下穿高架橋的地鐵基坑監(jiān)測及分析

陳福建 章 青 劉海祥

（1.河海大學土木與交通學院，南京 210098；2.河海大學力學與材料學院，南京 210098；3.南京水利科學研究院，南京 210029）

隨著城市地下空間的進一步開發(fā)，越來越多的深基坑需在鬧市中心的復雜環(huán)境中施工.這些基坑常處于密集的既有建（構）筑物、高架橋、地下管線、地鐵區(qū)間隧道附近［1］.如何在這種復雜的環(huán)境下既保證基坑開挖的順利進行，又不會對臨近建筑物造成損壞是工程中亟待解決的問題.因此，在基坑的施工過程中，需要對基坑和周邊環(huán)境進行實時監(jiān)測，根據(jù)實測數(shù)據(jù)的分析，及時全面地了解基坑安全性以及周邊環(huán)境受影響程度，并可及時采取應對措施，全面保障地鐵基坑工程的順利進行.監(jiān)測已經(jīng)成為深基坑工程施工中必須進行的工作之一［2－9］.本文依托無錫市地鐵一號線金城路站基坑工程，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得到了無錫地鐵車站深基坑變形及高架橋橋墩豎向位移的變化規(guī)律，旨在為類似工程地質條件下的基坑工程施工、設計提供一定的參考.

1 工程概況

基坑深度16.5m，寬度20.7m，基底坐落在④2粘土層，車站主體采用800mm 厚地下連續(xù)墻，中間3區(qū)基坑穿越高架橋，該處使用鉆孔樁加攪拌樁體系，并采用蓋挖法施工.其圍護結構采用Φ1 200鉆孔灌注樁后增加一排旋噴樁，樁頂設冠梁，冠梁與鋼筋混凝土支撐同時施工，灌注樁長25m，支撐采用1道鋼筋混凝土支撐及3道鋼支撐，第1道鋼支撐中心標高－6.5m，第2道鋼支撐中心標高－10.5m，第3道支撐中心標高－14.5m.基坑與高架橋的平面及剖面關系圖如圖1所示.

圖1 橋墩與3區(qū)基坑關系圖

2 工程地質

該場地地貌單元屬長江三角洲太湖沖湖積平原，區(qū)內第四紀沉積物覆蓋廣泛，覆蓋厚度一般大于100.0m，各層土的組成及物理力學指標見表1.

表1 土層的基本物理力學參數(shù)

土層編號土層名稱深度／m容重／（kN·m－3）含水率／%內摩擦角／°粘聚力／kPa④1粉質粘土3.49 16.2 45.4 14.0 36④2粘土6.05 16.3 46.8 18.3 68④3 粉質粘土夾粉土4.19 17.5 41.2 16.2 53⑤1粉質粘土3.38 17.2 42.4 17.3 46⑤2粉砂2.10 17.4 38.6 23.3 24⑤3 淤泥粉質粘土 2.14 16.1 40.3 4.6 7.8⑥粉質粘土2.43 17.9 30.1 13.8 33

3 監(jiān)測方案

3.1 監(jiān)測內容及測點布設

車站下穿金城高架，圍護結構距離高架橋橋墩最近為8.6m，基坑開挖過程中，一旦出現(xiàn)圍護結構滲漏水或是變形過大，金城高架橋會出現(xiàn)沉降、傾斜，引發(fā)重大安全事故.因此，對地鐵基坑和高架橋的變形進行了全過程的監(jiān)測，地鐵基坑的監(jiān)測項目主要是圍護樁體的水平位移、基坑周邊地表沉降、支撐軸力、水位變化以及臨時立柱的豎向位移，高架橋的變形監(jiān)測為高架橋橋墩沉降監(jiān)測，具體如下：

1）樁體變形監(jiān)測點布置.樁身變形是判斷基坑安全性的一個重要指標，是施工中關注的關鍵.根據(jù)監(jiān)測方案，3區(qū)基坑在鉆孔灌注樁內共布設了10 個測斜孔，測斜管提前埋設在圍護樁鋼筋籠內，與圍護樁同長.

