地铁深基坑施工动态监测及应用

高胜奎

（中铁二十二局集团轨道交通有限公司，北京 100043）

1 地铁深基坑施工动态监测及应用的性质及概述

随着我国经济的高速发展，城市的发展得到了带动，基础设施不断完善，作为城市重要交通设施的地铁飞速崛起。根据当前情况来看，大多数的城市都在建设的地铁轨道工程，特别是在发达城市和新兴城市，地铁建设形成了新的高峰期[1]。面对城市复杂的地下环境，必须采用信息化技术为地铁项目工程的实施做支撑，而运用信息化技术的重要步骤，就是深基坑施工的动态监测和应用。根据一般定义来说，深基坑工程是深基坑底部的面积在27m2以内，底部的长边小于3倍的短边，开挖的深度超过5m（含5m）或者地下室三层以上（含三层），或者虽然开挖的深度没有超过5m，但是地质环境特别复杂的工程。同时，深基坑工程是地铁建设的核心工程，深基坑的建设质量影响着地铁工程的进行。在深基坑工程开挖之前，要先根据设计文件及现场实际情况确定好监测点位置，这些监测点包括地上的建筑物、地下的管道和线路、地表沉降、支护结构水平及竖向位移、支撑应力等。地铁深基坑的挖掘过程中，必须做好对深基坑周围环境的动态监测，并同步施工支护结构。除此之外，进行检测工作的相关部门要及时上报相关的检测数据，并根据数据设计相关方案，之后的深基坑施工过程都应该严格按照方案实行。随时对施工过程中的情况进行全方位的监测，为地铁施工项目提供相关的数据，使工程能够根据监测数据反馈实时调整施工方案和施工工艺，加强深基坑相关防护，尽可能避免重大事故的发生，减少地铁建设和城市发展的损失，从而保证地铁深基坑工程的顺利进行[2]。

2 地铁深基坑工程水文地质概况

2.1 土质情况岩土层岩性特征

本文以地铁大墩站为例。

（1）海陆交互沉积层。淤泥质土本层零星分布在场地内，多呈透镜体状分布在淤泥与粉细砂之间。灰黑色、深褐灰色，流塑状，主要由黏粒、粉粒组成，含贝壳等，局部夹淤泥，个别钻孔含多量有机质，按有机质含量分类该层亦属泥炭质土。

（2）冲洪积层。砾砂层本层呈透镜体状分布在场地内。浅灰、褐黄色，饱和，松散～中密，级配良好，以石英砂砾为主，含有少量黏粒，磨圆较差，呈次棱角状。平均层厚为2.48m。

（3）第四系残积层。软可塑状碎屑岩残积土多数呈棕色，少量褐红色，为古近系碎屑岩泥质粉砂岩、细砂岩风化残积土，以粉黏粒为主，含少量粉细砂，呈可塑状。本层在场地广泛分布，主要分布在基岩顶部。硬塑状碎屑岩残积土呈棕色、褐黄色，褐红色，为新近系碎屑岩泥质粉砂岩、细砂岩风化残积土，以粉黏粒为主，局部含较多砂粒，呈硬塑状，韧性及干强度中等，遇水易软化。

（4）强微风化岩层。强风化岩层岩性主要呈棕红色、褐红色、深灰色等色，母岩为新近系碎屑岩泥质粉砂岩、泥岩、泥质粉砂岩、细砂岩等。本次标准贯入试验实测击数51～58击，平均54.90击。本层在个别钻孔零星有分布。

（5）水文地质条件。大墩站地貌上属于海陆交互相冲洪积平原地貌，所揭露第四系地层为人工填土层，海陆交互相沉积层、冲积～洪积砂层、土层及残积土层，基岩为古近系碎屑岩，地下水位的变化受地形地貌和地下水补给来源等因素控制，地下水位埋深较浅[3]。松散土层孔隙承压水第四系含水层主要为冲积～洪积砂层层、海陆交互相砂层，其富水性和透水性与砂土颗粒组成有关，砂质颗粒越粗，分选性好，砂质纯净，富水性好，径流通畅，透水性强，反之则差。基岩裂隙水本段基岩裂隙潜水主要赋存在基岩强风化带和中风化带以及岩体中的节理裂隙带之中，地下水的赋存条件不均一，主要与岩性、岩石风化程度、裂隙发育程度等有关。补给来源主要靠大气降水和地表水补给以及砂层的越流补给。水文的腐蚀性评价场地地下水对混凝土结构具微腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。

