地鐵深基坑變形監測及支護結構設計優化研究

羅杰，陳章龍，董樹山，殷姿，李志彬

（中建二局第二建筑工程有限公司，廣東深圳 518000）

1 引言

地鐵深基坑施工是地鐵建設的關鍵環節，對深基坑變形進行監測和分析，并根據實際情況進行支護結構設計優化，是保證施工安全和周邊環境保護的重要措施。近幾年，科研人員圍繞深基坑施工問題開展了一系列研究，并聯合運用了數值模擬、現場監測等多種手段對基坑支護變形特性進行了分析[1]。本文以深圳地鐵4 號線某車站為對象，通過現場監測數據分析支護結構對沉降和水平位移的影響，并采用正交試驗對支護結構進行優化。

2 地鐵深基坑變形監測及支護結構優化

2.1 地鐵深基坑變形現場監測

地鐵深基坑變形主要包括圍護結構變形、坑底變形和周邊地表的變形。

基坑圍護結構變形與圍護結構的形狀尺寸、剛度和施工工藝等有關。圍護結構的變形分為水平變形和豎向變形。水平變形分為懸臂位移、拋物線位移以及兩種位移的組合形式。豎向變形會導致墻體上升或下沉，而圍護結構的不均勻沉降可能導致地表沉降，嚴重時會破壞圍護結構，因此，圍護結構的豎向位移不能忽略。

基坑底部變形主要表現為坑底的土體隆起，包括彈性隆起和塑性隆起，兩者的區別在于開挖深度。若深度淺則坑底發生彈性隆起；若深度較大且基坑較寬，則發生塑性隆起[2]。

周邊地表的變形則為地表沉降，分凹槽形沉降和三角形沉降兩種。凹槽形最大沉降常發生在距離基坑邊緣0.3～0.7 倍開挖深度的地方。三角形沉降主要發生在圍護結構作用有限或未做圍護支撐時，其最大沉降發生在基坑邊緣。

為了確保地鐵建設的安全和質量，需要對深基坑變形進行現場監測。現場監測包括地下水位的動態變化、周圍地表沉降變形趨勢、地下管線變形情況、支護結構的水平位移、立柱豎向位移、坑底隆起情況、支撐軸力等。布置監測點時，需要對多項信息進行綜合考慮，其中包括施工項目的特點、設計要求以及規范要求、施工技術條件與成本價值等。變形監測點的布置地點應是施工中最容易超出變形許可范圍的區域，如項目附近建筑物的周邊以及基坑外地下管道等。監測點的位置不能影響構件的應力、剛度和強度。若施工中監測點被破壞，需要在最短的時間內在破壞點附近位置重新設置監測點，以便施工數據具有連貫性。在基坑開挖前，記錄沉降觀測點的初值，同時按照設計要求和施工程序，對各監測項目安裝應力儀，通過觀察監測對象的數據進行應力測試。由于工程中監測的內容較多，且各監測內容對基坑安全的響應也各不相同，所以監測頻率應分開設計。

深圳地鐵4 號線某車站總長為261.7 m，標準段寬24.1 m，基坑深28.4 m。圍護結構采用圍護樁和內支撐形式，圍護樁由鉆孔灌注樁和高壓旋噴樁組成，鉆孔灌注樁直徑1.2 m、間距1.5 m，高壓旋噴樁直徑0.8 m、間距1.5 m。內支撐采用1 道混凝土支撐和3 道鋼支撐組成，其中混凝土支撐采用1.2 m×1 m斷面，間距為8 m，鋼支撐外徑為φ609 mm，間距為3 m。依據GB 50911—2013《城市軌道交通工程檢測技術規范》[3]，項目現場累計沉降為±28 mm。該工程施工區域水系為地下水，主要分為孔隙水和上層滯水。上層滯水埋深為2～4 m。孔隙水分布較連續且厚度較大，一般為5～40 m，需考慮該層的透水性。該工程地層分為雜填土、砂卵石、風化砂質泥巖、強風化砂質泥巖、中風化砂質泥巖。該工程的基坑監測點布置如圖1 所示。

圖1 深圳地鐵4 號線某車站基坑監測平面圖

2.2 基坑支護細部結構優化模型設計

在基坑支護設計中，需要選擇適合相應基坑工程的支護類型，然后根據支護結構的位移計算和受力分析，設計圍護結構的橫截面和圍護結構插入比。在選擇基坑圍護結構時應著重考慮圍護結構的空間效應和力學效應，基坑的維護結構體系則需要考慮多方面的因素。其中，基坑的地層環境是首要考慮因素，地層環境中包括施工區域的土質情況以及水文條件，不僅如此，基坑開挖深度需要通過施工方案、施工季節以及基坑安全等級進行確定，從而保證基坑維護結構的安全性，減少施工成本。常用的支護形式包括土釘支護結構、灌注樁排樁支護結構、地下連續墻結構和內支撐支護結構。作為新型的邊坡開挖支護方式，土釘墻可以有效解決邊坡穩定性差等問題，其優點是施工周期短，簡便且造價低，可靠性高。缺點是施工完畢后容易在土體中遺留大量廢棄建筑垃圾，會對土壤產生一定的污染。灌注樁排樁圍護墻由多個排列的灌注樁構成，排列方式有間隔排列、一字形相切排列和搭接排列，具體視施工區土質而定。地下連續墻有現澆式和預制式兩種，其中，現澆式用得較多。內支撐支護結構由內撐、內支撐梁及內支撐桿組成，是施工中主要的監測對象。內撐體中鋼管內撐采用螺紋鋼，內撐體與基坑壁之間采用焊接連接。內支撐桿應采用的圓鋼或鋼質插筋間距500～1 000 mm。內支撐桿件的節點應進行拉拔試驗。

