地下明挖隧道基坑變形監(jiān)測(cè)與分析

胡雪明

（杭州城投建設(shè)有限公司，杭州 310051）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)地下工程快速發(fā)展，城市地鐵、隧道及深基坑開挖工程也越來越多。然而，城市建設(shè)的高速發(fā)展也造成了城市中地下工程面臨的施工環(huán)境越來越復(fù)雜。因此，研究地下工程施工對(duì)周邊環(huán)境影響也成為熱點(diǎn)問題。

在眾多研究方法中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是最直接反映地下隧道開挖對(duì)周邊影響的方法。董桂紅等[1]和任城等[2]分別對(duì)具體深基坑開挖工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移、土體側(cè)向位移、周邊地表沉降等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。李淑等[3]統(tǒng)計(jì)分析了北京地鐵30個(gè)明挖車站的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出了北京地區(qū)地鐵車站深基坑開挖引起的地表變形規(guī)律。徐凌等[4]通過分析典型支護(hù)結(jié)構(gòu)下明挖車站的基坑變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了支護(hù)結(jié)構(gòu)形式與變形影響范圍的關(guān)系。陳小巍[5]通過分析江蘇某地鐵車站深基坑工程的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)第一道內(nèi)支撐對(duì)控制基坑變形起關(guān)鍵作用，建議基坑設(shè)計(jì)時(shí)要特別重視第一道支撐的強(qiáng)度與剛度設(shè)計(jì)。李福林[6]通過建立三維有限元模型計(jì)算得到，當(dāng)拆除支撐而不及時(shí)施作新梁板結(jié)構(gòu)時(shí)，將減弱整體支護(hù)剛度，引起地層水平位移與沉降。由此可見，目前大部分研究主要集中于監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的規(guī)律研究。比如地表變形、內(nèi)支撐軸力及深層土體位移在不同工況下變形規(guī)律，而較少研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式的不同及內(nèi)支撐拆除過程中的變形規(guī)律。

綜上所述，文中結(jié)合杭州某地下明挖隧道深基坑工程，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選取3個(gè)典型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)即地連墻、SMW 工法樁、咬合樁，首先對(duì)比分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)計(jì)算的支撐軸力、地表變形及深層土體位移變化規(guī)律，其次分析實(shí)測(cè)支撐軸力在內(nèi)支撐拆除過程中的變形規(guī)律，最后對(duì)SMW 工法樁的適用性進(jìn)行研究，旨在得出一些規(guī)律性的結(jié)論從而為類似工程提供一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

杭州市紫金港路工程02 標(biāo)南起文一西路，北至紫金港路工程01 標(biāo)（樁號(hào)為K2+804.628～K4+110），全長(zhǎng)1305.372m，采用地面道路+隧道形式。工程地處杭州城西，土質(zhì)較差，基本以軟土為主。工程隧道采用明挖順作法施工，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)根據(jù)開挖深度、地質(zhì)條件的不同采用多種支護(hù)方案：較深處采用地下連續(xù)墻、鉆孔咬合樁、SMW 工法樁、鉆孔灌注樁結(jié)合1～4道內(nèi)支撐的支護(hù)圍護(hù)體系；U 型槽開挖較淺處采用水泥攪拌樁、重力式擋墻、自然放坡等圍護(hù)體系。工程基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬度為24.2m，最大基坑寬度為44.5m，開挖深度1.234～18.368m，局部深度達(dá)20.776m。現(xiàn)選取圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式分別為地連墻、SMW 工法樁及鉆孔咬合樁的Q-Q、R-R、T-T 剖面基坑。3個(gè)剖面所在地質(zhì)情況具體如下：

Q-Q 剖面：開挖深度為15.5～16m，從上到下分別為：約2m 厚的換填土層，約4m 厚2-2 淤泥質(zhì)粘土層，約5m 厚3 號(hào)淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，約2.7m 厚6-1粉質(zhì)粘土層，約2m 厚6-2 粘土層。

R-R 剖面：開挖深度為14.2～15m，從上到下分別為：約2m 厚的換填土層，約1m 厚2-2 淤泥質(zhì)粘土層，約2m 厚4-1 粉質(zhì)粘土層，約7m 厚4-2 砂質(zhì)粉土層，約2～3m 厚4-3 粉質(zhì)夾砂層。

