上海天山路地铁车站深基坑开挖施工监测分析

薛 飞 蒋文杰 王天佐 蔡敏钧

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；2.浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室，浙江 绍兴 312000)

0 引言

随着我国经济的迅速发展和城市化建设进程的不断加快，城市人口日益增加，给城市交通带来了巨大的压力，同时也极大地促进了我国轨道交通建设的发展[1].伴随着轨道交通基础建设的快速增长，出现了越来越多的基坑工程，基坑开挖的深度也越来越大，对施工中基坑的支护和周边的沉降控制提出了严峻的技术挑战[2].近年发生了多起基坑塌方事故，北京地铁M15号线顺义地铁站深基坑钢支撑脱落、北京地铁十号线苏州街站塌方、深圳5.11基坑坍塌和清华附中坍塌等工程事故[3].这些事故从侧面表明对基坑稳定性研究的重要性.

为了掌握基坑开挖后围护结构及附近土体的变形规律和控制措施，国内外学者开展了大量的实测及模拟计算研究.王海超等研究得出地下连续墙+混凝土支撑+钢支撑的围护形式对基坑的侧向变形有显著效果，在侧向预警部位临时加装钢支撑是可行有效的措施[4].丁智等人对软土地区基坑分析得出基坑最大侧移和最大沉降量都与开挖深度有密切关系，开挖深度越大，围护结构水平位移和地表沉降呈线性增长[5-6].童建军等人把成都地铁卵石地层和上海软土地表沉降包络线进行比较，发现最大沉降点及突变点距坑壁的距离均约为上海软土地层深基坑的1/2[7].杨有海等认为钢支撑的轴力随开挖深度增加而增加，其大小变化与开挖方式、开挖速度、气温以及下层支撑的拆除有关[8].除了现场监测外，还有较多学者采用数值模拟方法对基坑稳定性进行了深入分析[9-10].然而，由于不同土质、开挖围护技术及开挖深度等条件均会对基坑围护结构和地表变形产生较大影响.因此，以上研究所得出的结论仅适应于特定的工程条件，而不具有普遍适用性.针对具体的工程还需进一步分析其变形规律，以得出更有针对性的结论.

本文以上海轨道交通15号线天山路站工程为研究背景，对基坑开挖过程中地连墙的水平位移，支撑轴力的变化以及周边地表沉降进行了现场监测研究，通过监测数据的分析总结得出基坑围护结构和地表变形规律，并提出相应的控制措施和建议，研究结果可以为类似工程提供经验参考.

1 工程概况

1.1 车站基本概况

上海轨道交通15号线天山路站位于长宁区古北路与天山路十字路口以北，沿古北路呈南北向布置，为地下三层岛式站台车站，基坑平均开挖深度H为28 m，有效站台宽度为14 m，车站主体规模(内净)为160.0 m×21.7 m，设置2组风井及3个出入口，其中2、3号出入口分别和1、2号风亭合建.施工方式采用局部盖挖和顺作法相结合.

1.2 支护参数

基坑围护结构采用1 200 mm厚地下连续墙.端头井挖深29 m，设置八道支撑(第一道和第五道是钢筋混凝土支撑，二、三、四、六、七、八道为钢支撑).标准段开挖深度为27 m，设置七道支撑(第一道和第五道是钢筋混凝土支撑，二、三、四、六、七道为钢支撑).钢筋混凝土支撑规格为Φ800 mm×1 000 mm.钢支撑规格为Φ609 mm.每道支撑间距4.5 m.

1.3 水文地质

拟建场地位于上海市长宁区，地处长江三角洲入海口，属滨海平原地貌类型.天山路站地下车站主体位于古北路上，站址布置于古北路红线范围内，沿古北路南北向布置.拟建场地地势较为平坦，勘察期间测得地面标高约为+3.21～+3.52 m之间.

根据详勘本车站地基土在75.37 m深度范围内均为第四纪晚更新世及全新世沉积物，主要由粘性土、粉性土和砂土组成，一般具有成层分布特点.

场地地层分布具有以下特点(见表1)：

表1 土层物理力学性质指标

(1)浅部地层：天山路站场地内分布有②3-1层粉砂，③1层淤泥质粉质粘土，④1层淤泥质粘土夹砂质粉土.车站基坑开挖施工时，需重点防治第②3-1层的成槽塌孔现象.

(2)深部地层：本标段深部土层分布相对较为平稳，至地表以下15.0 m以下依次分布有⑤1-1层灰色粘土、⑤1-2层灰色粉质粘土、⑤2层灰色粘质粉土夹粉质粘土、⑤3-1层灰色粉质粘土、⑤4层灰绿色粉质粘土、⑦2层灰色粉砂、⑧1层灰色粉质粘土、⑧2-2层灰色粉砂夹粉质粘土，以上各层分布稳定，在本标段范围内地层起伏不大.承压水主要赋存于⑦2层粉砂层、⑧2-2层粉砂夹粉质粘土中，车站基坑开挖需考虑抗承压水稳定.

