地鐵工程深基坑施工監測技術應用

李瑞杰

(中鐵二十局集團 第四工程有限公司，山東 青島 266061)

1 工程概況

地鐵二號線大學站位于中山路與中華街交叉口，地處中山路上，基坑為地下兩層，寬度不一，其中車站西段(A區)寬36 m，長54 m;東段(C區)寬30.85 m，長43 m;中段(B區)寬 21.1 m，長 85 m;車站全長182.90 m。工程所在區域地質構造簡單，未見斷層;但地層復雜，厚度變化比較大，地面呈東低西高之勢。地下水主要為地表潛水和基巖裂隙水兩大類;而地表潛水主要賦存于第四系人工填土和沖、殘積層中的粉細砂、粉土、粉質黏土的孔隙中，站區巖石富水性差，基巖裂隙水貧乏，地下水位為1.6～2.5 m，主要補給為大氣降水和生產用水。本車站采用明挖順筑法施工，基坑支護主要采用人工挖孔樁加預應力錨桿支護形式，另外在基坑四角及變截面處安設四道φ600 mm、壁厚12 mm的鋼管內支撐。

2 基坑變形機理

2.1 基坑周圍地層移動

1)坑底土體隆起

坑底隆起是垂直方向卸荷而改變坑底土體原始應力狀態的反應。在開挖深度不大時，坑底土體在卸荷后發生垂直的彈性隆起;隨著開挖深度的增加，基坑內外的土面高差不斷增大，當開挖到一定深度時，基坑內外土面高差所形成的加載和地面各種超載的作用，就會使維護墻外側土體產生向基坑內移動，使基坑坑底產生向上的塑性隆起，同時在基坑周圍產生較大的塑性區，并引起地面沉降。

2)圍護墻位移

圍護墻墻體變形是由水平方向改變基坑外圍土體的原始應力狀態而引起的地層移動。事實上基坑開挖從一開始，圍護墻便開始受力變形了。由于總是開挖在前支撐在后，所以圍護墻在開挖過程中安裝每道支撐前已經發生了一定的先期變形。實踐證明，挖到設計坑底高程時，墻體最大位移發生在坑底面下1～2 m處。圍護墻位移使墻體主動壓力區和被動壓力區的土體發生位移，從而產生塑性區及坑底局部塑性區［1-3］。墻體變形不僅使墻外側發生地層損失而引起地面沉降，而且使墻外側的塑性區擴大，從而增加了墻外土體向坑內的位移和相應的坑內隆起。

2.2 周圍地層移動的相關因素

1)支護結構系統的特征

墻體的剛度、支撐水平與垂直向的間距、墻體厚度及插入深度、支撐預應力的大小及施加的及時程度、安裝支撐的施工方法和質量等這些支護結構系統的特征參數都是影響地層位移的重要因素。

2)基坑開挖的分段、土坡坡度及開挖程序

長條形深基坑按限定長度L分段開挖時，可利用基坑的空間作用，以提高基坑隆起的安全系數，減少周圍地層的移動。

3)基坑內土體性能的改善

在基坑內外進行地基加固以提高土的強度和剛性，對治理基坑周圍地層位移問題無疑是一個很好的方法。

4)開挖施工周期和基坑暴露時間的影響。

5)水、地面超載、振動荷載及圍護墻接縫不良的影響。

3 地鐵深基坑工程監測

3.1 支護結構的監測

1)支護結構樁頂位移監測

針對地鐵二號線大學站深基坑支護方式，其挖孔樁頂的位移用經緯儀和全站儀進行監測。監測原理是應用水平角全圓方向觀測法，測出各點的水平角度，然后計算出各點的水平位移[4]。由于本車站所在區域地層復雜，厚度變化較大，所以在現場建立永久性測站，不動基準點設在便于觀測且不受施工影響的場地內，基準點做成深埋式;基坑開挖期間，每隔2 d監測一次，當位移速率達到8 mm/d時，每天監測2次。

2)支護結構傾斜監測

地鐵大學站支護結構沿基坑深度方向的傾斜用測斜儀監測。具體方法是在挖孔樁身中埋設測斜管，測斜管底部插入樁底以下，使用測斜儀由底到頂逐段測量管的斜率，從而得到整個挖孔樁身的水平位移曲線。基坑開挖期間，每隔3 d監測一次，位移速率較大且呈增長趨勢時，監測頻率加密到了1次/d。

3)支護結構應力監測

本地鐵車站基坑支護結構應力監測采用鋼弦式鋼筋計，其優點是測試方便簡單、抗干擾能力強、性能穩定等。鋼筋計比較合理的安裝位置是根據支護設計彎矩包絡圖確定的，布置間距為2.5 m;鋼筋計焊接采用對接焊且符合鋼筋焊接規范，在焊接過程中采用流水冷卻的方法。特別注意，在焊接鋼筋計和吊裝鋼筋籠時，應避免造成鋼筋計較大的初始應力，以免給監測帶來不利的影響。

4)支撐結構應力監測

地鐵車站在基坑四角及變截面處安設四道φ600 mm壁厚12 mm的鋼管內支撐，在施加預應力前，將鋼筋應力計焊接在鋼管外壁。在基坑開挖期間，每隔3 d監測一次，支護結構變形速率較大時，每隔2 d監測一次。

