某轨道交通明挖区间基坑开挖与监测分析

孟前程 （中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100）

近年来，基坑工程越来越复杂，特别是城市隧道、城市地铁的大规模建设，以及复杂的地下环境和周围建筑物的影响，这使得基坑周围环境和基坑支护体系不仅受到基坑内施工工况的影响，而且受到周围基坑施工影响。本文结合某城市轨道交通2号线区间明挖段基坑，分析了施工监测数据，研究了基坑施工过程中基坑支撑形式、支撑轴力的变化规律，分析了基坑中支撑轴力增大的影响因素，得出了一些有益的结论，可供类似工程施工借鉴。

1 工程概况

某轨道交通工程区间为全部地下明挖段，并在基坑范围设置隔断桩将基坑划分为6个开挖区段，本文重点研究施工三区基坑工程，如图1所示。

图1 地下区间区段划分图

该地下区间段全长869.587m，采用单层双（单）跨箱型结构，基坑埋深3.00～16.38m，基坑宽13.40～28.83m，围护结构采用灌注桩+内支撑体系，如图2所示。灌注桩φ1000@1200mm，桩间设旋喷桩止水，旋喷桩桩径φ600mm，桩端进入不透水层3-23不小于1.5m，内支撑系统竖向设1～3道支撑。第一、二道为800×1000mm钢筋混凝土支撑，水平间距9.0m；其余采用φ800mm，t=16mm钢支撑，水平间距3.0m。钢围檩采用双拼45a工字钢焊接而成，牛腿采用75×75mm角钢。本区间基坑灌注桩嵌固段位于硬塑状粉质粘土层和泥质砂岩层，嵌固深度取3.1～7.7m，地下水位埋深0～5.8m。

图2 区间标准段断面图

施工三区暗挖进洞处基坑端头井及标准段区间，采用混凝土斜撑和钢斜撑加固，端头井基坑深16.2m,宽度26.1m，长度19.4m；标准段宽度22.1m，如图3所示。

2 基坑开挖与监测

图3 区间端头井及标准段平面图

基坑开挖采用普通挖机开挖土方，长臂挖机出土，人工配合清底。施工中为提高工效，采用台阶接力式开挖，纵向拉槽，两侧预留宽2m平台。具体是开挖第一层土方时，将第二层的中间部分土体挖除，留设2m宽的工作平台，便于架设支撑、挂网喷锚，放坡坡度不小于1∶1，开挖第二层土方时，将第三层的中间部分土体挖除，依次类推。第一层和第二层开挖时可各分两小层开挖，每小层开挖高度为3m，放坡坡度不小于1∶1。

3 监测数据分析

三区端头井17～20轴自第二层混凝土支撑浇筑完成至5月30日基坑开挖到第三层钢支撑架设深度，期间支撑轴力 ZL17-2、ZL18-2、ZL19-2、ZL20-2增大 7064.6kN、3460.1 kN、3324.0 kN、669.3 kN。

自5月底至6月9日基坑暂停开挖，6月7日完成第三层钢支撑架设，但未达到设计预加轴力值，期间支撑轴力 ZL17-2、ZL18-2、ZL19-2、ZL20-2 到达9266.3kN、9188.1 kN、9704.1 kN、7124.1 kN。

自6月10日至6月14日，在未达到设计预加轴力值的情况下，开挖至设计底板深度，并于6月12日底板浇筑完成，6月14日轴力ZL17-2、ZL18-2、ZL19-2、ZL20-2 分 别 为 16249.0kN、10480.1kN、12511.8 kN、8616.9 kN。

自6月15日至7月4日，支撑轴力ZL17-2、ZL18-2、ZL19-2、ZL20-2 稳定在 17103.9kN、11498.7 kN、11756.2 kN、9456.9kN。如表 1所示。

各测点轴力实测值 表1

由图4可知，各第二道混凝土支撑轴力在前15d时明显增大，之后逐渐趋于平稳，ZL17-2轴力变化明显大于其他混凝土支撑轴力，可能受到钢筋计的温度应力释放影响，增大的速率明显大于其他支撑，在第10d左右ZL17-2支撑轴力趋于平缓，而其他三个混凝土支撑变化规律一致，进一步表明ZL17-2支撑轴力出现异常增大并非正常基坑出现预警。