T-T 剖面：開挖深度為13～13.5m，從上到下分別為：約2m 厚的換填土層，約1m 厚2-2 淤泥質(zhì)粘土層，約2m 厚4-1 粉質(zhì)粘土層，約6.5m 厚4-2 砂質(zhì)粉土層，約1.5～2m 厚4-3 粉質(zhì)夾砂層。

2 基坑監(jiān)測(cè)

工程基坑監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容為：地表沉降、基坑邊坡變形（測(cè)斜）、墻頂水平及豎向位移、地下水位、支撐軸力、立柱沉降、地墻鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)、地墻土壓力監(jiān)測(cè)。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況見圖1、圖2。其中針對(duì)剖面Q-Q、R-R、T-T 的支撐軸力測(cè)點(diǎn)ZL19、ZL22、ZL24，地表沉降測(cè)點(diǎn)DBW30-1～4、DBW35-1～3、DBW40-1～3，測(cè)斜點(diǎn)CX30、CX35、CX40 展開研究。

圖1 典型基坑剖面圖（單位：m）

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面圖

3個(gè)典型剖面Q-Q、R-R、T-T 的主要工序施工時(shí)間見表1。

表1 主要工序施工時(shí)間

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 支撐軸力

基坑的支撐分別布設(shè)1個(gè)支撐軸力測(cè)點(diǎn)，其中剖面Q-Q、剖面R-R 及剖面T-T 的支撐測(cè)點(diǎn)分別為ZL19、ZL22、ZL24，軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖3 所示。

從圖3 可知，剖面Q-Q 的最大支撐軸力發(fā)生在底板墊層混凝土澆筑（工況4），位于第三道支撐，為2504.67kN。同樣也可以發(fā)現(xiàn)，第一道支撐的支撐軸力在第二道支撐澆混凝土（工況2）后，隨著基坑繼續(xù)開挖至第三道支撐澆混凝土（工況3），逐漸增大，但增長(zhǎng)量較小；在基坑繼續(xù)開挖至底板時(shí)，逐漸減小并在底板墊層混凝土澆筑時(shí)趨于零；隨著支撐逐步拆除（工況5～6），反向增加，并在頂板混凝土澆筑（工況7）后趨于穩(wěn)定，呈受拉狀態(tài)。第二道支撐的支撐軸力在第三道支撐澆混凝土后，隨著基坑繼續(xù)開挖至底板時(shí)，逐漸增大；隨著第三道支撐拆除，有少許降低。

圖3 施工段軸力變化

剖面R-R 支撐軸力變化規(guī)律與剖面Q-Q 類似，但是剖面R-R 的最大支撐軸力發(fā)生在基坑開挖至坑底時(shí)，位于第二道支撐，為2322.27kN。且兩者支撐軸力數(shù)值相比，剖面R-R 第一道、第二道支撐軸力均比剖面Q-Q 大，而且剖面R-R 第一道支撐軸力沒有受拉段。

剖面T-T 僅兩道支撐，軸力變化曲線與剖面R-R和剖面Q-Q 存在一定差距，第一道支撐軸力隨著基坑開挖，逐漸增大，且在第二道支撐拆除時(shí)達(dá)到最大值，為2079.64 kN。第二道支撐軸力最大值比第一道支撐軸力最大值小。這是由于第二道支撐至坑底的距離小于第一道支撐至第二道支撐的距離。

圖3 僅給出底板墊層混凝土澆筑時(shí)第三道支撐的軸力值，為了進(jìn)一步分析第三道支撐軸力的變化特性，著重監(jiān)測(cè)工況3 和工況4 之間土方開挖前后第三道支撐軸力的數(shù)值。如圖4 所示，剖面Q-Q 和剖面R-R 的第三道支撐軸力在基坑開挖至坑底過程中，土方開挖的第1d 變化量最大，之后是隨開挖深度增加逐漸增大，但增加幅度逐漸減小。

