鄰近地鐵站的深基坑支護方案及變形監測分析

□□ 李彥君,卜 飛

(1.山西工程科技職業大學，山西 晉中 030619；2.山西省勘察設計研究院有限公司，山西 太原 030000)

引言

近年來，隨著城市建設的飛速發展，鄰近地鐵站以及隧道的基坑工程項目日益增多，而且鄰近地鐵站的基坑工程項目越來越趨向于“深、大、復雜”的特征[1-2]。由于支護設計方案不合理或施工質量不可靠，常會導致支護結構承載力喪失或體系變形過大或結構局部失穩破環，造成基坑安全事故，進而影響地鐵站的安全。因此，為保證地鐵站及隧道工程的安全，基坑支護方案的合理選擇和基坑變形的實時監測變得尤為重要。基坑開挖對附近地鐵車站的影響引起了科研工作者的廣泛關注，目前，已有很多學者開展了一系列研究工作。朱炎兵等[3]通過有限元數值模擬研究了不同參數組合下臨近既有地鐵車站的基坑變形性狀，并與鄰近無車站時的基坑變形性狀進行對比分析。郭典塔等[4]以鄰近地鐵車站的基坑工程為例，建立了考慮車站結構、土體和基坑圍護結構共同作用的計算模型，使用數值分析方法研究了基坑與車站間隔距離、基坑開挖深度等參數變化情況下，地鐵車站結構的變形規律及振動響應特性。李志高等[5]以工程監測數據為依據分析了半逆作法、逆作法和順作法三種不同基坑開挖方法對鄰近車站產生的影響，同時運用有限元分析軟件對以上三種開挖方法進行模擬計算、開展對比性研究。徐中華等[6]以上海外灘緊鄰地鐵站的某地塊超深基坑為例，對基坑及鄰近隧道監測數據進行了分析，研究多種設計、施工措施下的隧道保護情況。朱彥鵬等[7]以蘭州地鐵某車站為依托，對常用支護方案進行了比選，同時采用FLAC3D軟件，對基坑典型斷面的施工過程進行三維數值模擬分析。因此，本文以太原市鄰近兩條地鐵交匯處某深基坑項目為依據，對基坑支護方案的設計以及鄰近地鐵站基坑變形的監測數據進行分析，研究樁頂水平位移、周邊地表沉降以及土體深層水平位移隨時間變化的規律，從而更好地指導工程中臨近地鐵車站的基坑設計與施工。

1 工程概況以及地質條件

1.1 工程概況

擬建建筑物為商業綜合體，地下三層，地上七層，東西長約為225 m，南北寬約為125 m，基坑開挖面積約為27 000 m2，正負零絕對高程為778.40 m，場地地面標高為777.40～776.40 m，基坑底標高為761.40 m，基坑深度為15～16 m，局部電梯基坑達21 m。基坑位于兩條地鐵線的交叉口，基坑北側距離在建地鐵區間地下連續墻最近處為12 m，西側距離已建成地鐵線路50 m，南側距離3層辦公樓5 m左右，東側為規劃道路。基坑平面布置圖如圖1所示。

圖1 基坑平面布置圖

1.2 工程地質及水文地質條件

此次勘探深度范圍內場地地基土沉積時代及成因類型自上而下依次為：第四系全新統新近人工堆積層(Q42 ml)，以第①層人工填土層底為界；第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)，以第⑧層粉土層底為界；第四系上更新統沖洪積層(Q3al+pl)，以第⑩層粉土層底為界；第四系中更新統沖洪積層(Q2al+pl)，此次勘察未揭穿。巖性以人工填土、粉砂、粉土、粉質黏土、粉細砂、細砂為主。其土層分布及主要物理力學參數見表1。

表1 土層物理力學參數

此次勘察深度范圍內揭露地下水類型包括潛水及承壓水，潛水含水層為第5、第6層粉土，主要以大氣降水入滲補給及側向徑流補給為主，勘察期間實測靜水位埋深為8.70～10.60 m，水位標高為766.14～767.33 m；第一層承壓水含水層為第7層粉砂，主要以側向徑流補給為主，勘察期間實測靜水位埋深為10.1～10.96 m，水位標高為764.51～766.01 m；第二層承壓含水層為第9層細砂，主要以側向徑流補給為主，勘察期間實測靜水位埋深為11.52～12.55 m，水位標高為762.92～764.59 m。水位季節性變化幅度約為0.8～1.4 m，勘察期間為枯水期。

