地鐵車站基坑半幅蓋挖法施工監(jiān)測及分析

石 嶺，周 賓，李永輝，高笑娟

（1. 中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100；2. 河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，河南洛陽 471000）

1 引言

地鐵路線往往穿越城市中心地帶的建筑密集區(qū)，周邊環(huán)境復(fù)雜，車站深基坑開挖過程對周邊環(huán)境會產(chǎn)生較大影響。為減輕基坑開挖對周圍環(huán)境的影響或者隔離地下水，地連墻成為基坑圍護結(jié)構(gòu)的常用形式。為減少復(fù)雜條件下地鐵施工對上部交通的影響，半幅蓋挖法得到了較為廣泛的應(yīng)用[1]，半幅蓋挖法可以充分利用明挖法和蓋挖法的各自優(yōu)點，有效緩解車站基坑施工工期緊、安全要求高、地面交通流量大、周邊環(huán)境復(fù)雜等因素之間的矛盾，實現(xiàn)較好的經(jīng)濟效益和社會效益[2]。然而深基坑施工過程是動態(tài)化的過程，隨著施工進展，圍護結(jié)構(gòu)、支撐體系和周邊建筑均會發(fā)生不同程度的變形，在其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，不同土層中，所引起的變形特征不同。楊敏[3]、丁勇春[4]等人研究了上海軟土地區(qū)的深基坑變形特征，分析了基坑周圍的沉降特征和預(yù)測方法；丁智[5]等人對浙江省軟土地區(qū)37個深基坑的變形特征進行了統(tǒng)計分析，探討了基坑支護結(jié)構(gòu)水平位移和周圍地面的變形規(guī)律；謝冬洲[6]等人對西安黃土地區(qū)的深基坑變形規(guī)律進行了分析，并與南方軟土基坑施工變形特征進行了對比；賀煒[7]等根據(jù)工程實測結(jié)果，從支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力、地連墻側(cè)向位移、周邊地表沉降規(guī)律等方面，分析了基坑開挖本身的安全性及對周邊環(huán)境的影響。

眾多的研究成果表明，土層的性質(zhì)和施工方法是對基坑變形影響最大的因素，各地區(qū)土層性質(zhì)不同，所引起的基坑變形差別較大，而且施工過程中的影響因素眾多，造成基坑變形復(fù)雜，對安全帶來不確定因素。半幅蓋挖法施工的基坑，由于結(jié)構(gòu)剛度的不對稱性[8]，會引起圍護結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的復(fù)雜變化，目前關(guān)于半幅蓋挖法施工所引起的支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和周邊環(huán)境變形的資料較少。本文結(jié)合洛陽地鐵1號線武漢路站基坑施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，對支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形以及周邊地面、鄰近建筑的變形進行分析，并對引起內(nèi)力和變形的原因進行探討，以期為后續(xù)類似深基坑工程提供借鑒。

2 工程概況

洛陽地鐵1號線武漢路站位于洛陽盆地內(nèi)洛河Ⅱ級階地，場地范圍內(nèi)分布有全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)沖洪積黃土狀土，層厚約5.2～18.9?m，下伏卵石和基巖層，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和地區(qū)工程經(jīng)驗，本車站場地為非自重濕陷性黃土場地。車站標準段基坑開挖范圍的土層主要為：①1雜填土、②2黃土狀粉質(zhì)黏土、②3黃土狀粉土、③2粉質(zhì)黏土、③3粉土、③9-4卵石等，基底處的土層主要為③9-4卵石層。車站范圍內(nèi)枯水期穩(wěn)定水位埋深為17.1～19.8?m，地下水位變幅2?m。

武漢路站主體結(jié)構(gòu)采用單柱雙跨與雙柱三跨結(jié)合的鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)，車站總長160.9?m，結(jié)構(gòu)標準段寬度為21.90?m，標準段基坑深約25～26.1 m，北端端頭井基坑深約26.5?m，南端端頭井基坑深約27.7 m。車站周邊建筑密集，地下管線密布，施工場地狹窄。東北象限有重要的歷史保護性建筑（以下簡稱“建筑1”），為4層磚混結(jié)構(gòu)，局部3層，地上建筑高度為14.5?m，無地下室，距離車站基坑主體15.58 m，與1號風(fēng)亭基坑最小距離8.9 m，屬于Ⅰ級風(fēng)險源，要求豎向變形值在±10?mm以內(nèi)。車站周圍其余位置均為商業(yè)樓或者住宅小區(qū)，距離最近的多層建筑為基坑主體西南象限的7層磚混結(jié)構(gòu)住宅樓（以下簡稱“建筑2”），該建筑的東北角距離基坑6.09?m。由于車站周圍交通量大，且施工場地狹小，不具備坑外降水條件，也缺少搭設(shè)龍門吊的空間，因此考慮采用地連墻加內(nèi)支撐的支護體系，并且采用半幅蓋挖法施工。

