某軌道交通明挖區間基坑開挖與監測分析

孟前程 （中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100）

近年來，基坑工程越來越復雜，特別是城市隧道、城市地鐵的大規模建設，以及復雜的地下環境和周圍建筑物的影響，這使得基坑周圍環境和基坑支護體系不僅受到基坑內施工工況的影響，而且受到周圍基坑施工影響。本文結合某城市軌道交通2號線區間明挖段基坑，分析了施工監測數據，研究了基坑施工過程中基坑支撐形式、支撐軸力的變化規律，分析了基坑中支撐軸力增大的影響因素，得出了一些有益的結論，可供類似工程施工借鑒。

1 工程概況

某軌道交通工程區間為全部地下明挖段，并在基坑范圍設置隔斷樁將基坑劃分為6個開挖區段，本文重點研究施工三區基坑工程，如圖1所示。

圖1 地下區間區段劃分圖

該地下區間段全長869.587m，采用單層雙（單）跨箱型結構，基坑埋深3.00～16.38m，基坑寬13.40～28.83m，圍護結構采用灌注樁+內支撐體系，如圖2所示。灌注樁φ1000@1200mm，樁間設旋噴樁止水，旋噴樁樁徑φ600mm，樁端進入不透水層3-23不小于1.5m，內支撐系統豎向設1～3道支撐。第一、二道為800×1000mm鋼筋混凝土支撐，水平間距9.0m；其余采用φ800mm，t=16mm鋼支撐，水平間距3.0m。鋼圍檁采用雙拼45a工字鋼焊接而成，牛腿采用75×75mm角鋼。本區間基坑灌注樁嵌固段位于硬塑狀粉質粘土層和泥質砂巖層，嵌固深度取3.1～7.7m，地下水位埋深0～5.8m。

圖2 區間標準段斷面圖

施工三區暗挖進洞處基坑端頭井及標準段區間，采用混凝土斜撐和鋼斜撐加固，端頭井基坑深16.2m,寬度26.1m，長度19.4m；標準段寬度22.1m，如圖3所示。

2 基坑開挖與監測

圖3 區間端頭井及標準段平面圖

基坑開挖采用普通挖機開挖土方，長臂挖機出土，人工配合清底。施工中為提高工效，采用臺階接力式開挖，縱向拉槽，兩側預留寬2m平臺。具體是開挖第一層土方時，將第二層的中間部分土體挖除，留設2m寬的工作平臺，便于架設支撐、掛網噴錨，放坡坡度不小于1∶1，開挖第二層土方時，將第三層的中間部分土體挖除，依次類推。第一層和第二層開挖時可各分兩小層開挖，每小層開挖高度為3m，放坡坡度不小于1∶1。

3 監測數據分析

三區端頭井17～20軸自第二層混凝土支撐澆筑完成至5月30日基坑開挖到第三層鋼支撐架設深度，期間支撐軸力 ZL17-2、ZL18-2、ZL19-2、ZL20-2增大 7064.6kN、3460.1 kN、3324.0 kN、669.3 kN。

自5月底至6月9日基坑暫停開挖，6月7日完成第三層鋼支撐架設，但未達到設計預加軸力值，期間支撐軸力 ZL17-2、ZL18-2、ZL19-2、ZL20-2 到達9266.3kN、9188.1 kN、9704.1 kN、7124.1 kN。

自6月10日至6月14日，在未達到設計預加軸力值的情況下，開挖至設計底板深度，并于6月12日底板澆筑完成，6月14日軸力ZL17-2、ZL18-2、ZL19-2、ZL20-2 分 別 為 16249.0kN、10480.1kN、12511.8 kN、8616.9 kN。

自6月15日至7月4日，支撐軸力ZL17-2、ZL18-2、ZL19-2、ZL20-2 穩定在 17103.9kN、11498.7 kN、11756.2 kN、9456.9kN。如表 1所示。

各測點軸力實測值 表1

由圖4可知，各第二道混凝土支撐軸力在前15d時明顯增大，之后逐漸趨于平穩，ZL17-2軸力變化明顯大于其他混凝土支撐軸力，可能受到鋼筋計的溫度應力釋放影響，增大的速率明顯大于其他支撐，在第10d左右ZL17-2支撐軸力趨于平緩，而其他三個混凝土支撐變化規律一致，進一步表明ZL17-2支撐軸力出現異常增大并非正常基坑出現預警。