1.4 周边环境

在二倍基坑开挖深度范围内有：长建公寓七层民宅，距离车站南端头井基坑最近约12.8 m，距离1号出入口基坑最近距离约5.6 m.古北路371弄五层民宅，距离车站标准段基坑最近约14.5 m.新风小区六层民 宅，距 离车 站标 准段 基坑最近约14.1 m，距离北端头井基坑最近约11.6 m.古北泵站二层建筑物，距离车站标准段基坑约7.0 m，距离2号出入口基坑约15.1 m，距离3号出入口基坑约17.3 m.巴黎春天四层建筑物，与天山路站换乘通道合建.2号线区间距离车站南端头井基坑约19.8 m，距离1号出入口基坑约3.9 m，距离2号出入口基坑约12.7 m.周围建筑物较多给工程施工加大了难度，也对现场监测分析提出了更高的要求.

1.5 基坑监测方案及测点布置

天山路站为三层岛式站台，开挖深度H约28 m(见表2)，深度较大.离周边居民楼建筑物较近，东侧长建公寓、新风小区以及西侧新古北泵站等建筑在一倍基坑开挖范围内，同时东侧天山路下有预留的2号线换乘通道.因此主体围护结构的安全等级为一级， 环境保护等级为一级，监测等级为一级.为了该车站的施工顺利和周围环境的安全对该基坑开挖的全过程进行严密监测(如图1)，把监测数据和警报值对比并判断是否满足下一步施工安全要求.全程掌握基坑围护体系的安全情况，保证开挖过程中基坑一直处于安全可控的状态.

表2 基坑主要施工阶段

图1 基坑监测布点平面图(局部)

1.6 施工监测频率及报警值

1)监测频率(见表3)

表3 监测频率

2)基坑监测报警值(见表4)

表4 基坑监测报警值

2 监测结果数据分析

由于施工场地环境复杂导致部分测量数据不完整，本文选取标准段两组地表监测点(DB3、DB4)，两个围护结构深层水平位移监测点(CX7、CX8)，和两个轴力监测点(ZCL-5、ZCL-6)开展分析与讨论.

2.1 地表沉降数据分析

地表沉降随时间变化曲线如图2和3所示，由于施工环境限制导致位于基坑边缘的DB3-1和DB4-1测点在施工过程中损毁，因此在数据曲线图中没有列出.图中曲线中负值代表沉降.可以看出基坑在开挖前，土体未受扰动，土体沉降值基本为零.随着基坑土体的开挖，施工过程中对土体产生了扰动，同时开挖造成地下水位下降带走大量土体里的颗粒导致地表沉降逐渐变大.在第六层土层开挖到第七层支撑安装完毕前这段时间地表沉降最快.在七道支撑全部安装开始浇筑底板沉降的速度有所变缓，这是因为在围护结构作用下开挖土体受力从不稳定状态逐渐回到稳定阶段.在顶板施工养护完成之后土体的沉降曲线基本为走平，沉降趋于稳定.施工过程中DB3测点最大沉降值137.1 mm(DB3-4)，DB4测点最大沉降值143.2 mm(DB4-5)，说明地表沉降最大值并不是位于基坑边缘[11-12].

图2 DB3-2～5测点基坑周围地表施工全过程中沉降随时间变化曲线

图3 DB-4-2～5测点基坑周围地表施工全过程中沉降随时间变化曲线

图4和图5分别为DB3-2～5和DB-4-2～5测点在各工况下的沉降发展曲线，从图4和图5可以看出，随着基坑开挖深度的增加，基坑周边地表沉降持续增大，在开挖第六层土体时沉降速率达到最大(其中下降最快的分别是DB3-4速率1.47 mm/d、DB4-4速率1.72 mm/d，均未超过报警值)，到坑内支撑全部安装完毕开始浇筑底板时才有所变缓，然后随着支撑的拆除，地表沉降速率又进一步增大，直到施做顶板后沉降才逐渐趋于稳定.此外还可以看出地表最大沉降位置不在基坑边缘而是位于距基坑边缘8～10 m(0.3～0.36 H)处.同时各测点的最大沉降值都超出了报警值，尤其在开挖过程中沉降数值变化最快，因此在后续开挖中需对开挖方法和围护结构进行优化.