圖4 支撐軸力隨土方開挖變化曲線

在支撐拆除前后，如圖5 所示，在第三道支撐拆除后，第一道和第二道支撐梁軸力不是立刻增大的而是逐漸增大，峰值出現(xiàn)在下一道支撐梁拆除后的第4～5d。從圖中還可以看出在底板墊層混凝土澆筑完成及第三道支撐拆除后，Q-Q 剖面第一道支撐梁的軸力變?yōu)樨?fù)值（表示受拉），而R-R 剖面第一道支撐梁軸力為正值（表示受壓）且第一道、第二道支撐梁軸力在第三道支撐拆后第一天存在減小的情況，之后逐漸增大。這主要是由于Q-Q 剖面施工段的圍護(hù)墻為800mm厚地連墻，整體剛度大，拆撐后，開挖深度內(nèi)圍護(hù)墻的中下部位移比上部增大較多，但在底板及第二道支撐的作用下，從而使第一道支撐變?yōu)槭芾６鳵-R 剖面施工段圍護(hù)墻為SMW 工法樁，相對(duì)來說整體剛度小，在拆撐后開挖深度內(nèi)圍護(hù)墻的上、中、下部位移變化量相差不大，因此第一道支撐軸力與未拆撐前變化不大。

圖5 支撐軸力隨支撐拆除變化曲線

總結(jié)來說，第一道支撐軸力均未超過控制值7000kN，第二及第三道支撐軸力均未超過控制值10000kN；但是對(duì)于整體剛度較大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)需要關(guān)注第一道支撐的受拉軸力值。

3.2 地表沉降

Q-Q 剖面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)由近及遠(yuǎn)分別 為DBW30-1、DBW30-2、DBW30-3 及DBW30-4。如圖6（a）所示，Q-Q 剖面最大沉降位于DBW30-2，為-26.27mm，最遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)DBW30-4 沉降最小，BW30-1 與DBW30-3 沉降值較接近。從圖中還可以看出，2012 年7 月11 日之前即基坑施工至第三道支撐澆混凝土?xí)r，地表沉降增長(zhǎng)緩慢；2012 年7 月11 日～2012 年8 月17 日即基坑施工從第三道支撐澆混凝土至底板墊層混凝土澆筑過程中，地表沉降增長(zhǎng)較快，其中DBW30-2 增長(zhǎng)速率為0.34mm/d；基坑繼續(xù)施工，沉降增長(zhǎng)緩慢逐步趨于穩(wěn)定，達(dá)到最大值。

R-R 剖面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)由近及遠(yuǎn)分別為DBW35-1、DBW35-2 及DBW35-3。如圖6（b）所示，R-R 剖面最大沉降位于DBW35-2，為-27.31mm，最遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)DBW35-3 沉降最小，DBW35-1 與DBW35-2 沉降值較接近。從圖中還可以看出，2012 年6 月29日之前即基坑施工至第二道支撐澆混凝土?xí)r，地表沉降增長(zhǎng)緩慢；基坑從第二道支撐澆混凝土至底板墊層混凝土澆筑過程中，地表沉降增長(zhǎng)較快，其中DBW35-2 增長(zhǎng)速率為0.31mm/d；基坑繼續(xù)施工，沉降增長(zhǎng)緩慢，在第三道支撐拆除時(shí)達(dá)到峰值，隨后逐步減小。

T-T 剖面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)由近及遠(yuǎn)分別為DBW40-1、DBW40-2 及DBW40-3。如圖6（c）所示，T-T 剖面最大沉降位于DBW40-1，為-19.88mm，最遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)DBW35-3 沉降最小。從圖中還可以看出，基坑施工從第二道支撐澆混凝土至底板墊層混凝土澆筑過程中，地表沉降增長(zhǎng)較快，其中DBW40-1 增長(zhǎng)速率為0.25mm/d；基坑繼續(xù)施工，沉降增長(zhǎng)緩慢逐步趨于穩(wěn)定，達(dá)到最大值。

圖6 地表沉降變化曲線

經(jīng)過以上分析可知，地表沉降增長(zhǎng)較快的是最后一道支撐開挖至坑底的過程中，所以在開挖時(shí)應(yīng)著重監(jiān)測(cè)這一階段的地表沉降，地表沉降均未超過控制值30mm，滿足施工要求。且地表沉降最大點(diǎn)大致位于距離基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)2～4m 范圍內(nèi)。