5)預應力錨桿錨固力監測

人工挖孔樁加預應力錨桿為某市地鐵基坑的主要支護方式，這類錨桿采用的是多束鋼絞線。為了保證錨桿張拉達到設計的預應力值，必須進行超張拉，通過在錨頭位置安放錨固力傳感器，用鋼弦式測力計測定錨桿鎖定時的錨固力及開挖過程中的錨固力變化，從而確定錨桿是否處于正常的工作狀態及是否達到了極限破壞狀態[3]。

6)土及土體孔隙水壓力測試

挖孔樁樁側土壓力采用沿擋土樁側壁土體中埋設的土壓力傳感器進行測試;而土體孔隙水壓力則采用振弦式孔隙水壓力計測試，用數字式鋼弦頻率接收儀測讀數據。

3.2 周邊環境的監測

1)鄰近建筑物的沉降觀測

在地鐵深基坑開挖過程中，為了掌握鄰近建筑物的沉降情況，應進行沉降觀測[5]。在大學站鄰近的高層建筑的首層柱上設置測點，在開挖影響范圍外的幾個小型建筑樓房基柱上埋設基準點。基準點個數為3個，測點布置間距為16 m，采用水準儀測高程以計算沉降參數。

2)鄰近道路和地下管線的沉降觀測

用精密水準儀觀測，測點布置在道路截面變化及管道接頭處。

3)基坑邊坡土體的位移和沉降觀測

邊坡土體位移的監測采用了測斜儀。具體做法是，首先在土體中埋設測斜管，然后在基坑開挖前先測2次作為起始讀數，當然開挖過程的監測頻率應該與擋土樁施作保持一致;同時，對土體深層部分埋設分層沉降標。通過對土體位移和沉降的監測，可以及時掌握基坑邊坡的穩定情況［2，5］。

4)地下水位的監測

用電極傳感器進行地下水位的監測[5]。水位觀測孔鉆孔深度必須達到隔水層，鉆孔中安裝帶濾網的硬塑料管。在此地鐵車站基坑開挖中，每隔3 d進行一次觀測。實踐證明，地下水位的變化對基坑支護結構的穩定性有很大的影響。

5)裂縫的觀測

每天均進行裂縫的觀測，重點放在支護樁、坑壁側面、鄰近地面、道路及建筑物等上。觀察中應做到，一旦發生裂縫，應在裂縫兩側作出標記并定期測量裂縫寬度。

3.3 監測方案實施

根據本地鐵車站基坑的實際情況，特別對擋土樁水平位移、支撐軸力、錨桿質量和錨固力及樁頂水平位移等項目進行監測。地鐵二號線大學站深基坑開挖監測進度如表1。

3.4 結果分析

1)對挖孔樁及預應力錨桿組成的支護結構水平位移進行了分析，包括位移速率和累計位移量的計算，繪制了位移隨時間的變化曲線及位移隨深度的變化曲線，對引起位移速率增大的原因進行了分析。

2)對沉降及其速率的分析，歸結到土體沉降則主要是由支護結構水平位移和地下水位降低導致土體固結引起的。同時，對鄰近建筑物和地下管線的沉降觀測結果與規范中的沉降值進行比較，得知該支護結構趨于穩定。

3)對支撐軸力和錨固力進行分析，繪制了支撐力、錨固力隨時間變化的曲線，對變化較大的地方與設計值進行比較，得出該支護結構比較穩定。

表1 大學站深基坑開挖監測進度

3.5 報警標準

根據對大學站基坑采集數據的分析，得出該基坑有下列情況之一應進行報警:

1)支護結構水平位移速率連續幾天急劇增大，當位移達到5.0～10.0 mm/d且不趨于收斂時;

2)支護結構水平位移累計值超過設計容許值時;

3)樁的主鋼筋應力、支撐軸力、錨桿錨固力等實測值超過設計容許值時;

4)鄰近地面及建筑物的沉降、管道設施的變形等超過設計容許值時[5];

5)肉眼巡視發現存在危險現象如裂縫，且其寬度或數量不斷擴大時等。

4 結語

深基坑開挖過程信息化監測已經成為地鐵基坑工程施工的重要組成部分，通過科學合理的系統檢測工作，可以有效掌握基坑在開挖過程中所引起各種影響的嚴重程度及變化規律，推測其發展趨勢;同時，根據動態監測反饋數據，為信息化施工提供科學的決策依據，在必要時可立即采取相應措施，確保基坑支護結構和周圍環境的安全。

[1] 劉建航，侯學淵.基坑工程手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，1997.

[2] 高大釗.土力學與基礎工程［M］.北京:中國建筑工業出版社，1998.

[3] 崔玖江.隧道與地下工程修建技術［M］.北京:科學出版社，2005.

[4] 中華人民共和國鐵道部.GB50299—1999 地下鐵道工程施工及驗收規范［S］.北京:中國鐵道出版社，1999.

[5] 胡春林.高層建筑深基坑開挖施工期的監測和險情預報［J］. 巖土力學，1996，17(2):63-69.

[6] 朱兵見，張維炎，潘國華，等.軟土地區基坑支護施工與監測實例分析［J］.鐵道建筑，2008(9):71-74.

[7] 唐世強.地鐵深基坑支護體系內力及變形規律分析［J］.鐵道建筑，2008(11):35-39.