地铁车站基坑半幅盖挖法施工监测及分析

石 岭，周 宾，李永辉，高笑娟

（1. 中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100；2. 河南科技大学土木工程学院，河南洛阳 471000）

1 引言

地铁路线往往穿越城市中心地带的建筑密集区，周边环境复杂，车站深基坑开挖过程对周边环境会产生较大影响。为减轻基坑开挖对周围环境的影响或者隔离地下水，地连墙成为基坑围护结构的常用形式。为减少复杂条件下地铁施工对上部交通的影响，半幅盖挖法得到了较为广泛的应用[1]，半幅盖挖法可以充分利用明挖法和盖挖法的各自优点，有效缓解车站基坑施工工期紧、安全要求高、地面交通流量大、周边环境复杂等因素之间的矛盾，实现较好的经济效益和社会效益[2]。然而深基坑施工过程是动态化的过程，随着施工进展，围护结构、支撑体系和周边建筑均会发生不同程度的变形，在其内部产生应力，不同土层中，所引起的变形特征不同。杨敏[3]、丁勇春[4]等人研究了上海软土地区的深基坑变形特征，分析了基坑周围的沉降特征和预测方法；丁智[5]等人对浙江省软土地区37个深基坑的变形特征进行了统计分析，探讨了基坑支护结构水平位移和周围地面的变形规律；谢冬洲[6]等人对西安黄土地区的深基坑变形规律进行了分析，并与南方软土基坑施工变形特征进行了对比；贺炜[7]等根据工程实测结果，从支护结构内力、地连墙侧向位移、周边地表沉降规律等方面，分析了基坑开挖本身的安全性及对周边环境的影响。

众多的研究成果表明，土层的性质和施工方法是对基坑变形影响最大的因素，各地区土层性质不同，所引起的基坑变形差别较大，而且施工过程中的影响因素众多，造成基坑变形复杂，对安全带来不确定因素。半幅盖挖法施工的基坑，由于结构刚度的不对称性[8]，会引起围护结构和周边环境的复杂变化，目前关于半幅盖挖法施工所引起的支护结构的应力和周边环境变形的资料较少。本文结合洛阳地铁1号线武汉路站基坑施工监测数据，对支护结构的内力和变形以及周边地面、邻近建筑的变形进行分析，并对引起内力和变形的原因进行探讨，以期为后续类似深基坑工程提供借鉴。

2 工程概况

洛阳地铁1号线武汉路站位于洛阳盆地内洛河Ⅱ级阶地，场地范围内分布有全新统和上更新统冲洪积黄土状土，层厚约5.2～18.9 m，下伏卵石和基岩层，根据区域地质资料和地区工程经验，本车站场地为非自重湿陷性黄土场地。车站标准段基坑开挖范围的土层主要为：①1杂填土、②2黄土状粉质黏土、②3黄土状粉土、③2粉质黏土、③3粉土、③9-4卵石等，基底处的土层主要为③9-4卵石层。车站范围内枯水期稳定水位埋深为17.1～19.8 m，地下水位变幅2 m。

武汉路站主体结构采用单柱双跨与双柱三跨结合的钢筋混凝土箱型框架结构，车站总长160.9 m，结构标准段宽度为21.90 m，标准段基坑深约25～26.1 m，北端端头井基坑深约26.5 m，南端端头井基坑深约27.7 m。车站周边建筑密集，地下管线密布，施工场地狭窄。东北象限有重要的历史保护性建筑（以下简称“建筑1”），为4层砖混结构，局部3层，地上建筑高度为14.5 m，无地下室，距离车站基坑主体15.58 m，与1号风亭基坑最小距离8.9 m，属于Ⅰ级风险源，要求竖向变形值在±10 mm以内。车站周围其余位置均为商业楼或者住宅小区，距离最近的多层建筑为基坑主体西南象限的7层砖混结构住宅楼（以下简称“建筑2”），该建筑的东北角距离基坑6.09 m。由于车站周围交通量大，且施工场地狭小，不具备坑外降水条件，也缺少搭设龙门吊的空间，因此考虑采用地连墙加内支撑的支护体系，并且采用半幅盖挖法施工。

标准段基坑竖向设置4道支撑，第1道支撑采用700 mm×900 mm混凝土支撑，间距9 m；第2、第4道支撑采用φ609 mm、t=16 mm钢管支撑，间距3 m；第3道支撑采用φ800 mm、t=16 mm钢管支撑，间距3 m。

端头井段基坑竖向设置5道支撑加1道换撑，第1道支撑采用700 mm×900 mm混凝土支撑，间距3.3～6 m；第2道、第4道、第5道支撑采用φ800 mm、t= 16 mm 钢管支撑，间距 1.84 ～ 5.04 m，钢管支撑端头设置钢围檩，钢围檩采用双榀工56C工字钢外加焊接钢；第 3 道支撑为 1 000 mm×1 200 mm 混凝土支撑，支撑中心线标高与标准段处第3道钢管支撑相同；混凝土支撑顶在混凝土腰梁上，混凝土腰梁尺寸在盾构井段为1 200 mm×1 200 mm，其余位置为 800 mm×900 mm。