圖4 軸力數據統計圖

表2可以看出，端頭井ZL17-2、ZL18-2最大軸力為設計軸力控制值 6倍，ZL19-2、ZL20-2、ZL21-2最大軸力為設計軸力3～4倍，而實際施工現場的墻頂水平位移、深層水平位移、地表沉降等均在合理設計控制變化范圍內。經過對端頭井圍護結構第二層混凝土斜撐軸力計算，根據分析結果，在不考慮第三層鋼支撐的情況下，第二層斜撐最大軸力標準值為7155kN。在第二層混凝土斜支撐中間增設一道鋼支撐，增設支撐完成后，監測數據穩定即可進行下一步工序施工。

各測點支撐軸力實測值 表2

4 討論

設計自重鋼筋混凝土重度按γ=25kN/m3。側向水土荷載采用朗肯土壓力理論，粉質粘土和淤泥質粘土水土合算，砂性土水土分算。地面超載計算時考慮地面超載20kPa。

土體物理力學參數 表3

臨界深度的判定：

式中γ為各土層的重度、γ3為粉質粘土重度、H為土層總厚度、q為地面超載、Ka3為主動土壓力系數、c3為粉質粘土粘聚力、kp為被動土壓力系數。

根據《建筑基坑支護技術規范》得，臨界深度為：

Z0=2c/(γ√(ka1)-q/γ)

式中Z0臨界深度、c為素填土粘聚力、γ素填土重度、ka1為主動土壓力系數、q表示地面超載，代入數值得Z0=-0.086m＜0。而圍護樁不存在負側壓力區，如按梯形截面算，則原地面土壓力為；

Pa=(γ1h0+q)ka1-2c1√(ka1)

式中Pa土壓力、h0土體厚度、ka1為主動土壓力系數、c1為粉質粘土粘聚力。代入數值得Pa=1.1kPa。

基底主動土壓力；

Pa主=(γ1h1+γ2h2+γ3h3+q)ka3-2c3√(ka3)

代入數值得Pa主=160.3kPa。

基底被動土壓力；

Pa被=2c3√(kp)

代入數值得Pa被=104.3kPa。

則基底土壓力為56kPa。

圖5 圍護樁土壓力分布圖

圍護樁按照等值梁法進行簡化計算，結構采用有限元軟件MIDAS建立力學模型，其中腰梁看作圍護樁自身的約束。結構按照兩種工況進行計算分析,如圖 6、7所示。

工況一圍護樁按照原設計設置三道腰梁和內支撐。工況二假設第三道腰梁和內支撐失效。

根據圍護樁支反力驗算的結果，將腰梁及內支撐同樣分兩種工況進行計算分析。

根據以上分析結果可知，在不考慮第三層鋼支撐的情況下，第二層斜撐最大軸力標準值為7155kN。以上結果未考慮地下水位的影響。

圖6 工況一與工況二結構計算模型對比

圖7 工況一與工況二圍護樁支反力對比圖

圖8 工況一與工況二腰梁及內支撐結構計算模型對比圖

圖9 工況一與工況二腰梁及內支撐軸力對比圖

5 結語

由于現場施工環境復雜，通過理論計算和數值模擬，該區間基坑開挖混凝土斜撐軸力一直增大的因素包括：①由于基坑周圍地下水水位較高，基坑內外降水不及時產生過大的水壓，其水壓力通過圍護結構傳遞給冠梁，再傳遞給混凝土支撐導致混凝土支撐軸力變大。②混凝土支撐軸力最大處即第二層混凝土支撐位置，樁的破壞截面處是土層分層截面，土壓力出現變化導致支撐軸力突變。③現場監測用樁的測斜代替土體的測斜，這樣不能準確得出土體測斜位移,而測量出的位移可能偏小導致計算的土體側向壓力偏小。④由于鋼支撐及鋼圍檁在安裝架設過程中軸線存在誤差，導致鋼支撐并沒有實際產生支撐軸力，而土和水側向壓力都由上層混凝土支撐承受從而混凝土支撐軸力變大。⑤混凝土支撐內的鋼筋計直接焊接在鋼筋籠上，焊接過程中產生的溫度應力在逐漸釋放過程中進行施工，導致應力計不可確定性的軸力數值過大。⑥現場混凝土支撐表面只有2個鋼筋計，應布置4個鋼筋計，可以相互驗證是否為鋼筋計本身問題。根據現場實際情況，對神蕪區間三區基坑工程軸力過大問題提出了處理措施，先做底板增加基底安全性，同時在混凝土支撐和鋼支撐用反力計測量，完成底板澆筑。拆支撐同時觀測其余支撐軸力變化。最后由設計單位復核，后期以結構安全值和土壓力值兩者結合作為支撐軸力參考值。

本工程地質條件復雜，施工程序繁雜，對現場支撐軸力過大通過對數據分析、理論計算以及數值模擬等方式對其研究，同時分析了導致基坑開挖支撐軸力過大的各種因素，為類似基坑開挖支撐結構工程提供了具有重要價值的參考。