標準段基坑豎向設(shè)置4道支撐，第1道支撐采用700?mm×900?mm混凝土支撐，間距9?m；第2、第4道支撐采用φ609?mm、t=16?mm鋼管支撐，間距3?m；第3道支撐采用φ800?mm、t=16?mm鋼管支撐，間距3?m。

端頭井段基坑豎向設(shè)置5道支撐加1道換撐，第1道支撐采用700?mm×900?mm混凝土支撐，間距3.3～6?m；第2道、第4道、第5道支撐采用φ800?mm、t=?16?mm 鋼管支撐，間距 1.84 ～ 5.04?m，鋼管支撐端頭設(shè)置鋼圍檁，鋼圍檁采用雙榀工56C工字鋼外加焊接鋼；第 3 道支撐為 1?000?mm×1?200?mm 混凝土支撐，支撐中心線標高與標準段處第3道鋼管支撐相同；混凝土支撐頂在混凝土腰梁上，混凝土腰梁尺寸在盾構(gòu)井段為1 200 mm×1?200?mm，其余位置為 800 mm×900 mm。

基坑施工順序為，先施工蓋挖側(cè)地連墻和臨時中柱，開挖土層至頂板以下0.5?m，施工頂板；等頂板混凝土達到設(shè)計強度以后，改遷管線，上部覆土；先開挖明挖側(cè)第1層，施工第1道混凝土支撐；然后從兩端向中間依次開挖下部土層，施作下部支撐；開挖至基坑底部，澆筑混凝土墊層，施工底板、中板和頂板。

3 基坑監(jiān)測點布置

武漢路站是洛陽地鐵1號線唯一一座地下3層車站，該工程是洛陽首次采用地連墻加內(nèi)支撐的支護形式并且采用半幅蓋挖法施工的大型深基坑。因此，基坑的監(jiān)測顯得更加重要，一方面要保證圍護結(jié)構(gòu)和歷史保護性建筑的安全性，另一方面其施工的經(jīng)驗和監(jiān)測數(shù)據(jù)可為類似土層中工程提供借鑒。圖1為基坑及周邊測點布置示意圖，圖1中ZCL-01～ZCL-10為支撐軸力測點，ZQT-01～ZQT-18為墻體水平位移測點，DBC-01～DBC-28為墻后地面沉降測點。由于本文所述的基坑周圍建筑密集，在垂直于基坑開挖邊線布置地面沉降觀測點時，大部分監(jiān)測斷面只能布置2個監(jiān)測點，分別位于地連墻外側(cè)1?m和6?m處；少部分監(jiān)測斷面布置5個監(jiān)測點，至地連墻外邊沿的距離依次為1?m、6?m、11?m、16?m、21?m。周圍建筑按照規(guī)范要求布置沉降測點，地下管線布置沉降測點，此外還布置地下水位測點、立柱豎向變形和傾斜測點等。

圖1 基坑及周邊測點布置圖

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 混凝土支撐軸力分析

圖2給出了混凝土支撐測點的支撐軸力時程曲線，由圖2可見，所有混凝土支撐的軸力呈現(xiàn)明顯一致的規(guī)律性變化，變化過程大致分為3個階段：第1階段為2019年2月9日之前各支撐軸力值的上升階段，該階段正進行第1層土方開挖，該層土方開挖完成后支撐軸力逐步發(fā)揮并且達到穩(wěn)定值；第2階段為支撐軸力的穩(wěn)定階段，軸力值處于2?200?kN左右，這一階段基本上持續(xù)到4月18日基坑所有的土方開挖完成，軸力均未超過設(shè)計控制值3?000?kN；第3階段為車站結(jié)構(gòu)施工階段。按照一般的規(guī)律，隨著地下結(jié)構(gòu)的施工，下部鋼管支撐逐步拆除，結(jié)構(gòu)剛度逐漸增大，混凝土支撐軸力應(yīng)該逐步減小或者穩(wěn)定[9-11]，但是圖2中顯示本工程的混凝土支撐軸力增長一直持續(xù)到地下結(jié)構(gòu)頂板施工完成，其最大軸力值超過設(shè)計值1倍之多。然而所監(jiān)測的地面沉降、周邊鄰近管線沉降、周邊建筑沉降、立柱位移和傾斜、地下水位等指標均正常，遠小于控制值，由此可以判定基坑是安全，也說明不能單一用支撐軸力作為安全監(jiān)測指標。