3.3 深層土體位移

圖7 給出了圍護(hù)墻外部土體深層土體位移變化規(guī)律。位移正值表示向坑內(nèi)，負(fù)值表示向坑外。針對(duì)Q-Q 剖面，基坑開挖過程中，圍護(hù)墻向坑內(nèi)移動(dòng)，位移曲線呈現(xiàn)出中間大，兩頭小的特征，側(cè)移的最大值隨著開挖深度的加大而逐漸增大，最大側(cè)移的位置也緩慢下移，其中基坑施工至底板墊層混凝土澆筑時(shí)土體側(cè)移增量最大。從圖中還可以看出，最大側(cè)移發(fā)生在第二道支撐水平線處，由此可以解釋圖3 第二道支撐受壓最大即支撐軸力最大。從而也說明了在此階段圍護(hù)墻上部往坑內(nèi)變形減小，下部增大，特別是在中部處變形最大，但變形增大也是隨開挖深度增加逐漸增大的。

圖7 深層土體位移時(shí)程曲線

分析可知，Q-Q 剖面最大土體水平位移約為21mm，R-R 剖面最大土體水平位移約為28mm，T-T剖面最大土體水平位移約為16mm，均為超出控制值0.5%h（h 為測(cè)點(diǎn)處基坑深度）。

3.4 理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

由前文實(shí)測(cè)結(jié)果可知，在整個(gè)基坑施工過程中，基坑變形的變化量最大值在基坑施工至底板墊層混凝土澆筑時(shí)，其中支撐軸力、土體深層位移、地表沉降都在此階段出現(xiàn)變化量最大，而這一情況與設(shè)計(jì)理論計(jì)算工況相符，只是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本上小于設(shè)計(jì)計(jì)算值。

從3個(gè)剖面實(shí)測(cè)的土體深層位移變化圖與設(shè)計(jì)理論計(jì)算的土體位移圖見圖8，通過進(jìn)行比較后，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)的土體深層位移變化規(guī)律與設(shè)計(jì)理論計(jì)算的基本相符，只是每個(gè)施工工況的實(shí)測(cè)值都要小于設(shè)計(jì)值，約是設(shè)計(jì)值的1/3 左右，在底板完成后后續(xù)變化量較小。但設(shè)計(jì)理論計(jì)算土體深層位移最大值是在結(jié)構(gòu)底板上一道（在文中剖面Q-Q 剖面、R-R 剖面的第三道及剖面T-T 的第二道）支撐梁拆除后，而工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值是在結(jié)構(gòu)完成后，也就是說現(xiàn)場(chǎng)土體深層位移在拆撐后還是繼續(xù)增大的，但其最大均未超過設(shè)計(jì)理論計(jì)算的最大值。

圖8 設(shè)計(jì)理論計(jì)算基坑的變形曲線

3.5 SMW 工法樁支護(hù)應(yīng)用

從圖2 中可以看出在R-R 剖面所在施工段內(nèi)規(guī)劃地鐵5 號(hào)線將從隧道下穿過，為了便于地鐵施工時(shí)盾構(gòu)穿過工程的圍護(hù)墻，故在此段圍護(hù)墻采用了SMW 工法樁結(jié)合三道鋼筋混凝土支撐，在此段主體結(jié)構(gòu)完成后，全部拔除工法樁內(nèi)的型鋼。

圖9 盾構(gòu)穿過圍護(hù)墻布置圖（單位：mm）

4 結(jié)語

對(duì)工程的3 種不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工段中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析以及與設(shè)計(jì)理論計(jì)算的對(duì)比，得出以下結(jié)論，可為類似工程提供參考。

（1）工程基坑施工過程中安全可控，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工工況符合設(shè)計(jì)與規(guī)范要求。

（2）在整個(gè)基坑施工過程中，最危險(xiǎn)工況是在基坑開挖至底板和拆支撐時(shí)，此時(shí)深層土體位移及地表變形達(dá)到最大值。支撐軸力在土方開挖的第一天變化量最大，而在支撐拆除時(shí)則在下一道支撐梁拆除后的第4～5d 達(dá)到峰值。對(duì)于整體剛度較大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)如地連墻形式的圍護(hù)結(jié)構(gòu)第一道支撐可能出現(xiàn)受拉情況。

（3）當(dāng)存在規(guī)劃地鐵下穿擬建隧道的情況時(shí)，隧道基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)可采用SMW 工法樁拔除型鋼的做法。該方法在文中依托工程中成功應(yīng)用，為后期地鐵5 號(hào)線盾構(gòu)順利施工奠定了基礎(chǔ)。