深大基坑施工对邻近地铁车站影响监测分析

卓国棪

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

随着城市化进程的推进，地下轨道交通网络成为城市交通枢纽的必要基础设施，其运营的安全性至关重要[1]，地铁作为一种城市便捷的交通方式，地铁车站均布设在城市主要繁华地段[2]，地铁沿线的地下空间开发也越来越多，邻近深基坑施工对地铁结构安全的影响是极为重要的课题。每个涉及地铁安全的基坑工程在施工前都应进行安全评估工作，分析判断影响程度，施工过程应进行严格的地铁保护性专项监测，运营区域尽可能采用自动化监测技术，实时获得地铁结构的变形情况，确保安全。

福州地铁1号线为福建省首条建成运营的地铁线路，工程实例为福建省首例紧邻地铁车站的深大基坑工程施工，各单位高度重视。本文通过数值模拟分析结合现场监测数据对比分析，掌握了基坑施工过程邻近地铁车站结构全过程的变形情况，归纳总结变形规律，希冀能为类似工程提供借鉴参考。

1 工程概况

某工程基坑长、宽约110 m，面积12 800 m2，±0.000标高为罗零8.900 m，坑底标高为罗零-5.300 m～-6.800 m，基坑开挖深度为14.0 m～14.6 m，基坑采用以下支护方案：围护桩采用直径900 mm冲钻孔灌注桩，围护桩之间设置三重管高压旋喷桩挡土与止水，基坑竖向设置两道钢筋砼内支撑。

已运营地铁车站位于施工场地东侧，车站为三层地下结构，顶板标高约罗零8.200 m～9.300 m，底板标高约罗零-9.230 m～-9.470 m，地铁车站基坑开挖深度约为18.7 m。车站起点里程SK4+229.000，终点里程SK4+465.407，总长约236 m。

基坑东侧边长约120 m，位于车站西侧中段位置，基坑东侧围护桩与车站外侧地下连续墙距离约1 m～2 m。平面位置关系如图1所示。

图1 施工场地与地铁车站平面位置图

1.1 工程地质情况

场地地面高程约为罗零6.900 m～8.200 m，覆盖层主要为第四系不同成因类型的岩土层(成因类型分别属于人工杂填、淤积、冲洪积、残坡积等)，基底为不同风化程度的花岗岩和辉绿岩。场地土层自上而下为：①杂填土，松散～密实，厚度约1.7 m～4.3 m；②粘土，软塑～可塑，厚度约0.0 m～1.2 m；③淤泥，流塑，厚度约2.2 m～5.8 m；④粉质粘土，可塑～硬塑，厚度约12.1 m～17.3 m，局部分布有透镜状或似层状夹层砾砂和淤泥质土；⑤淤泥质土，流塑，厚度约0.0 m～1.6 m；⑥砾砂，稍密～密实，厚度约0.0 m～2.0 m；⑦粉质粘土，可塑～硬塑，厚度约0.0 m～1.5 m；⑧残积砾质粘性土：可塑～硬塑，厚度约0.0 m～2.2 m；⑨全风化花岗岩，厚度约0.0 m～5.9 m；⑩强风化花岗岩。

图3 轨行区监测点布设平面图

1.2 水文地质情况

该场地地下水类型主要为赋存于：①杂填土中的孔隙潜水，富水性一般，水量较小；④-A层砾砂和⑥层砾砂中的孔隙承压水，富水性一般，水量较小；下部花岗岩风化带中的孔隙-裂隙水，主要接受大气降水下渗补给和邻近含水层的侧向迳流补给，从揭示情况看，该层局部存在张性裂隙带，总体属弱～中等透水层，且厚度较大，水量较大，为本场地主要含水层，该层地下水具承压性。

场地内3层含水层水力联系紧密，相互补给，地下水位高程为罗零3.880 m～5.670 m。地下水混合稳定水位埋深为1.00 m～1.40 m，高程为罗零5.580 m～7.010 m。该场地地下水位年变化幅度约1.00 m～2.00 m，历史最高水位约为罗零8.300 m，近 3～5年的最高水位约为罗零8.00 m。