图4 DB3-2～5测点在各工况下的沉降发展曲线

图5 DB4-2～5测点在各工况下的沉降发展曲线

2.2 围护结构深层水平位移分析

图6和图7分别为CX7和CX8测点地连墙不同深度水平位移曲线，由图6和图7可以看出基坑开挖前期地连墙位移呈现出前倾式变形，随着开挖深度的增加地连墙的位移随之增加，位移曲线呈现出中间凸向坑内两边尖的特征随后逐渐演变为“弓”形分布.在基坑深度0～5 m范围内地下连续墙出现负值或接近负值，这是由于基坑开挖深度较小，主动土压力较小，加之坑内外的降水不均匀导致.此外，向坑内位移小也说明了第一道钢支撑发挥了较大的作用.随着开挖深度的增加，主动土压力逐渐增大，地连墙的位移也逐渐增加.以CX7测点为例最大水平位移位置从一开始的9.5 m逐渐下移最后稳定在29 m左右，最大水平位移值为72.9 mm.CX8测点最大位移位置与CX7相似，CX8测点最大位移位置也在30 m深处，最大位移值为69.7 mm.因此可以得出地连墙最大变形位置不在地连墙上部和底部，而在地连墙的中部.这说明上部混凝土支撑及其他围护结构和地连墙底部嵌固端发挥了作用， 一定程度上限制了地连墙的侧移.在坑内支撑全部安装完成后，底板、顶板强度达到后，地连墙变形出现回弹现象，表明底板和顶板对地连墙的侧移也有很好的限制作用. 此外，CX7、 CX8两侧点的最大位移均超过报警值，说明对于本项目采用的围护结构其最危险处位于结构中部，围护结构位移变形较大，应改善施工质量并提高相应位置支撑的刚度，以减少围护结构的过度变形.

图6 CX7测点在不同工况下不同深度水平位移曲线

图7 CX8测点在不同工况下不同深度水平位移曲线

2.3 支撑轴力分析

因施工原因轴力监测部分选取了基坑标准端具有代表性的两个截面轴力ZCL-5、ZCL-6，共有七层支撑监测数据.第一和五层为混凝土支撑，二、三、四、六、七层为钢支撑.两截面支撑轴力随时间变化曲线见图8和图9所示，轴力变化曲线呈波动性，下一层支撑安装完毕时上一层支撑轴力就会出现趋于稳定或下降的趋势.第一层钢筋混凝土支撑基本上呈现逐渐增大的趋势，二、三、四层钢支撑施加初始预应力后发生快速损失，进行预应力补充后仍出现损失较大的情况，说明预加应力没有起到较有效的作用.第五层钢筋混凝土支撑轴力出现快速增长，这是由于此时基坑开挖到中下部，围护结构向坑内发生较大位移，因而支撑轴力迅速增加.这一阶段与地表沉降也能相互对应，地表沉降在此阶段沉降速率最大.第六、七层轴力明显高于其他层且最大值达到4 575 kN，这是因为这两层支撑最接近地连墙变形的最大位置.当坑内支撑全部撑好，开始修筑底板和顶板时各层轴力都逐渐趋于稳定.最后，由下至上逐渐拆除各层支撑时，第一层混凝土支撑轴力又再次增大.因此在支撑拆除时需要对基坑加大监测，防止基坑发生较大变形影响基坑结构安全.

图8 ZCL-4测点各道支撑的轴力时程曲线

图9 ZCL-5测点各道支撑的轴力时程曲线

3 结论

本文以上海轨道交通15号线天山路车站基坑施工项目为例，通过对地表沉降、地连墙的水平位移、支撑轴力的监测数据分析得出以下结论.

(1)基坑标准段周围的地表沉降最大值不在基坑边缘， 而是在距基坑边缘8～10 m(0.3～0.4 H)处.基坑周围土体沉降在开挖前期持续增大，在开挖至第六层土体时沉降速率最大，到坑内支撑全部安装完毕开始浇筑底板时才有所变缓，然后随着支撑的拆除，地表沉降速率又进一步增大，直到施做顶板后沉降才逐渐趋于稳定.表明在基坑开挖深度到基坑中下部及支撑拆除时，对附近土体的扰动最大，此阶段应要加大监测频率，保证基坑施工安全.

(2)地连墙变形与基坑开挖深度、支撑安装的工艺以及底板和顶板的修筑时间有显著关系.当开挖深度较浅时，土压力较小，坑内外降水不均匀导致地连墙呈前倾式变形，随着基坑开挖深度的增加，地连墙的最大位移位置逐渐下移，从一开始的9.5 m下降到最终的29～30 m，维持在地连墙中部，整体变形呈“中间鼓，两头小”弓字形状.

(3)支撑轴力变化与基坑开挖深度、安装支撑的工序、地连墙变形以及最大位移处的位置有较大关系.在下一层支撑安装完毕时上一层支撑轴力就会出现趋于稳定或下降的趋势.受底板作用，轴力测点最大轴力都不在最后一层而在第六层.为防止支撑和围护结构的分离在安装支撑时要增加监测频率，保证施工安全.钢筋混凝土支撑在支撑体系中起到了重要作用，底板和顶板的及时施做对基坑的变形也起到抑制作用.