城市地铁深基坑围护结构变形规律研究

谢裕春，张 洁，王 琦，占有名，高 虎

（1.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100020；2.河南鑫亚地质矿产有限公司，河南 郑州 450000）

目前，地铁深基坑工程已成为城市地铁建设的主要组成部分[1-2]。鉴于地铁深基坑开挖平面尺寸大、深度大、暴露时间长、风险等级高等原因[3-4]，监测已经成为地铁车站信息化施工的重要环节[5]。开展地铁车站施工过程围护结构变形规律研究对安全施工和结构优化设计有重要价值[6]。文章依托郑州地铁某车站明挖深基坑工程，完成了监测方案设计，分析了该车站部分监测项目现场数据，给出了地铁车站施工过程中深基坑围护结构风险最大的扩大端阳角断面的围护桩水平位移、锚索受力及钢支撑轴力等主要监测项目的变化规律，目的是基本掌握本工程围护结构变化动态及安全情况，同时为郑州地区类似深基坑围护结构优化设计提供参考。

1 工程概况

车站主体结构采用地下两层五跨矩形框架结构形式，长300m，宽39m，深12.5～13.5m。基坑采用“桩锚+钢支撑”支护体系，车站围护结构采用φ800@1200钻孔灌注桩，竖向采用2排锚索，第1层锚索倾角20°、长24m、埋深3.5m，第2层锚索倾角18°、长25m、埋深8.5m。渡线段基坑采用Ф609（t=16mm）钢管支撑，竖向设3道钢支撑。基坑开挖过程穿越地层主要为杂填土、黏质粉土及粉质黏土，如图1所示。本场地稳定水位埋深为12.2～13.5m，本工程采用坑外降水方式进行降水，施工过程确保地下水位处于底板下0.5～1.0m。

表1 基坑开挖穿越地层地质

2 监测方案

本次数据分析主要考虑桩桩体水平位移、支撑轴力及锚索拉力3个主要监测项目，如表2所示。部分监测点平面位置图如图1所示，基坑剖面监测点布置剖面图如图2所示。

监测频率：（1）基坑开挖期间，1次/d；（2）结构施工期间，1次/2～3d；（3）经数据分析确认达到基本稳定后，1次/月。

表2 监测项目、监测仪器及布点原则

3 监测结果分析

由于空间效应的影响，基坑阳角部位受力情况复杂，此部位往往是基坑安全的风险点。结合本基坑围护结构支护体系，选择基坑东侧扩大端北侧阳角断面为研究对象。本次监测数据分析选择时间段为基坑开挖至基坑主体结构施工完成。

3.1 桩体水平位移

根据监测数据，结合现场施工情况，选取基坑阳角测点ZQT-18桩体水平位移监测数据进行分析，其桩体水平位移随施工过程变化曲线如图3所示。

图1 部分监测点平面位置图

图2 基坑剖面监测点布置剖面图

图3 ZQT-18桩体水平位移随施工过程变化曲线

根据图3分析如下：（1）2018年10月3日，基坑土方施工开挖至地表以下4.2m，现场第一道锚索施工完毕，基坑围护桩处于悬臂桩受力状态，桩顶水平位移为-2.10mm；桩体水平位移最大值为-2.9mm（3m处）；第一道锚索施工后，对围护结构变形有明显抑制作用；由于土方开挖深度较小，桩身水平位移的影响深度大约为8m。（2）2018年11月25日，基坑土方施工开挖至地表以下10.4m，现场第2道锚索及第3道钢支撑施工完毕。桩体水平位移最大值为6.8mm（8m处）。（3）2018年12月30日，基坑土方开挖完成，桩体水平位移最大值9.9m（10.0m处），最底部桩体水平位移为5.2mm。（4）2019年3月3日，先后拆除第3道和第2道钢支撑，由图3中变形曲线可以看出当不再进行土方开挖时桩体水平位移蠕变增加量较小。