2.2 围护结构设计及施工简述

地铁深基坑结构标准段采用三道支撑：第一道混凝土八字撑，第二道撑、第三道支撑为钢支撑；两端盾构扩大头及一、二期施工分界处处采用三道混凝土支撑：第一道混凝土支撑，第二道、第三道支撑。

3 数值模拟分析及数据统计

3.1 三维数值模型

基坑支护体系由单排钻孔灌注桩和3道支撑组成，单排钻孔灌注桩的直径为1.0m，中心间距为1.5m；第1道内支撑为钢筋混凝土支撑，截面宽高为0.8m×1.0m，支撑间距为9.0m；第2道、第3道内支撑为ϕ609mm钢支撑，管壁厚度为16mm，间距为3.0m。采用等厚度板结构对钻孔灌注桩进行模拟，经过换算得到等效厚度为730mm，深度为24m，钢筋混凝土支撑和等厚度板结构的容重均按25kN/m3取值，剪切模量为12.85MPa，弹性模量为30MPa，泊松比为0.25；钢支撑的容重按78.5kN/m3取值，剪切模量为8100GPa，弹性模量为210MPa，泊松比为0.30；土层采用摩尔-库伦模型进行模拟。建立三维数值模型时，为了进行合理的模拟计算，根据圣维南原理和平面应变，可沿基坑纵向截取1倍基坑开挖深度范围进行计算；为了消除边界效应，模型的水平方向尺度一般为基坑开挖深度的5倍，垂直方向尺度一般为基坑开挖深度的4倍。为了更好地模拟支护段围护结构应力及基坑变形，将模拟过程与施工顺序相结合，每个开挖阶段模拟为一个工况。具体工作条件如下：工况1，激活围护桩和周边荷载，开挖基坑至3m，浇筑第1道钢筋混凝土；工况2，继续开挖基坑，直至挖至第2道钢支撑以下0.5m，设置第2道钢支撑并施加预应力约400kN；工况3，开挖基坑至第3道钢支撑以下0.5m，设置第3道钢支撑并施加预应力约450kN；工况4，开挖深度至16.64m，并施作封底混凝土[4]。

3.2 动态监测数据统计

（1）桩顶水平位移和竖向位移。受基坑开挖影响，且前期开挖过程中施做支撑的速度较慢，基坑内外压力差增大，导致墙顶水平位移及竖向位移受土压力变形较大；随着基坑底板完成，变形速率明显缓和，变形趋于稳定收敛状态。

（2）深层水平位移。连续墙深40m，而测点深度为30m，受基坑开挖影响，测点底部起算点受到变形，从而改用顶部管口起算，随着基坑开挖，变形数据分析得知开挖深度以下17.5m为变形最大部位，变形一直持续增大，直到底板完成后，变形得到控制，变形速率稳定，变形逐步收敛。

（3）支撑轴力。受基坑开挖影响，且前期开挖过程中施做支撑的速度较慢，基坑内外压力差增大，随着基坑开挖，现场未及时施做支撑，导致相邻的部位结构受力明显增大；测点ZCL5-1、ZCL10-1达到红色预警，测点ZCL12-1达到黄色预警；随支撑的架设以及基坑底板完成，变形收敛并趋于稳定状态。

（4）地下水位。基坑开挖到基坑完成整个过程，由于现场处于河涌边，地下水资源丰富，没有出现开挖水位下降枯水的情况，开挖期并处于雨季涨潮期，造成开挖过程中甚至有稍微水位上升，整体看地下水位较为稳定，并未受到基坑开挖的影响。

（5）地表沉降。基坑开挖及施工过程中，交通疏道上的监测点均受到重型车的碾压均已发生下沉累计最大-148.2mm，随基坑内降水开挖影响，基坑内外土压力差增大，变形持续增大，在完成第一道支撑后，变形速率得到缓慢，然而随着第三层土方开挖，变形继续增大，直到底板完成后，变形收敛并趋于稳定状态。

（6）基坑巡视情况。基坑开挖前周边环境巡视，周边环境局部有凹陷，现场施工路面有裂痕；随着基坑开挖，连续墙出现轻微渗水，现场施工路面裂痕增多增大，挡土墙后土体出现轻微沉陷，围蔽出现细小裂痕，其余尚无明显变化。