该工程采用集水明排与管井降水相结合的方式进行降排水，在基坑四周布置回灌井以控制其地下水位标高降低，避免对周边产生影响。

1.3 地铁车站监测方案

福州地铁1号线在基坑开挖与建设期间已开始正常运营，位于结构底部的轨行区采用徕卡TM50全自动化测量机器人搭载多测回测角GeoMoS软件建立高等级三角网、导线(网)实现远程自动化监测[3]。

坐标系定义：本次地铁隧道监测坐标系为假定坐标系，采用的是右手法则。沿着地铁线路南北走向为X轴，东西走向为Y轴，Z轴为垂直地面方向。

布点范围：基坑开挖范围约120 m，往南、北两侧各适当延伸30 m作为地铁车站监控范围，即监测的范围长度约180 m，靠近基坑侧轨道道床(上行线)按每5 m布设一个断面，共布设36个断面，每个断面2个点，远基坑侧(下行线)按每10 m布设一个断面，共布18个断面，每个断面2个点，布设各轨道道床附近，合计布设108点，如图2～图3所示。监测项目为：水平位移、竖向位移。

图2 轨行区监测点布设断面图

车站两端头为基坑影响区域外，各布设4个基准点，基准点采用徕卡GPR1型的大棱镜，确保基准点稳定；工作点架设在中部结构壁上；监测点采用L型反射棱镜。为保证成果的可靠性，每次检测基准点的稳定性。

车站负一层未装修，场地空旷无干扰，采用人工监测方法，测得车站结构顶部水平位移。监测点采用L型钢筋及棱镜布设于结构两侧的墙面(柱)上，采用植筋方式布点，布点间距约8 m～17 m，共布33个监测点,如图4所示。

图4 车站负一层监测点布设平面图

2 数值模拟分析

2.1 计算软件、模型、参数

该项目基坑开挖对相邻既有地铁车站的影响分析采用岩土、隧道结构专用有限元分析软件MIDAS GTS(Geotechnical & Tunnel analysis System)Ver4.0进行，MIDAS GTS 的施工阶段分析采用的是累加模型，土体材料本构模型取用德鲁克-普拉格(Drucker-Prager)弹塑性模型。

根据本基坑与邻近地铁结构立体关系以及基坑工程支护结构设计及施工特点，对施工全过程进行模拟。MIDAS有限元模型中，采用三维单元模拟地层、围护结构及地下室结构、地铁车站主体结构。计算模型范围以外轮廓为基准，外扩一定距离后而建立。有限元模型的边界条件为：模型底部约束竖向位移，模型左右两侧约束水平向位移。基坑开挖对地铁车站影响有限元计算模型如图5～图6所示，土层材料属性如表1所示。

图5 土层模型

图6 结构模型

表1 土层材料属性表

2.2 各施工阶段数值模拟结果分析

当完成地下室基坑土体开挖后，主体结构顶部在垂直于地铁车站纵向的水平最大位移为9.8 mm，竖向最大位移8.7 mm(上浮)，各阶段位移变化如表2所示。

表2 火车站站主体结构位移变化表

基坑开挖后，地铁车站将产生一定变形，由于车站主体结构刚度较大，基坑开挖后车站主体结构基本呈整体变形，位于车站内的轨道也将产生相应的附加变形。施工后底板横向最大相对高差为6.31 mm，计算可得单线轨道横向最大高差0.43 mm；轨道下方结构底板竖向最大绝对位移为4.84 mm，计算可得10 m弦测轨向高差约0.6 mm。

根据数值模拟计算，车站结构变形满足《城市轨道交通结构安全保护技术规范》CJJ/T202-2013中地铁运营安全控制预警值要求：变形预警值为10 mm，轨道横向、轨向高差控制值为4 mm。

3 监测结果

3.1 车站结构竖向位移监测结果

现场实际监测结果显示，上行线累计上浮最大值2.45 mm(S31断面)，累计下沉最大值1.72 mm(S36断面)；下行线累计上浮最大值2.03 mm(S10断面)，累计下沉最大值1.14 mm(S01断面)。

