基于動態監測的地鐵深基坑變形機理分析

翟天琦，陳 曌，呂世充，范新宇，羅學東

（1.中國地質大學（武漢）工程學院，湖北 武漢430074；2.湖北省測繪宣傳中心，湖北 武漢430071）

隨著城市現代化進程的加快，由人口聚集造成的地面交通擁擠問題日益突出[1]，地鐵作為緩解地面交通壓力的一種交通手段已經被各大城市廣泛采用。當前，地鐵車站基坑開挖深度已經達到了20～30 m[2]，隨著開挖深度的增加，地質因素和環境因素對基坑的影響更加難以控制，因此在施工過程中建立合理、規范、完善的施工安全監測體系已經成為深基坑建設過程中必不可少的環節[3]。

當前，動態監測已經發展成為一門較為成熟的技術，被廣泛應用在道路、管線、建筑物沉降及基坑變形等方面[4,5]。本文基于武漢某地鐵深基坑項目，通過測量手段對基坑的變形和內力變化展開動態監測，分析了圍護結構冠梁水平位移、周圍地面的沉降和鋼支撐的軸力變化，并對基坑變形和內力變化的原因進行分析，得出了有益的結論，對指導同類工程安全施工起到了一定作用。

1 基坑概況及監測方案

1.1 基坑概況

武漢某地鐵車站深基坑工程采用1 000 mm厚地下連續墻作圍護結構，車站開挖深度為25.5 m（端頭井開挖深度為27.1 m），豎向設4道支撐，基坑安全等級為一級。經調查，基坑西北方有一棟8層砼結構樓房，東北部為一座28～31層高程砼結構建筑，西南角為在建高層砼結構樓房，周圍環境較為復雜。

場區地貌單元屬長江Ⅰ級階地河流堆積平原，地形平坦開闊，地面高程23.80～24.60 m。開挖范圍地層從上到下依次為填土、粘土、淤泥質粉質粘土、粉質粘土夾粉土、粉質粘土、粉土、粉砂互層、粉細砂層，車站底板位于粉土、粉砂互層之間，地下連續墻墻趾位于細沙層。

1.2 監測內容

結合基坑設計規范[6,7]和現場實際情況，確定具體監測內容如下：地下連續墻的水平位移監測（27點）、地下連續墻沉降監測（27點）、周圍地面沉降監測（84點）、鋼支撐軸力監測（40個）。

1.3 測點布設及監測方法

該地鐵深基坑測點布置如圖1所示。

圖1 基坑測點布置平面圖

1）冠梁水平位移監測。根據設計要求和現場情況，地鐵車站深基坑范圍內共設15個斷面，其中車站最西邊和最東邊及東南3個斷面各一個測點，其余每個斷面2個測點，共布設27個測點，采用Leica TC1201全站儀測量，測量精度均為1 mm。

2）地表沉降監測。該車站深基坑按間距25 m布設一個斷面，共設11個斷面，每個斷面布8個測點，測點和基坑的距離分別為2 m、8 m、10 m、20 m。還布置了一部分不規則測點，測點共計84個，采用DINI03天寶電子水準儀、銦鋼尺進行測量，測量精度為1 mm。

3）鋼支撐軸力監測。根據基坑實際情況，在支撐上共布設40測點，鋼支撐軸力采用軸力計進行監測。

2 基坑動態監測成果

2.1 冠梁水平位移

選擇基坑不同位置、具代表性的4個測點進行分析，監測期間各測點水平位移變化如圖2所示。監測期間，各測點位移呈現明顯的不規則性，但整體位移是朝坑內發展的。在監測初期，當第1道鋼支撐架設完成后，測點位移均有向坑外方向回彈的趨勢，測點S2位移由坑內1.40 mm回彈到0.69 mm，S15點位移從坑內0.20 mm變化到坑外0.4 mm。在第2道鋼支撐架設完成后，也出現類似情況，隨著支護體系的完善，在監測中后期，基坑冠梁水平位移的變化穩定在一定范圍內。

圖2 冠梁水平位移-時間變化圖

2.2 地表沉降

針對地表沉降，選取4個有代表性的測點進行分析，監測結果如圖3所示。開挖期間基坑周圍土體整體呈沉降趨勢，但在監測初期，各測點均有不同程度的隆起，其中測點1A-2隆起位移達2.2 mm。隨著基坑開挖的進行，各測點開始呈現沉降趨勢。在第4道鋼支撐架設之后，各測點位移基本趨于穩定。在整個監測周期內，地表垂直位移在-4.3～2.5 mm之間波動，并未超過警戒值。在基坑開挖至設計高程時，沉降量最終穩定在1.2～4.3 mm間，這表明基坑開挖導致的坑外巖土體變形被控制在合理范圍內。

