杭州地铁站深基坑开挖监测及分析

2020-11-20李纪成梅利芳

绿色科技 2020年20期

李纪成，梅利芳

(湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉 430068)

1 引言

随着城市化的加快，地下空间不断得以开发和利用。尤其是地铁工程的建设，由于地铁工程所处地层及周边环境的复杂多变性，致使开挖施工中常伴有经济损失和人员伤亡事故的发生，因此对地铁深基坑的开挖过程进行严格地跟踪监测与分析成为了确保安全施工的重要举措之一[1～4]。叶帅华[5]、丁智[6]等通过分析基坑开挖所导致的围护结构、土体的侧向位移、支撑轴力变化、周边地表沉降和临近建筑物沉降以及管线移位变形、地下水位等的变化规律，为施工开挖的顺利进行提供了安全保障。目前，对深基坑开挖的现场检测及分析仍被视为是一种控制深基坑工程施工安全的有效途径。

本文通过分析杭州武林广场地铁站深基坑施工开挖过程所引起的地表沉降、坑外地下水位变化以及围护结构变形及周边土体水平位移等的现场实测数据，希望能为类似工程的设计和施工提供一定的经验参考。

2 工程概况及地质条件

2.1 工程概况

武林广场地铁站位于杭州市武林广场东北角，与广场的东侧通道呈约34度的斜交叉。该站为1号线与3号线的换乘站，车站为地下三层、上下重叠的岛式站台结构，4柱5跨(中间三层，两端为四层结构)。车站总长为161.75 m，标准段宽36.6 m，底板的埋深约27 m，顶板的覆土厚度约4 m，两端覆土约1.5 m。车站共设5个进出口，其中1、2、4号进出口均处于本车站施工范围，3、5号进出口设为预留口，接武林广场的地下开发和地铁控制中心。车站采用1200 mm厚的地下连续墙作为主体基坑的围护支护结构，中间采用φ1600 mmAM桩基，上部安装φ900 mm、壁厚16 mm的钢筋砼柱作支撑，采用盖挖逆作法施工，基坑内降水，叠合墙结构形式。

2.2 工程地质

拟建场地位于浙北平原区，为海积平原地貌单元，地貌形态单一。场地浅表层为厚为2.0～5.0 m的填土，其下局部为0.5～2.8 m的粉层土；埋深4.3～26.0 m处为厚约20 m的高压缩性、流塑状淤泥质粉质黏土；中部深约26.0～40.0 m范围为10～14 m的软塑、硬可塑状粉质粘土，局部夹薄层含砾细砂；下部为性质较好的细砂、圆砂砾层，圆砾层间局部夹粉质粘土层；底部为白恶系的凝灰质粉砂岩。主要地层特征见表1。

表1 主要土层物理力学参数

2.3 水文条件

根据地下水的含水介质、水力性质和特征，可划为第四系孔隙潜水、孔隙承压水以及基岩裂隙水。

(1)孔隙潜水：车站浅部的地下水类型为孔隙潜水，其主要存在于①层(填土)、②层(粉土)以及④3层(淤泥粉质粘土)中，大气降水及地表水是其补给的主要来源，地下水位变化受季节影响，勘探过程水位的埋深为0.4～3.8 m，对应高程为2.241～5.545 m。建议抗浮设防水位高程取6.0 m。

2.4 周边环境

浙江省科协大楼位于该站东侧，距基坑的最小净距为10.8 m，科协大楼为框剪结构，地上主楼为14～15层，地上裙楼为2层，地下室为2层；另有中国电信杭州公司大厦同位于车站东侧，距基坑边沿57 m，同为框剪结构；浙江省展览馆位于车站西侧，距车站基坑的最小净距约8 m，地上2～3层为框架结构，筏型基础，复合地基；区间的各个分界处、南侧车站以及该站西侧围挡外均有改排后的电信、污水、给水管线以及天燃气等；车站北侧的环城北路地下设有给水管(φ600)、雨水管(φ800)、污水管(φ1500)、电力、电信等管线；南侧的体育场地下有电力、热力、给水管(φ150)、给水管(φ600)、热力以及电力等管线。本站及周围环境可见图1。