基坑施工顺序为，先施工盖挖侧地连墙和临时中柱，开挖土层至顶板以下0.5 m，施工顶板；等顶板混凝土达到设计强度以后，改迁管线，上部覆土；先开挖明挖侧第1层，施工第1道混凝土支撑；然后从两端向中间依次开挖下部土层，施作下部支撑；开挖至基坑底部，浇筑混凝土垫层，施工底板、中板和顶板。

3 基坑监测点布置

武汉路站是洛阳地铁1号线唯一一座地下3层车站，该工程是洛阳首次采用地连墙加内支撑的支护形式并且采用半幅盖挖法施工的大型深基坑。因此，基坑的监测显得更加重要，一方面要保证围护结构和历史保护性建筑的安全性，另一方面其施工的经验和监测数据可为类似土层中工程提供借鉴。图1为基坑及周边测点布置示意图，图1中ZCL-01～ZCL-10为支撑轴力测点，ZQT-01～ZQT-18为墙体水平位移测点，DBC-01～DBC-28为墙后地面沉降测点。由于本文所述的基坑周围建筑密集，在垂直于基坑开挖边线布置地面沉降观测点时，大部分监测断面只能布置2个监测点，分别位于地连墙外侧1 m和6 m处；少部分监测断面布置5个监测点，至地连墙外边沿的距离依次为1 m、6 m、11 m、16 m、21 m。周围建筑按照规范要求布置沉降测点，地下管线布置沉降测点，此外还布置地下水位测点、立柱竖向变形和倾斜测点等。

图1 基坑及周边测点布置图

4 监测数据分析

4.1 混凝土支撑轴力分析

图2给出了混凝土支撑测点的支撑轴力时程曲线，由图2可见，所有混凝土支撑的轴力呈现明显一致的规律性变化，变化过程大致分为3个阶段：第1阶段为2019年2月9日之前各支撑轴力值的上升阶段，该阶段正进行第1层土方开挖，该层土方开挖完成后支撑轴力逐步发挥并且达到稳定值；第2阶段为支撑轴力的稳定阶段，轴力值处于2 200 kN左右，这一阶段基本上持续到4月18日基坑所有的土方开挖完成，轴力均未超过设计控制值3 000 kN；第3阶段为车站结构施工阶段。按照一般的规律，随着地下结构的施工，下部钢管支撑逐步拆除，结构刚度逐渐增大，混凝土支撑轴力应该逐步减小或者稳定[9-11]，但是图2中显示本工程的混凝土支撑轴力增长一直持续到地下结构顶板施工完成，其最大轴力值超过设计值1倍之多。然而所监测的地面沉降、周边邻近管线沉降、周边建筑沉降、立柱位移和倾斜、地下水位等指标均正常，远小于控制值，由此可以判定基坑是安全，也说明不能单一用支撑轴力作为安全监测指标。

图2 混凝土支撑轴力时程曲线

4.2 地连墙侧向水平位移分析

将2019年5月18日基坑明挖侧、端头侧和盖挖侧的地连墙墙体位移分别绘制于图3、图4和图5中，对图3～图5分析如下。

（1）由图3可见，明挖侧墙体水平位移主要为“反弯型”，墙顶附近出现较大的负向位移，而墙体中部是向基坑内部的正向位移，在数值上正向位移达到负向位移的1～3倍。

（2）由图4可见，基坑两端墙体水平位移较小，其最大值在±4 mm以内。分析其原因可能是这些点位于基坑的两端扩大区域，该部位有2道混凝土支撑和3道钢管支撑，盖挖侧两端还各有1排钢筋混凝土桩，其对周围墙体的约束力强，减小了墙体变形，即文献[2]中所说的拐角强化效应。

图3 明挖侧墙体水平位移

图4 基坑两端墙体水平位移

图5 盖挖侧墙体水平位移

（3）由图5可见，盖挖侧墙体水平位移的变化比较复杂，有部分测点向着墙后发生较大位移，表现出“悬臂型”特征，例如ZQT-12、ZQT-14、ZQT-15测点；有的为两头小、中间大的“鼓胀型”，例如ZQT-16测点；有的为“反弯型”，墙顶的负向位移和墙中部的正向位移均较大，例如ZQT-13测点。

4.3 地连墙最大水平位移位置分析

图6为武汉路车站基坑明挖侧ZQT-6测点地连墙的水平位移随着开挖深度的变化曲线，由图6可见，随着基坑开挖深度的增加，墙体水平位移最大值的位置逐渐下降，垫层浇筑完成之后，水平位移的大小和最大值的位置基本稳定，最大水平位移均处于基坑底面以上，未出现处于底板或者底板以下深度的情况。从图6中明挖侧、盖挖侧和基坑短边中点处的最大位移变化曲线可见，地连墙的最大水平位移均位于墙顶以下15～20 m，若取基坑平均开挖深度为25.5 m，则最大值位于底板以上0.22～0.42H（H为基坑开挖深度），与文献[2-6]数据进行对比说明洛阳地区的土层性质不同于南方的软土层，而与西安土层更为接近。