圖3 地表沉降位移-時間變化圖

2.3 鋼支撐軸力

本文選取了4個具有代表性的鋼支撐測點進行分析。由圖4可知，鋼支撐內力監測值總體呈上升趨勢，在第1道鋼支撐架設后，測點ZL-300301監測值由71 kN增加到231 kN。在第2道鋼支撐架設后，測點ZL-300301軸力測值出現了一定程度的下降。在第4道鋼支撐架設完成后，第2道鋼支撐軸力由253 kN降低到237 kN。第3道鋼支撐軸力則由358 kN降低到305 kN。在監測中期，第3道鋼支撐軸力測值有一個上升過程，監測中后期各測點軸力相對穩定，隨著第1、2道鋼支撐的拆除，第3、4道鋼支撐軸力均有一定程度的波動，但波動范圍穩定在正常水平。

圖4 鋼支撐軸力—時間變化圖

3 基坑變形及內力變化機理分析

對于冠梁水平位移，由圖2可看出，在監測前期，基坑冠梁水平位移整體有向坑內移動的趨勢。本文綜合分析后認為，這是由于開挖擾動使原本平衡的土體應力出現失衡，墻后土體產生的壓力使得圍護結構有向臨空方向移動的趨勢；在監測中后期，基坑冠梁水平位移總體穩定，但存在一定突變，突變后的一段時間內會回歸正常值。本文認為，冠梁水平位移在監測中后期總體穩定的原因是由于隨著支撐結構的完善，墻后土體壓力與支撐軸力之間達到了一個相對平衡的狀態，但由于基坑開挖因素和外界因素的影響，監測點位移會出現一定波動，隨著支撐軸力和墻后土體壓力之間作用力的相互平衡，測點位移會逐漸回歸到正常水平。

對于坑外地表沉降，由圖3可看出，坑外土體整體呈沉降趨勢，前期沉降趨勢較為明顯，監測到中后期的時候，坑外土體沉降位移穩定到一定水平。基坑的開挖引起基坑影響范圍內巖土體應力狀態的改變，應力的改變對土體沉降的影響在前期的表現較為明顯，隨著中后期支撐結構和維護體系的完善，基坑圍護結構和坑外土體的壓力達到相對平衡的狀態，因此坑外地表沉降也會相對穩定。此外，測點距離基坑的遠近也是影響沉降位移的一個關鍵因素，DT2-1測點沉降在后期明顯大于其他測點，離基坑越遠，開挖的效果對土體影響越小，影響范圍一般為3倍基坑深。

在基坑監測期間，各支撐軸力整體呈現上升趨勢，在第1道鋼支撐架設之后，短時間內軸力呈現急劇上升趨勢。其原因在于，基坑的開挖使得墻后土體對圍護結構產生壓力，第1道支撐的架設會承擔一部分壓力，使應力達到相對平衡的狀態，隨著支護體系的完善，后架設鋼支撐的支撐應力并未出現急劇上升的情況。值得注意的是，第3道支撐在監測中期出現了急劇上升態勢，分析認為在開挖初期，開挖面以上的土壓力由靜止土壓力轉為主動土壓力，開挖卸荷帶來的主動土壓力作用于鋼支撐上，造成支撐軸力在該段時間內迅速增加，但軸力總體上處于合理水平，反映出基坑支護結構架設比較合理。

4 結 語

1）進行深基坑監測是保證深基坑施工安全的重要環節，通過監測數據的及時反饋與分析，對施工期間周圍建筑物的安全及以后的變形預測起到指導作用。

2）開挖卸載產生的墻后土體壓力和鋼支撐軸力之間共同作用是導致基坑發生變形的關鍵因素。由于開挖的進行，導致墻后土體壓力并不固定，在和支撐軸力相互平衡的過程中導致了基坑變形的不穩定性。

3）通過監測可知，該基坑的變形和內力的變化都穩定在一定范圍，并未達到警戒值，說明基坑的支護體系和監測體系都較為完善，該方案是可行的，可為類似深基坑工程提供借鑒和參考。

[1]李磊，段寶福.地鐵車站深基坑工程的監控量測與數值模擬[J].巖石力學與工程學報,2013,32(增刊):2 684-2 691

[2]廖珊珊，方大勇，李思平.廣州某超深基坑監測結果分析[J].廣東水利水電,2011(4):47-49

[3]馮文濱，吉文來.某地下車庫深基坑監測及其成果分析[J].現代測繪, 2011,34(4):22-24

[4]黃海峰，夏園工.深基坑變形監測方案設計及數據分析研究[J].現代測繪,2013,36(5):35-38

[5]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

[6]GB50497-2009.建筑基坑工程監測技術規范[S].

[7]JGJI20-99.建筑基坑支護技術規程[S].