圖2 混凝土支撐軸力時程曲線

4.2 地連墻側(cè)向水平位移分析

將2019年5月18日基坑明挖側(cè)、端頭側(cè)和蓋挖側(cè)的地連墻墻體位移分別繪制于圖3、圖4和圖5中，對圖3～圖5分析如下。

（1）由圖3可見，明挖側(cè)墻體水平位移主要為“反彎型”，墻頂附近出現(xiàn)較大的負向位移，而墻體中部是向基坑內(nèi)部的正向位移，在數(shù)值上正向位移達到負向位移的1～3倍。

（2）由圖4可見，基坑兩端墻體水平位移較小，其最大值在±4?mm以內(nèi)。分析其原因可能是這些點位于基坑的兩端擴大區(qū)域，該部位有2道混凝土支撐和3道鋼管支撐，蓋挖側(cè)兩端還各有1排鋼筋混凝土樁，其對周圍墻體的約束力強，減小了墻體變形，即文獻[2]中所說的拐角強化效應(yīng)。

圖3 明挖側(cè)墻體水平位移

圖4 基坑兩端墻體水平位移

圖5 蓋挖側(cè)墻體水平位移

（3）由圖5可見，蓋挖側(cè)墻體水平位移的變化比較復(fù)雜，有部分測點向著墻后發(fā)生較大位移，表現(xiàn)出“懸臂型”特征，例如ZQT-12、ZQT-14、ZQT-15測點；有的為兩頭小、中間大的“鼓脹型”，例如ZQT-16測點；有的為“反彎型”，墻頂?shù)呢撓蛭灰坪蛪χ胁康恼蛭灰凭^大，例如ZQT-13測點。

4.3 地連墻最大水平位移位置分析

圖6為武漢路車站基坑明挖側(cè)ZQT-6測點地連墻的水平位移隨著開挖深度的變化曲線，由圖6可見，隨著基坑開挖深度的增加，墻體水平位移最大值的位置逐漸下降，墊層澆筑完成之后，水平位移的大小和最大值的位置基本穩(wěn)定，最大水平位移均處于基坑底面以上，未出現(xiàn)處于底板或者底板以下深度的情況。從圖6中明挖側(cè)、蓋挖側(cè)和基坑短邊中點處的最大位移變化曲線可見，地連墻的最大水平位移均位于墻頂以下15～20 m，若取基坑平均開挖深度為25.5 m，則最大值位于底板以上0.22～0.42H（H為基坑開挖深度），與文獻[2-6]數(shù)據(jù)進行對比說明洛陽地區(qū)的土層性質(zhì)不同于南方的軟土層，而與西安土層更為接近。

圖6 ZQT-6測點墻體水平位移隨開挖工序的變化

4.4 地連墻外側(cè)地面沉降分析

（1）地連墻外側(cè)地面沉降時程曲線如圖7所示，由圖7可見，蓋挖側(cè)地面主要表現(xiàn)為隆起變形，明挖側(cè)主要表現(xiàn)為下沉變形，4月中下旬以后，監(jiān)測點的隆起量也逐漸減小，沉降量逐漸增大。對應(yīng)于施工進度，4月中旬以前主要是土層開挖和支撐的架設(shè)階段，從4月中旬以后則主要是車站結(jié)構(gòu)的施工以及鋼管支撐的拆除階段。6月14日整個基坑的結(jié)構(gòu)頂板混凝土全部澆筑完成，隨著地下結(jié)構(gòu)混凝土強度提高，地面的豎向變形量也基本上趨于穩(wěn)定。整個施工期間地面的豎向變形均在±6 mm以內(nèi)，未超過控制值±25?mm，因此對結(jié)構(gòu)的安全性影響不大。