图4 轴力数据统计图

表2可以看出，端头井ZL17-2、ZL18-2最大轴力为设计轴力控制值 6倍，ZL19-2、ZL20-2、ZL21-2最大轴力为设计轴力3～4倍，而实际施工现场的墙顶水平位移、深层水平位移、地表沉降等均在合理设计控制变化范围内。经过对端头井围护结构第二层混凝土斜撑轴力计算，根据分析结果，在不考虑第三层钢支撑的情况下，第二层斜撑最大轴力标准值为7155kN。在第二层混凝土斜支撑中间增设一道钢支撑，增设支撑完成后，监测数据稳定即可进行下一步工序施工。

各测点支撑轴力实测值 表2

4 讨论

设计自重钢筋混凝土重度按γ=25kN/m3。侧向水土荷载采用朗肯土压力理论，粉质粘土和淤泥质粘土水土合算，砂性土水土分算。地面超载计算时考虑地面超载20kPa。

土体物理力学参数 表3

临界深度的判定：

式中γ为各土层的重度、γ3为粉质粘土重度、H为土层总厚度、q为地面超载、Ka3为主动土压力系数、c3为粉质粘土粘聚力、kp为被动土压力系数。

根据《建筑基坑支护技术规范》得，临界深度为：

Z0=2c/(γ√(ka1)-q/γ)

式中Z0临界深度、c为素填土粘聚力、γ素填土重度、ka1为主动土压力系数、q表示地面超载，代入数值得Z0=-0.086m＜0。而围护桩不存在负侧压力区，如按梯形截面算，则原地面土压力为；

Pa=(γ1h0+q)ka1-2c1√(ka1)

式中Pa土压力、h0土体厚度、ka1为主动土压力系数、c1为粉质粘土粘聚力。代入数值得Pa=1.1kPa。

基底主动土压力；

Pa主=(γ1h1+γ2h2+γ3h3+q)ka3-2c3√(ka3)

代入数值得Pa主=160.3kPa。

基底被动土压力；

Pa被=2c3√(kp)

代入数值得Pa被=104.3kPa。

则基底土压力为56kPa。

图5 围护桩土压力分布图

围护桩按照等值梁法进行简化计算，结构采用有限元软件MIDAS建立力学模型，其中腰梁看作围护桩自身的约束。结构按照两种工况进行计算分析,如图 6、7所示。

工况一围护桩按照原设计设置三道腰梁和内支撑。工况二假设第三道腰梁和内支撑失效。

根据围护桩支反力验算的结果，将腰梁及内支撑同样分两种工况进行计算分析。

根据以上分析结果可知，在不考虑第三层钢支撑的情况下，第二层斜撑最大轴力标准值为7155kN。以上结果未考虑地下水位的影响。

图6 工况一与工况二结构计算模型对比

图7 工况一与工况二围护桩支反力对比图

图8 工况一与工况二腰梁及内支撑结构计算模型对比图

图9 工况一与工况二腰梁及内支撑轴力对比图

5 结语

由于现场施工环境复杂，通过理论计算和数值模拟，该区间基坑开挖混凝土斜撑轴力一直增大的因素包括：①由于基坑周围地下水水位较高，基坑内外降水不及时产生过大的水压，其水压力通过围护结构传递给冠梁，再传递给混凝土支撑导致混凝土支撑轴力变大。②混凝土支撑轴力最大处即第二层混凝土支撑位置，桩的破坏截面处是土层分层截面，土压力出现变化导致支撑轴力突变。③现场监测用桩的测斜代替土体的测斜，这样不能准确得出土体测斜位移,而测量出的位移可能偏小导致计算的土体侧向压力偏小。④由于钢支撑及钢围檩在安装架设过程中轴线存在误差，导致钢支撑并没有实际产生支撑轴力，而土和水侧向压力都由上层混凝土支撑承受从而混凝土支撑轴力变大。⑤混凝土支撑内的钢筋计直接焊接在钢筋笼上，焊接过程中产生的温度应力在逐渐释放过程中进行施工，导致应力计不可确定性的轴力数值过大。⑥现场混凝土支撑表面只有2个钢筋计，应布置4个钢筋计，可以相互验证是否为钢筋计本身问题。根据现场实际情况，对神芜区间三区基坑工程轴力过大问题提出了处理措施，先做底板增加基底安全性，同时在混凝土支撑和钢支撑用反力计测量，完成底板浇筑。拆支撑同时观测其余支撑轴力变化。最后由设计单位复核，后期以结构安全值和土压力值两者结合作为支撑轴力参考值。

本工程地质条件复杂，施工程序繁杂，对现场支撑轴力过大通过对数据分析、理论计算以及数值模拟等方式对其研究，同时分析了导致基坑开挖支撑轴力过大的各种因素，为类似基坑开挖支撑结构工程提供了具有重要价值的参考。