2 設計方案

2.1 支護方案

經調研考察，該區域范圍內工程項目的基坑支護方案常采用樁與錨索或樁與內支撐支護方式。該工程因周邊緊鄰兩條地鐵站，基坑距離地鐵站的地下連續墻僅為12 m，無法滿足錨索的施工要求，所以錨索方案不可行；基坑深度達16 m，若采用常規的三道內支撐支護方式，由于工序復雜，將大大增加施工的周期和難度，無法滿足建設單位工期的要求，為此，需要對常規的三道內支撐方案進行優化設計。

該工程基坑側壁安全等級為一級，依據現場的巖土工程地質情況、水文地質情況及周邊環境，結合地下室結構層高以及施工現場布置情況，對支撐位置和周邊限載進行整體優化設計，最終支護方案確定為：灌注樁與二道混凝土內支撐的支護方式。其中，支護樁采用混凝土灌注樁，樁徑為900 mm，樁間距為1.4 m，混凝土強度等級為C30；二道混凝土內支撐中心線標高分別為774.90和769.10。支撐梁與支護灌注樁之間設腰梁，支撐各支點設鋼格構柱、水平面設聯系梁，混凝土強度等級為C40，典型剖面圖如圖2所示。該方案減少了一道內支撐，從而減小了基坑挖土及地下室施工的難度，大大縮短了基坑暴露的時間，為盡可能減少基坑開挖對周邊建筑物、地鐵站的影響提供了有利的條件。

圖2 基坑剖面圖

2.2 降水方案

該基坑基底位于第7層粉砂層中，暴露于承壓水含水層內，基底以下砂層厚達十幾米，水量非常豐富。同時，基坑施工過程中需長時間、大幅度地降承壓水，降水對周邊環境影響較大，降水深度厚，施工難度大。為解決此問題，設計采用普通降水井與降壓井結合降水，其中降水井為23 m，降壓井為31 m，坑內設置水位觀測井；方案放棄常規落底式帷幕的設計，采用三軸攪拌樁懸掛式止水帷幕，樁徑為850 mm，攪拌樁基底以下長度僅為8.5 m，方案最終為建設單位節省工程造價約150萬元。

3 變形監測分析

3.1 監測要求以及監測點布置

為有效保障基坑整體施工安全，及時了解基坑施工對周邊環境的影響程度，在整個施工過程中實行全程監測。該工程按一級基坑監測要求布置監測項目。共布置基坑樁頂水平與豎向位移監測點41個、土體深層水平位移點17個、支撐內力監測點48處、立柱豎向位移點14處、地下水位監測點42處，設置基準點6處，監測點布置情況如圖1所示。

在此重點研究鄰近地鐵站的監測數據。其中，W1～W5為支護樁頂水平位移監測點，D1、D2為基坑周邊地表沉降監測點，Q2為土體深層水平位移監測點。

3.2 樁頂水平位移

圖3為監測點W1～W5的樁頂水平位移隨時間的變化曲線。選取的監測點位于基坑的西北側，緊鄰地鐵車站區域，樁頂水平位移監測點設置在灌注樁的冠梁上。由圖3可見，樁頂水平位移隨時間的變化情況，大致分為五個階段。第一階段從基坑開始施工至45 d，此時間段主要為第一道內支撐施工及第二步土方開挖階段(開挖至深度為8.9 m)，在此期間基坑變形速率為0.17 mm/d，變形累計值達到7.5 mm左右；第二階段為45～70 d，此時間段主要為第二道內支撐施工階段，下一步的土方開挖尚未開始，樁頂水平位移變化曲線趨于平緩，變化速率較小；第三階段為70～90 d，此時間段主要為第三步的土方開挖(開挖至深度為16.0 m)，此期間基坑變形速率為0.50 mm/d，位移累計值達到18 mm左右；第四階段為90～180 d，此時間段主要為基礎底板、地下三層主體結構施工階段，在此期間，變形較為穩定，變化速率很小；第五階段為180～300 d，此時間段施工作業主要為支撐的拆除、地下一、二層主體結構施工、肥槽的回填，在支撐的拆除過程中，基坑的水平位移有少量增加，增加2～3 mm，之后隨著基坑的回填，位移逐漸變小。

