预警值。深层土体的水平位移值随着基坑的挖深，位移不断增大，基坑开挖面以上的变形速率比开挖面以下的变形速率快。另外及时施作锚索，能够有效抑制侧向位移的发展速率，筏板的及时浇筑能够增加桩体的侧向刚度，同时增加土体的附加应力，也能抑制桩体侧向位移的发展速率。

所有患者术后72 h行颅脑增强MRI检查肿瘤切除情况，根据Simpson分级标准，达到Ⅰ级 58例，Ⅱ级13例，Ⅲ级9例。术后送病理检查均诊断为脑膜瘤，Ⅰ级良性脑膜瘤59例，Ⅱ级非典型性脑膜瘤21例。术后即时发现，8例多饮多尿者中6例症状缓解，2例无明显改善；5例并发一过性尿崩；4例嗅觉减退；4例颅内感染；1例脑脊液漏；1例出现高热、血糖升高等严重下丘脑反应而死亡；1例大量出血形成脑疝而死亡。随访2～7.5年，平均(5.4±1.4)年，56例视力不同程度的改善，21例无明显变化，3例视力减退。11例复发，复发率为13.8%，再次行手术治疗。

图2 CX-01-04-03 深层土体水平位移变化曲线

地铁通廊共建段1～3段采用桩+钢支撑体系，选取CX-10-03围护桩深层位移测点为例，不同工况下的累计变形曲线如图3所示。

图3 CX-10-03深层土体水平位移变化曲线及数值曲线

由图可知采用桩+钢支撑维护体系的变形大致呈“葫芦型”，随着开挖深度的增加，桩体变形值不断加大。在钢支撑架设之前，桩身位移增长速率较快，随着钢支撑的架设完成，变形发展速率减缓。2017年8月初地铁1～3段筏板浇筑完成，桩体的变形趋于稳定，最终变形值为24mm，位于基坑深度12m处。整个监测结果显示，所有监测点的土体深层水平位移均未达到报警值。

对地铁1～3段采用Midas/GTS建立三维模型进行数值模拟分析，采用摩尔-库伦本构模型，模拟实际的施工工况。由图3可知，数值模拟值的计算变形曲线和实测的变形曲线相吻合。

4.2 地表沉降

基坑南段的施工较北段的施工滞后，南侧紧邻高速公路路基旁有一施工便道，出入大型机械设备较多，此处为重点监测对象。取南侧紧邻高速路边的3个具有代表性的监测点进行分析，沉降曲线如图4所示。

图4 地表沉降

由图可知地表最大沉降量在DBC03-07处，为22.4mm，均为超出规范要求的0.15%H=27mm。原因在于施工前，施工方采用注浆加固的方法对紧邻高速公路的施工便道进行了注浆加固，在施工过程中严禁在此处堆载，并对高速公路路基边坡采用挂网喷射混凝土处理。但是在施工过程中，南侧基坑支撑的架设相对滞后，导致路面的沉降在持续增加，直到第180天左右筏板浇筑完成滞后，地表的沉降才趋于平稳。

4.3 桩顶沉降

图5为基坑北侧围护桩桩顶测点QC05-11、QC05-09、QC05-07、QC05-05、QC05-03 在基坑开挖过程中的沉降的曲线。

图5 桩顶沉降

2016年11月中旬获得围护桩顶沉降的初始值，随着每层土体的开挖沉降有逐渐增大的趋势，但变化率均不大。2017年5月初筏板浇筑完毕，增大土体的附加应力，并对围护桩体侧向变形有一定的约束作用。随着地铁负二层、负一层的主体结构浇筑完毕，上部荷载不断增加，基底下被动区土体受到限制并使土体产生少量的压缩，围护结构产生少许沉降，最终趋于稳定。由图5可知围护桩顶最大沉降发生在QC05-07测点，最大沉降值为14mm，没有超出规范要求的警戒值。

4.4 冠梁顶部水平位移

基坑冠梁顶部的水平位移也能很好反映围护结构的变形情况，因此冠梁顶部水平位移也是本次监测工作的重点。现对地铁北侧的冠梁顶部水平位移监测点QW05-05、QW05-07、QW05-09的监测结果进行分析，冠梁顶部水平位移随时间的变化曲线如图6所示（朝向基坑为正）。