圖7 地連墻外1 m處地面沉降時程曲線

（2）基坑開挖導(dǎo)致土壓力不均衡，使支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，從而使支護結(jié)構(gòu)后的土體產(chǎn)生位移，致使地表沉降，所以地面沉降量和圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移量密切相關(guān)。地連墻外側(cè)地面沉降與地連墻距離的關(guān)系曲線如圖8所示，可以看出，基坑兩側(cè)地面的豎向變形表現(xiàn)出不同的特征。對于基坑的兩端和明挖側(cè)，地面的變形主要表現(xiàn)為沉降，并且呈現(xiàn)出比較明顯的“雙凹槽形”特征。距離墻體最近的點沉降值較小，可能是地連墻與土體之間的摩阻力限制了土體的沉降值[12-17]，第1個“凹槽”出現(xiàn)的位置較為一致，大致位于距墻6?m處，相當(dāng)于0.24H；第2個“凹槽”位于距墻16?m處，相當(dāng)于0.63H；總體沉降影響范圍超過21?m。位于蓋挖側(cè)的DBC-17和DBC-24號測點地面沉降值很小或者表現(xiàn)出隆起特征，說明蓋板的剛度對地面沉降具有抑制作用。

圖8 地連墻外側(cè)地面沉降隨距離的變化

4.5 周圍建筑沉降分析

圖9 建筑1沉降時程曲線

圖10 建筑2沉降時程曲線

在基坑?xùn)|北象限的建筑1（靠近基坑明挖側(cè)）和西南象限的建筑物2（靠近基坑蓋挖側(cè)）沉降時程曲線如圖9和圖10所示，由圖9、圖10可見，建筑2的沉降值小于建筑1，說明蓋挖頂板的剛度對周邊沉降具有一定的抑制作用，對建筑起到保護的效果。從2座建筑沉降曲線的形狀上看，具有相似的變化特征，前期各測點沉降曲線上下起伏明顯，到后期變化特征一致，各條線基本上平行，對于建筑1，這一變化發(fā)生于4月28日以后，建筑2出現(xiàn)在5月27日以后。對應(yīng)于車站的施工階段，4月28日與建筑1較近的基坑?xùn)|端擴大端開始施工結(jié)構(gòu)頂板，而西端擴大端結(jié)構(gòu)頂板施工是從5月27日開始，由此可以說明，從結(jié)構(gòu)頂板開始施工時，周邊的建筑沉降已達到穩(wěn)定狀態(tài)。總體上，在基坑開挖和地下結(jié)構(gòu)施工過程中，建筑沉降在±8?mm以內(nèi)，滿足沉降控制值不超過±10?mm要求。

5 結(jié)論

洛陽武漢路基坑首次采用地連墻加內(nèi)支撐的基坑支護形式，采用半幅蓋挖法施工，該基坑的開挖能夠安全順利進行的原因在于嚴格按設(shè)計和規(guī)范施作地連墻等圍護結(jié)構(gòu)，保證了地連墻等圍護結(jié)構(gòu)的剛度和強度，從而有效控制了結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移，最大限度減小了基坑開挖所引起的結(jié)構(gòu)、地面變形，保證了重要歷史建筑及周邊其他建筑物的安全性。通過本文的研究，得出以下結(jié)論。

（1）施工過程中混凝土支撐軸力最大值超過設(shè)計值1倍左右，其他監(jiān)測指標均正常，遠小于控制值，說明僅僅混凝土支撐軸力超過設(shè)計值，不能判定基坑存在安全問題；混凝土支撐軸力的影響因素復(fù)雜，鋼管支撐的拆除以及坑邊超載對其大小的影響程度還需進一步研究。

（2）從地連墻水平位移的變化特征來看，明挖側(cè)的變形較為一致，蓋挖側(cè)的變形較明挖側(cè)復(fù)雜，不宜用統(tǒng)一的變化規(guī)律來表述，這說明半幅蓋挖法施工會引起基坑兩側(cè)不對稱的變形，進而在圍護結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不對稱的內(nèi)力，在該土層中的影響規(guī)律還需要更多工程實例來驗證。

（3）地連墻最大水平位移均處于基坑開挖底面以上，約為0.22～0.42H，未出現(xiàn)處于底板或者底板以下深度的情況，與有關(guān)文獻對比結(jié)果表明洛陽地區(qū)的土層性質(zhì)與南方軟土不同，與西安地區(qū)更為接近。

（4）半幅蓋挖法施工過程中，蓋挖側(cè)與明挖側(cè)地連墻外側(cè)地表沉降變化規(guī)律不同，蓋挖側(cè)地面沉降小于明挖側(cè)；鄰近蓋挖側(cè)的建筑沉降小于明挖側(cè)建筑沉降，說明蓋挖側(cè)頂板對周邊地面沉降有抑制作用，地下結(jié)構(gòu)頂板施工完成后，其鄰近建筑的沉降才逐漸趨于穩(wěn)定。