将每个断面两个点沉降平均值为纵轴，沿地铁走向的断面作为横轴，绘制横向曲线图如图7～图8所示。

图7 上行线横向沉降曲线图

图8 下行线横向沉降曲线图

选取前、中、末段若干测点沉降结果绘制沉降-时间曲线如图9～图10所示。

图9 上行线沉降-时间曲线图

图10 下行线沉降-时间曲线图

3.2 车站结构水平位移监测

车站结构底监测结果，上行线累计水平位移最大值2.80 mm(S6断面)，下行线累计水平位移最大值3.14 mm(S6断面)。可见车站结构水平位移变化较小。

将每个断面两个点水平位移平均值为纵轴，沿地铁走向的断面作为横轴，作横向曲线图如图11～图12所示。

图12 下行线横向水平位移曲线图

选取前、中、末段若干测点监测结果绘制水平位移-时间曲线如图13～图14所示。

图13 上行线水平位移-时间曲线图

图14 下行线水平位移-时间曲线图

车站结构顶部监测结果，水平位移最大值9.7 mm(JGC24点),横向曲线如图15所示、位移-时间曲线如图16所示。

图15 车站结构顶部水平位移横向曲线图

图16 车站结构顶部水平位移-时间曲线图

4 监测结果分析

根据上述监测结果分析：

(1)车站结构累计竖向位移1.72(下沉)～2.45(上浮)mm，由图7、图8可知：地铁车站基坑中部位置相对于两端有上浮的趋势，由图9、图10可知：车站结构竖向位移随时间变化较为平缓。可见车站结构竖向位移总体变形较小，受基坑施工影响较小，对各工况反映不明显。

数值模拟结果主要表现为上浮，最大上浮量为8.7 mm，较实测值大，究其原因主要为：地铁车站为深埋地下的完整结构，埋深大于基坑开挖深度，地下连续墙与结构外墙共用，基础为桩基础，有相应的抗浮措施，具有良好的抗拔性和抗侧向位移性，基坑降水一定程度上抵消了一部分上拔力。因此，实际监测结果结构底竖向位移、水平位移均较小，受基坑开挖影响较小。

(2)车站结构底水平位移，主要表现为向基坑侧位移，累计水平位移最大值3.14 mm。由图11、图12可知：车站结构底水平位移主要表现为向基坑侧位移，车站南段位移量相对于北段大些，上下行线协同变形，车站底板标高低于基坑底，总体位移量较小；由图13、图14可知：车站结构水平位移随时间变化较为平缓。可见车站结构底水平位移变化较小，受基坑施工影响不大，对各工况反映不明显。

(3)车站顶部最大水平位移9.7 mm，与数值模拟的9.8 mm相当，由图15可知最大位移出现在基坑中部偏北的位置，与数值模拟的基坑中部有所差别；由图16可知：基坑开挖施工过程车站顶部水平位移随时间变化较为平缓，受基坑开挖施工影响不大，但在拆除第一道支撑后出现突变，JGC22、JGC24、JGC26点变化明显，其余测点变化相对较小。

究其原因主要为：本基坑采用不对称开挖方式，开挖顺序为远离地铁车站的西侧先开挖，再陆续向东侧开挖，对车站位移起到了一定的控制作用，在拆除第一道支撑梁后产生应力释放，车站顶部位移发生突变现象。

5 结语

(1)根据现场监测结果，车站结构变形满足规范安全控制预警值要求。

(2)采用不对称开挖方式，对车站位移控制作用较为明显，应注意换撑、拆撑顺序等，避免类似位移突变情况发生。

(3)因数值模拟模型较为理想，无法考虑所有影响因素，理论计算无法替代实际监测。

(4)数值模拟分析为前期评估、指导施工提供重要依据，通过对监测数据与理论值的比较、分析，对数值模拟计算进行验证补充，为改进理论计算提供工程经验数据。