出現深基坑工程問題的原因之一是施工方案不合理。支護細部結構的優化設計可以對已有的支護設計方案進行改進，從而調整工期，減少工程造價，同時保證基坑的安全性。此項目采用正交試驗對支護細部結構設計進行優化。由于影響支護結構穩定性的因素主要為支護樁和支撐兩個部分，因此，將試驗變量設置為排樁徑及樁中心距、樁嵌固深度、支撐位置、混凝土強度等級，目標函數設為支護樁和支撐的工程造價。排樁與地連墻方面的工程造價，包括排樁或墻體的施工費用、支撐結構與錨拉體系的費用。為了使造價的計算更加簡便，部分能反復使用的材料，僅需計算材料的安裝費即可。支護細部結構設計的優化還需要考慮相關的約束條件。深基坑的約束條件可分為設計變量、變量一致性和設計準則約束。設計變量約束即值域，排樁徑中，鉆孔灌注樁的值域為0.8～1.4 m，其余則在0.6～2.0 m。樁中心距的值域為排樁徑的1～3 倍。混凝土強度等級一般分為7 種：C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50。支撐體系也存在多種方式，一般以支撐的道數進行劃分。變量一致約束是指多個變量中存在一定的數學關系，這些變量之間互相形成約束。設計準則約束則是施工環境、執行標準等條件限制。

3 監測數據分析及支護結構優化模型性能評價

深圳地鐵4 號線某車站基坑共有18 個測斜樁，根據實際監測數據，變形的最大值發生在4 號監測點位，最大水平位移為27.4 mm。4 號位對應的沉降監測點為DB26-1、DB26-2、DB26-3，對4 號位的基坑沉降變化和水平位移變化作圖可以得到如圖2 所示的變化規律。

圖2 4 號位的基坑沉降變化和水平位移變化情況

由圖2a 可知，在基坑開挖期間，周邊地表產生了不均勻沉降現象，在沉降值達到20.14 mm 以后趨于穩定，且始終小于28 mm，說明該基坑的開挖狀態一直比較穩定。最大地表降沉點的分布情況與開挖深度具有一定關系，根據經驗情況，其降沉點是開挖深度的0.3～0.5 倍，因此，DB26-2 和DB26-3 監測點的沉降量比同時期的DB26-1 大。從圖2b 可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，樁體累計水平位移也逐漸增加，且變化較為緩慢，未發生突變。4 號測斜樁的最大水平位移在距離地面-18 m 處，約為27.4 mm，遠小于限值40 mm，說明基坑設計較為保守，有優化的空間。樁體的水平位移呈現基坑中部大兩頭小的拋物線形狀，說明多重支護對樁身變形起到了一定的約束。綜上分析，該工程支護結構還有優化空間，因此，采用PLAXIS 3D 有限元模型對其進行模擬，并根據正交試驗對結構安全性和綜合造價成本進行分析。

基于深圳地區的地質特點，結合相關理論、已有的實踐經驗和施工可操作性，將排樁徑、樁間距、樁嵌固深度和支撐位置作為正交試驗變量，每個變量取3 個水平，即樁徑取1.0 m、1.2 m、1.4 m，樁間距取1.25 m、1.5 m、1.75 m，樁嵌固深度取14 m、16 m、18 m，支撐間距為4 m、5 m、6 m。采用L9（34）的正交表進行試驗。目標函數表示為每100 m 施工段圍護結構的綜合造價，包括鋼支撐安裝、拆卸費用和圍護結構的造價。其中，鋼支撐安裝拆卸單價為1 500 元/t，則每根鋼支撐安裝拆卸費用為12 652.5 元，要求在樁身最大水平位移處于40 mm以內，沉降累計在28 mm 范圍內的情況下，目標函數值最小。得到的試驗結果如圖3 所示。

圖3 優化前后的結構安全性和綜合造價成本

由圖3 結果可知，優化后的結構最大水平位移為31.43 mm，相比于優化前的位移增量較小，并且其結果低于40 mm，能夠滿足安全性要求。優化后的綜合造價與優化前相比則大幅降低，說明此次優化有明顯的效果且結果較優。試驗所得最優支護參數為：樁徑1.0 m、樁間距1.75 m、樁嵌固深度14 m、支撐間距6 m。

4 結論

針對地鐵深基坑支護變形問題，此次研究以深圳地鐵4號線某車站基坑監測項目為依托，分析了該工程基坑變形監測過程和結果。根據結果分析該工程支護結構還有可優化空間，因此，提出采用PLAXIS 3D 有限元模型模擬基坑監測過程，并采用正交試驗法對支護結構進行優化。深基坑變形監測結果顯示，隨著開挖深度的加深，周邊地表的土體沉降值越大，在達到20.14 mm 以后趨于穩定；測斜樁的最大水平位移在距離地面-18 m 處，為27.4 mm。沉降值和水平位移均在標準限值范圍內，說明該工程的支護結構符合要求，但比較保守。經正交試驗優化后，支護結構的參數為：樁徑1.0 m、樁間距1.75 m、樁嵌固深度14 m、支撐間距6 m。相應的最大水平位移為31.43 mm，造價為101.58 萬元，與優化前相比，位移增加了14.7%，造價降低了28.9%，說明該優化結果能夠在保證結構穩定的同時降低造價成本，具有較好的實際意義。