圖3 樁頂水平位移-時間曲線

3.3 周邊地表沉降

為了進一步了解基坑開挖對地鐵站以及基坑周邊地表的影響，工程選取地鐵站與基坑之間的地面設置地表變形監測點。監測點為D1、D2，D1距離基坑2 m，D2距離基坑7 m，基坑地表沉降隨時間的變化情況如圖4所示。

圖4 周邊地表沉降曲線

從圖4中可見，基坑土方開挖導致地表土體產生一定的沉降量，地表沉降量隨著土方開挖的進行逐漸增大。在0～45 d期間，第二步土方開挖階段，開挖至深度為8.9 m，由于挖方量不大，因而地表監測點處的沉降量在1.5 mm以內；在70～90 d期間，第三步土方開挖階段，開挖至深度為16.0 m，地表的沉降量明顯增大，D1監測點的沉降量達到了2.83 mm，D2監測點達到5.03 mm，此時大部分區域基坑開挖結束，地表變形完成40%～60%；在90～180 d期間，基礎底板、地下三層主體結構施工階段，此階段由于基坑進行了持續降水，導致周邊土體的有效應力增加，引起地表沉降持續增加，D1監測點的沉降量達到了5.64 mm，D2監測點的沉降量達到了7.82 mm；當監測時間>180 d時，沉降曲線變得較為平緩，此后地表沉降量增加很少。D1監測點最終沉降量為6.59 mm，D2監測點最終沉降量為8.67 mm，說明距離基坑較近的監測點沉降小，距離基坑稍遠的監測點沉降大，變形呈現拋物線型。

3.4 土體深層水平位移

為分析支護結構的穩定和變形情況，需要進一步了解支護外圍沿深度方向上不同點的水平位移變化情況，該工程在基坑周邊土體內設置了17個深層水平位移監測點，選取Q2監測點的數據進行研究分析，Q2點位于地鐵站與基坑之間，具體位置詳見圖1。Q2監測點土體深層水平位移隨時間的變化曲線，如圖5所示。

圖5 Q2監測點不同時間下土體深層水平位移曲線

從圖5可知，45 d、70 d、90 d和180 d的土體深層水平位移曲線形狀非常相似，最大變形均發生在地表附近，變形隨深度逐漸減小，到基底附近變形接近于0；同時，土體側向變形隨基坑開挖深度的增大逐漸增大，當基坑開挖到底后變形趨于穩定；在45 d、70 d、90 d和180 d最終對應土體的最大水平變形分別為7.88 mm、10.65 mm、17.76 mm、18.60 mm。

4 結語

在太原市鄰近兩條地鐵交匯處的某深基坑項目為了減小基坑施工對附近地鐵站的影響，同時減小施工難度和縮短施工周期，采用了灌注樁與二道混凝土內支撐的支護方式，降水采用普通降水井與降壓井結合的方案，止水采用了三軸攪拌樁懸掛式止水帷幕。從施工效果來看，工期比計劃工期縮短了50 d，比同類工程的施工難度大大降低，且現場降水效果較好，節約造價約150萬元。通過對施工過程中基坑周邊進行監測可知：

(1)緊鄰地鐵車站區域的樁頂水平位移受支撐施工、土方開挖和地下主體結構施工的影響，水平位移逐漸增加，監測點樁頂水平位移的變化曲線大致分為五個階段。第四個階段，大約在130～150 d，各個監測點位移達到峰值，并趨于穩定；隨后，隨著支撐的拆除、地下主體結構施工的結束、肥槽的回填，水平位移逐漸減小。同時樁頂水平變形理論計算值為25.52 mm，與現場實測值基本吻合。

(2)基坑土方開挖會導致地表土體產生一定的沉降量，地表沉降量隨著土方開挖的進行逐漸增大，監測點D1、D2隨時間變化的累計沉降變形量呈現拋物線型的特征。距離基坑較近的監測點D1沉降較小，最終沉降量為6.59 mm，距離基坑稍遠的監測點D2沉降較大，最終沉降量為8.67 mm。在整個施工階段沒有發生過大的地表沉降，說明基坑支護方案合理，在設計要求的變形范圍內。

(3)不同施工時間下，Q2監測點土體深層水平位移隨時間的變化曲線形狀相似，變形隨深度逐漸減小，到基底附近變形接近于0；同時，土體側向變形隨基坑開挖深度的增大逐漸增大，當基坑開挖到底后變形趨于穩定。