2）基坑周邊地表沉降點布置.根據(jù)監(jiān)測方案，在基坑東側即離橋墩最近側布設DB1～DB9，基坑西側布設DB10～DB18 以觀測地表沉降，其中DB1～DB3、DB10～DB12 位于金城路上，并且在金城路臨時棧橋鋪蓋系統(tǒng)上，從圍護樁外側算起，各點離基坑距離分別為5、10、15m.

3）支撐內力監(jiān)測點布置.支撐體系采用1道鋼筋混凝土支撐及3道鋼支撐，第1道鋼筋混凝土支撐與冠梁同時進行施工，并在混凝土支撐設一個監(jiān)測斷面，4只鋼筋應力傳感器分布于4個側面中間的縱向主筋上.3道鋼支撐軸力監(jiān)測選擇端頭軸力計（反力計）進行軸力測試.

4）臨時立柱監(jiān)測點布置.在距離高架橋北側施工26m 臨時棧橋，棧橋蓋板梁下設臨時立柱，與基坑兩側圍護樁共同組成豎向支撐體系.測點布置于內支撐跨中，運用反光片貼于鋼筋混凝土頂層支撐側面頂部，運用全站儀進行高程測量.

5）高架橋墩沉降點布置.分別在距離基坑8.6 m、18.2m 處的高架橋墩4個角上布設沉降觀測點，建立沉降變形監(jiān)測網(wǎng)，水準網(wǎng)觀測采用幾何水準測量方法，使用電子水準儀進行觀測.

圖2 基坑測點布置圖

3.2 警戒值

監(jiān)測警戒值的確定應滿足《建筑基坑支護技術規(guī)程》（JGJ120－99）和《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》（GB50497－2009）及《無錫軌道交通一號線監(jiān)測技術大綱》、設計文件的相關要求.結合本工程實際情況，各監(jiān)測項目的監(jiān)測警戒值見表2.

表2 監(jiān)測警戒值

4 監(jiān)測結果及其影響分析

4.1 圍護樁水平位移變化規(guī)律

測斜數(shù)據(jù)表明：樁體側向變形與基坑開挖深度密切相關，圖3為CX10在不同深度的測斜曲線.由圖3位移曲線可知，樁體整體變形呈“）”型，即兩頭小，中間大，符合常見采用多道內支撐圍護結構的變形規(guī)律.隨著基坑開挖深度的增加，樁體水平位移也在增加.基坑監(jiān)測按照施工順序由上而下分為以下4個階段.第1階段即當初期開挖到鋼筋混凝土支撐以下大約5m 位置時，土體水平位移曲線近似直線變化，這主要是由于此時開挖基坑較淺，并且從圖5支撐軸力曲線可以看出，鋼筋混凝土支撐的軸力增大，說明此時混凝土支撐承受了主要的壓力.第2階段即開挖深度大約為10m，此時，第1道鋼支撐已架設完畢，隨著開挖深度的增加，樁體所受側向土壓力隨之增加，由曲線圖可以看出，樁體開始明顯向基坑內傾斜，樁體位移明顯增大，最大位移位于基坑深度9.5m 附近處，大致為基坑的開挖深度.第3 階段即開挖到第2道鋼支撐以下，開挖深度是12m，開挖后樁體位移與第2階段相似，其最大位移位于基坑12m 位置附近，這說明樁體的最大位移基本發(fā)生在基坑開挖面附近.第4階段即開挖到坑底即16.5m 位置時，第3道支撐架設完畢，樁體的水平位移明顯增大，最大位移位于基坑深度13m 附近，位移值達到13.14mm.底板澆筑完畢是樁體側向位移最大的時候，側向位移最大值達到－16.36mm，這主要是由于土體的應力釋放存在時間效應，即應力釋放不是在瞬間完成，以至于整個過程中，樁體最大位移出現(xiàn)在底板澆筑完畢，而不是開挖到基坑底板時.并且，從圖中可以看出整個開挖過程中，樁頂?shù)乃轿灰坪苄?，這主要是由于頂部鋼筋混凝土支撐的剛度較大.樁體的水平位移最大值一般發(fā)生在基坑開挖面附近，最大水平位移與坑深之比為0.08%，屬于非常低的水平，就整個觀測過程來看，樁體各個階段的的水平位移均未超過表2中監(jiān)控警戒值.