图1 车站及周边环境

3 基坑监测项目及方案实施

综合分析本基坑的勘察设计要求及施工特点，针对该基坑编制了一套详细的监测布设方案，其中部分的重点监测项目及布设方案见表2，具体测点布设见图2。

表2 基坑项目监测及实施方案

图2 武林广场站基坑及周边监测点平面布置

4 基坑监测与分析

4.1 周边地表沉降监测结果

影响基坑周边地表沉降大小的因素主要取决于基坑降水及围护结构的位置改变[7]。随着基坑开挖深度的增加以及周边地下水位的下降，土层自重应力亦随之增加，进而引起土层压缩和变形，造成不同程度的地表沉降。同时，随着开挖深度增加，土应力的释放越大，围护结构的变形也会随之改变，进而影响地表沉降[8]。

图3为地表沉降测点DM4-1～DM4-5的现场施工实测曲线，因条件限制，仅监测了周边35 m(5 m、5 m、5 m、10 m、10 m)沉降情况。该组测点显示，在底板施作完成前DM4-2测点最大沉降值达12.2 mm，出现在距地连墙10 m左右，但并未达到预警值(14 mm)，且在各个工况下测点距基坑由近及远的沉降趋势呈倒置“弓”形(先增大后减小),具有明显地时空效应。监测显示随开挖深度增加各测点沉降值呈变大趋势，各点在开挖到负二层与底板时沉降变化尤其明显，表明随开挖深度加大及水位下降，地表沉降伴有增大趋势，沉降值在底板施作完成前达到最大值，随即逐渐收敛并最终稳持在安全的可控状态，符合施工安全要求。

图3 地表沉降曲线

4.2 坑外地下水位监测结果

根据多项工程经验,坑外水位监测可检测围护结构止水效果。为监测施工过程中坑外水位的变化情况，中主体基坑周边共设置13个(SW1～SW13)水位测点，本文摘选SW7、SW9、SW12、SW13四个测点进行分析，历时累计变化曲线见图4。由图4可知，坑外测点水位变化趋势相对平缓，且测点均远未达到预警值。同时，天气降雨与否是各个监测孔水位变化的最主要影响因素，可在一定程度上表征监测孔的持续敏感性。从整个监测历程可知，基坑降水效果明显，围护结构未见明显渗漏水情况。即表明此项监测结果足以为安全施工提供价值参考。

图4 坑外水位变化历时曲线

4.3 围护墙体及土体水平位移监测结果

从图5可知(测点较多,本文仅选取CX10、T10进行分析)，由于开挖过程可被视为多次“卸荷-加载”的过程，因此围护结构(地连墙)及坑外周围土体受到在施工中受到这种反复卸荷影响，进而表现出向坑内的位移变形(正值表向坑内位移，负值表向坑外位移)。在整个自上而下的盖挖法施工开挖中，各测点基本上都表现为随开挖深度加大向坑内位移变化持续增加的趋势，且在覆土开挖阶段，变形速率增长较大，而在基坑开挖至负三层及底板施作完工之前时，地连墙及坑外土体水平位移达到最大值(CX10为9.8 mm、T10为8.3 mm，均小于警戒值20 mm)，两者位移最大值均发生在距离坑底13 m左右，但随监测深度的增加位移值逐渐趋于收敛，并最终保持在安全的可控状态。从图7亦可看出，CX10和T10两测点在位移变化走势上大体一致，由此初步表明地连墙及坑外土体在一定程度上可以彼此互相反映测斜情况。

(a) CX10测斜曲线 (b)T10测斜曲线

图5 测点测斜曲线

4.4 围护结构墙顶沉降监测结果

实际工程中，基坑开挖会导致墙体两侧的摩阻力降低，地连墙发生隆起。施做地连墙时槽底清孔不彻底导致底部有沉渣堆积，使得在开挖过程中地连墙会发生下沉。同时基坑降水致使地下的水压力的减小并使得土体产生压缩变形，进而引起地连墙下沉[9-10]。由图6可知，在开挖的各阶段，由地连墙自重以及施工加卸载等影响，地连墙呈现出反复隆沉的竖向变形迹象，且边长越大的墙体，竖向变形越为明显，空间效应越为显著。本次实际监测数据较大(正值表隆起、负值表下沉)，最大值出现在测点Q10上(14.3 mm),远小于预警值25 mm。在开挖覆土阶段围护墙顶的竖向位移变化相对较为平稳，随着开挖深度的增加，不同位置的圈梁隆沉值存在一定的波动和差异，进而可能导致地连墙的不均匀沉降，因此希望在后续的参考施工中需特别留意。