图6 桩顶水平位移曲线

由图可知在基坑施工过程中，冠梁顶部水平位移随时间的变化关系大致呈波浪上升的趋势。采用ORIGN9.0进行数据的拟合，拟合结果及拟合参数见公式1，且拟合效果良好。冠梁顶部的水平位移可分为3个阶段：位移加速增长阶段、位移减速增长阶段、位移增长稳定阶段。原因在于土方开挖是一个卸荷的过程，基坑开挖的前期，冠梁顶部的水平位移加速增长，而随着各道锚索的施工减缓了水平位移增大速率。2017年6月地铁筏板浇筑完毕形成刚度后，冠梁顶部水平位移逐渐趋于稳定，QW05-05、QW05-07、QW05-09监测点水平位移的最大值分别为24.6mm、21.7mm、18.7mm（朝向基坑内侧），均未超出报警值。

式中s——冠梁顶部累计水平位移；

s0——冠梁顶部累计水平位移；

A,B——拟合参数；

t——时间。

4.5 支撑轴力

钢支撑轴力的监测选用轴力计进行测试，量程应选择大于设计极限值的2倍。轴力计在安装之前，必须进行各项技术指标及标定系数的检验，确保监测数据的准确性。

由图7可知，钢支撑的轴力呈近似线性递增，且三道直线的斜率均不相同。2017年5月中旬施加第一道钢支撑后，随着基坑内土方的持续开挖，第一道的支撑轴力呈不断增大的趋势，但增长速率较平缓。2017年7月上旬，在第二道钢支撑施工完成后，继续开挖土方，第二道钢支撑的轴力的斜率要比第一道支撑大，且第一道支撑轴力增长速度有所减缓，原因在于第二道支撑分担一部分主动土压力。同样在施工完第三道钢支撑的时候，第一、第二道钢支撑的轴力增长速度放缓，甚至趋于平缓，而第三道钢支撑轴力增长速度却很大，直至地铁筏板施工完毕之后，三道支撑的轴力才趋于平缓。监测结果表明三道钢支撑的内力均为超过设计的80%（2 400kN）。

图7 钢支撑轴力与时间关系曲线

在支撑轴力测试过程中发现，温度对支撑轴力测量的影响不可忽略，在轴力测试过程中尽量选在一天当中气温较低时进行，同一批次的支撑尽量在相同的时间或温度条件下测量。

4.6 地下水位

对地铁南北区段的地下水位监测点DSW10-09和 DSW10-08（南侧）、DSW-06和 DSW-07（北侧）的监测结果进行分析，地下水位随时间变化曲线如图8所示。

由图8可知基坑南侧水位累计下降量的最大值为0.25m，基坑北侧为0.16m，均为超出报警值。基坑南北两侧地下水位的累计下降量均不大，原因在于地铁规划区域原为虾池、鱼塘，附近河流多，地下水位丰富，这对施工降排水造成了一定的困难。南侧水位累计下降量降大，原因在于位于基坑南侧设置了若干集水井，24h不间断排水。当施工到250天左右时，地铁筏板均浇筑完成，且北侧主体结构已经完成，底板的自防水及外防水作用减小了地下水的渗流，地下水趋于稳定。

图8 地下水位随时间的变化曲线

5 结 论

本文通过青岛地铁8号线地铁城市通廊共建段基坑监测方案的实施和施工过程中的信息化监测，对深层土体的水平位移、冠梁顶部水平位移、紧邻高速公路地表沉降、围护结构桩顶沉降、支撑轴力、地下水位监测的监测结果进行分析，可以得出以下结论：①桩锚支撑体系、钢支撑体系均能够有效抑制维护桩体的变形；②采用桩锚支护体系的维护结构，冠梁顶部水平位移可分为3个阶段：位移加速增长阶段、位移减速增长阶段、位移稳定阶段；③钢支撑的轴力与时间大致呈线性关系，3道支撑轴力增长的速率由上至下依次减小；④在测试钢支撑轴力时，尽量避免阳光暴晒的时间段，测试钢支撑轴力时应选在同一时间段进行；⑤筏板的及时施作不仅能有效抑制基坑桩体的位移，同时也能够有效预防地下水的渗流。