通过以上分析可以得到，土方开挖的过程中影响桩体最大水平位移的主要因素是开挖深度和基坑保罗时间。从图3中变化曲线可以看出，钢支撑及锚索安装完后对围护桩继续向内发展有一定抑制作用；桩体变形不仅发生在开挖面以上，也延伸到开挖面以下。

3.2 锚索拉力

测点MGL-18-1锚索于2018年9月27日完成安装，于2018年9月28日正式量测；测点MGL-18-2锚索于2018年11月19日完成安装，于2018年11月21日正式量测。具体MGL-18-1和MGL-18-2受力随施工过程变化曲线如图4所示。

图4 MGL-18断面锚索拉力随施工过程变化曲线

由图4可以看出：（1）受现场天气变化、建材堆载及车辆运输等因素影响，锚索受力曲线呈轻微波状变化。（2）第一道和第二道锚索所受拉力均不大，除预加拉力初期有部分损失外，锚索受力分别处在82～106kN及168～195kN。（3）第1阶段锚索所受拉力受张拉伸长、轻微滑移及黏结体变形影响等原因，锚索预应力有部分损失，但持续时间较短；第2阶段锚索所受拉力随土方开挖和内支撑施作的变化呈不断增大趋势，这个阶段一直持续到基坑开挖施工完成。

根据上述分析，建议在进行基坑桩锚施工时，做好锚索拉拔试验，避免预应力损失过度，引起拉力大幅下降，造成基坑失稳；另外，锚索施加预应力务必要做好充分准备以免引起锚杆索拉力不足。

3.3 支撑轴力

测点ZCL-17-2-1钢支撑轴力计于2018年9月27日完成安装，测点ZCL-17-2-2钢支撑轴力计于2018年10月31日完成安装，安装完成后即进行现场监测。ZCL-17-2断面钢支撑轴力随施工过程变化曲线如图5所示。

图5 ZCL-17-1断面支撑轴力随施工过程变化曲线

由图5可知：（1）在钢支撑完成最初阶段，由于钢支撑端部钢板应变、钢围檩与围护结构空隙填充的细石混凝土破坏以及预应力到位锚固措施不到位等原因引起第一道和第二道钢支撑预应力分别损失了26.7%和9.4%（分别由197.2kN和298kN减少至144.6kN和270kN）。（2）随着基坑开挖深度不断加深，开挖土体陆续卸载，基坑主动土压力不断增加，基坑被动土压力不断减少，导致桩体水平位移向基坑内发展。由于钢支撑进一步限制围护结构向坑内移动，从而造成钢支撑支撑轴力不断增大，其变化情况与相应位置处桩体水平位移相对应。（3）基底完成后，第一、二道支撑轴力逐渐趋于稳定，受到现场材料堆载、施工机械扰动及天气变化等影响，曲线存在波动现象，但总体趋势基本保持稳定。

以上分析，建议施工单位要关注钢支撑安装质量，尽量减少预应力损失过大；基坑周边严禁堆载，减少基坑主动土压力，确保基坑安全。

4 结论

（1）桩体水平位移、锚索拉力及支撑轴力是围护结构变形特征的重要指标，本工程在一定深度范围内黏性土地层采用“桩锚+钢支撑”支撑体系，可以有效地确保基坑稳定。

（2）基坑开挖过程影响桩体最大水平位移的因素主要有：基坑开挖深度及基坑暴露时间，桩体水平位移不仅发生在基坑开挖面以上，也会发生在开挖面以下，因此，要确保足够的围护桩入土深度。

（3）同一断面上锚索和钢支撑受力在施工过程中变化趋势一致；基坑锚索和钢支撑存在应力松弛现象，施工过程中应采取科学措施减小预应力损失。

（4）现场监测表明，本车站深基坑围护结构设计满足要求，但可对围护结构受力进行优化。如何根据监测结构进行围护结构优化设计是下步主要工作。