图6 ZQT-6测点墙体水平位移随开挖工序的变化

4.4 地连墙外侧地面沉降分析

（1）地连墙外侧地面沉降时程曲线如图7所示，由图7可见，盖挖侧地面主要表现为隆起变形，明挖侧主要表现为下沉变形，4月中下旬以后，监测点的隆起量也逐渐减小，沉降量逐渐增大。对应于施工进度，4月中旬以前主要是土层开挖和支撑的架设阶段，从4月中旬以后则主要是车站结构的施工以及钢管支撑的拆除阶段。6月14日整个基坑的结构顶板混凝土全部浇筑完成，随着地下结构混凝土强度提高，地面的竖向变形量也基本上趋于稳定。整个施工期间地面的竖向变形均在±6 mm以内，未超过控制值±25 mm，因此对结构的安全性影响不大。

图7 地连墙外1 m处地面沉降时程曲线

（2）基坑开挖导致土压力不均衡，使支护结构产生变形，从而使支护结构后的土体产生位移，致使地表沉降，所以地面沉降量和围护结构侧移量密切相关。地连墙外侧地面沉降与地连墙距离的关系曲线如图8所示，可以看出，基坑两侧地面的竖向变形表现出不同的特征。对于基坑的两端和明挖侧，地面的变形主要表现为沉降，并且呈现出比较明显的“双凹槽形”特征。距离墙体最近的点沉降值较小，可能是地连墙与土体之间的摩阻力限制了土体的沉降值[12-17]，第1个“凹槽”出现的位置较为一致，大致位于距墙6 m处，相当于0.24H；第2个“凹槽”位于距墙16 m处，相当于0.63H；总体沉降影响范围超过21 m。位于盖挖侧的DBC-17和DBC-24号测点地面沉降值很小或者表现出隆起特征，说明盖板的刚度对地面沉降具有抑制作用。

图8 地连墙外侧地面沉降随距离的变化

4.5 周围建筑沉降分析

图9 建筑1沉降时程曲线

图10 建筑2沉降时程曲线

在基坑东北象限的建筑1（靠近基坑明挖侧）和西南象限的建筑物2（靠近基坑盖挖侧）沉降时程曲线如图9和图10所示，由图9、图10可见，建筑2的沉降值小于建筑1，说明盖挖顶板的刚度对周边沉降具有一定的抑制作用，对建筑起到保护的效果。从2座建筑沉降曲线的形状上看，具有相似的变化特征，前期各测点沉降曲线上下起伏明显，到后期变化特征一致，各条线基本上平行，对于建筑1，这一变化发生于4月28日以后，建筑2出现在5月27日以后。对应于车站的施工阶段，4月28日与建筑1较近的基坑东端扩大端开始施工结构顶板，而西端扩大端结构顶板施工是从5月27日开始，由此可以说明，从结构顶板开始施工时，周边的建筑沉降已达到稳定状态。总体上，在基坑开挖和地下结构施工过程中，建筑沉降在±8 mm以内，满足沉降控制值不超过±10 mm要求。

5 结论

洛阳武汉路基坑首次采用地连墙加内支撑的基坑支护形式，采用半幅盖挖法施工，该基坑的开挖能够安全顺利进行的原因在于严格按设计和规范施作地连墙等围护结构，保证了地连墙等围护结构的刚度和强度，从而有效控制了结构的侧向位移，最大限度减小了基坑开挖所引起的结构、地面变形，保证了重要历史建筑及周边其他建筑物的安全性。通过本文的研究，得出以下结论。

（1）施工过程中混凝土支撑轴力最大值超过设计值1倍左右，其他监测指标均正常，远小于控制值，说明仅仅混凝土支撑轴力超过设计值，不能判定基坑存在安全问题；混凝土支撑轴力的影响因素复杂，钢管支撑的拆除以及坑边超载对其大小的影响程度还需进一步研究。

（2）从地连墙水平位移的变化特征来看，明挖侧的变形较为一致，盖挖侧的变形较明挖侧复杂，不宜用统一的变化规律来表述，这说明半幅盖挖法施工会引起基坑两侧不对称的变形，进而在围护结构中产生不对称的内力，在该土层中的影响规律还需要更多工程实例来验证。

（3）地连墙最大水平位移均处于基坑开挖底面以上，约为0.22～0.42H，未出现处于底板或者底板以下深度的情况，与有关文献对比结果表明洛阳地区的土层性质与南方软土不同，与西安地区更为接近。

（4）半幅盖挖法施工过程中，盖挖侧与明挖侧地连墙外侧地表沉降变化规律不同，盖挖侧地面沉降小于明挖侧；邻近盖挖侧的建筑沉降小于明挖侧建筑沉降，说明盖挖侧顶板对周边地面沉降有抑制作用，地下结构顶板施工完成后，其邻近建筑的沉降才逐渐趋于稳定。