4 地铁深基坑工程的相关施工方案

在地铁的深基坑工程开挖之前，必须对周围复杂的环境、土质结构以及深基坑的内部情况进行监测，之后根据监测的结果来设计方案，方案的主要内容包括：坑壁支护、坑边负荷、排水措施、上下通道、土方挖掘、作业环境等。在坑壁支护方面，基坑深度和周围施工的环境不同，采取的支护体系方案也就会不同，根据基坑的深度来进行原状土放坡，当深基坑的深度小于3m时，可以采取一次性放坡的方式。当深基坑的深度在4～5m时，可以采用分级放坡的方式。为了保证边坡的稳定，必须明挖放坡，根据地质情况也可以使用支护桩、土钉墙或者在地下连续墙的方式为边坡的稳定作保障。在坑边负荷方面，在坑边堆放土方材料和施工设施时，必须严格按照监测结果进行摆放，避免造成坍塌或者高空坠物而发生危险，超过坑边负载而引起的后果将难以设想。通常情况下，堆置的土方材料和施工设施距离坑槽的上部边缘不得低于1.2m，高度不得高于1.5m。在排水措施方面，由于降雨或者在发掘过程中挖出地下水，深基坑常常发生积水的情况。深基坑积水不仅会影响作业，严重情况下甚至会导致坍塌和地面沉降，因此，做好深基坑的排水措施至关重要。对深基坑积水的控制方式通常有排水和降水。通过建造集水井，将水汇集于集水井中，之后采用水泵将水抽走，最终达到排水和降水的目的。在上下通道方面，必须根据地下的情况，建造班组人员专用通道。在地铁项目施工过程中，禁止班组人员随意攀爬手架，按照要求从专用通道通过。专用通道的攀登设施可以搭建专门的梯子来保证可视条件，并且应当符合高处作业规范中关于攀登方面的要求，最大限度保障班组人员的安全。在土方挖掘方面，所有施工机械必须按照相关要求按顺序进入施工现场，并且经过有关部门的检查确保机械合格[5]。

5 动态监测产生的结果以及监测数据的应用

在对复杂环境下地铁深基坑工程进行动态监测时，必须按照监测方案中的监测频率对工程自身及周边环境进行监测，及时向相关部门上报超出监测预警值的情况，并发布预警警报。各部门对监测结果进行调查和分析，提前做好防护措施，从而通过运用动态监测来减少基坑危险的发生，保证班组人员的安全，维护地铁施工项目的正常进行。动态监测可能会产生多种多样的结果。对周围建筑物的动态监测来说，通常情况下，建筑物会随着深基坑的施工发生不同程度的沉降，因此，需要加大对沉降程度的关注。相关的勘察人员要时刻关注地表的变化，一旦出现地表裂缝等情况时，必须加固地下的防护。对于土质结构的动态监测来说，要对土质的疏松程度、土质中的水分含量以及土体变化进行监测。也可以根据土体的变形方向绘制曲线图，更加宏观地反应土质结构的变化，为深基坑工程提供客观的数据。关于水位的动态监测方面，应当在深基坑外设置一定的水位监测监测点，实时反映地下水位深度变化，据此来进行之后工程的实施方向。关于深基坑的支护体系的动态监测方面，因为基层坑挖掘过程必然伴随着桩体的移动，所以必须随时对支护体系进行监测，从而保障支护体系的稳定性。除此之外，还有多种方面都在动态监测的考量范围之内，必须尽可能地做好全面对地铁深基坑过程周围环境的动态监测，避免疏忽和遗落。全面的运用监测结果和数据，对各项的监测结果进行比较和分析，对可能发生的事故做好对应的解决措施，在科学的控制下保证地铁深基坑工程的实施。

6 结语

地铁工程是建筑工程中施工占地面积广、施工技术复杂、深基坑挖掘难度大的项目。并且伴随着城市的快速发展，城市地铁工程所处的环境日益复杂，所以作为其重点的深基坑工程成为地铁工程项目是否能够顺利实施的关键。因此，在工程进行的过程中，必须正确运用深基坑的动态监测技术，为地铁施工项目进行提供保障。施工团队应当加大对深基坑的科研投入，提高深基坑的动态监测技术，从而提高监测数据的精准度。同时进行深基坑的动态监测时，要选择恰当的监测点，全方位的监测各个周围环境，促进未来地铁工程的可持续发展。