圖3 圍護樁體沿深度變化曲線

4.2 基坑周邊地表沉降變化規(guī)律

一般認為支護結構的側向位移是地表沉降的主要原因之一，除了支護結構的自身因素外，其大小主要取決于橫向支撐的剛度［10］、開挖過程中的時空效應等因素，而基坑工程的施工引起建（構）筑物的沉降一般認為是由基坑土方開挖造成坑外土體位移和坑外水位降低，導致土體固結引起的.圖4為基坑開挖后DB1～DB3地表沉降變化曲線.由圖4可知，距離基坑最遠的監(jiān)測點DB3的位移變化最小，最大豎向位移發(fā)生在距離基坑大約10m 處監(jiān)測點BD2上即開挖深度的0.6倍距離處，并不是發(fā)生在離基坑最近的DB1上，符合有支撐基坑的樁后地表沉降的變化規(guī)律.從前3周數(shù)據(jù)來看，基坑周邊的地表沉降曲線先上后下，豎向位移先變大再變小，并且豎向位移主要為正值，表現(xiàn)為隆起狀態(tài).其主要原因可能是由于監(jiān)測點附近的基坑此時正在進行旋噴樁施工，旋噴樁施工使基坑內被動土壓力增加［11］，導致基坑周邊土體隆起.自第2周左右開始，曲線向下，這主要是由于隨著開挖深度的增加，地面沉降迅速發(fā)展.第4周左右，第1道鋼支撐已經(jīng)架設完畢，由于第1道鋼支撐預加軸力的施加使得基坑周邊的土體呈現(xiàn)相對隆起的趨勢很明顯，并且由圖5的軸力曲線圖可以看出，第1道鋼支撐軸力最大，其預加軸力取設計值的60%，承受了主要的土壓力.

隨著基坑的繼續(xù)開挖，大約在第8周，已經(jīng)開挖到基坑底部，第2、3道鋼支撐已經(jīng)架設完畢，這段時間內的變化幅度不大，總體來看，基坑周邊土體呈現(xiàn)規(guī)律性的相對隆起－沉降，而且離基坑越近這種規(guī)律越明顯.從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，DB1、DB2、DB3 最大豎向位移發(fā)生在大約第9周，此時，已經(jīng)開挖到基坑底部，由于梅雨季節(jié)，坑底積水較多，基底澆筑延遲.因此，深基坑有支撐暴露時間長短對于基坑的安全有很大影響.隨著基坑底板澆筑完成，基坑周邊土體豎向位移變小，之后土體又呈現(xiàn)向上位移狀態(tài)（11～13周之間），這主要是由于基坑采取分區(qū)開挖，南區(qū)基坑已經(jīng)開挖到基底.隨著基坑中板及頂板澆筑完畢，基坑周邊土體豎向位移趨于穩(wěn)定.

在基坑整個開挖過程中，DB1、DB2、DB3的豎向位移最大值和變化速率未超過表2中的監(jiān)測警戒值.且變化速率與時間呈反比關系，這是因為開挖初期豎向位移變化較快，待到開挖中期變化速率較緩慢，隨著主體結構施工變化速率變形趨于穩(wěn)定.

圖4 地表豎向位移曲線

4.3 支撐軸力變化規(guī)律

內支撐軸力隨著降水、開挖進程發(fā)生變化，通過支撐軸力的變化，可以判斷支撐體系的安全狀態(tài)，避免因支撐軸力過大而失穩(wěn)，進而影響橋梁基礎及上部結構的安全.為了監(jiān)測內支撐的軸力，選取基坑中ZL7－1～4實測曲線為例進行分析，其中ZL表示內支撐軸力，7代表監(jiān)測斷面的編號，1～4表示第1道混凝土及3道鋼支撐.圖5為基坑中部鋼支撐軸力－時間曲線，從中可以看出，支撐軸力隨著開挖深度的不斷增加而增加，在基坑開挖階段頂部鋼筋混凝土支撐軸力增加較為緩慢，基本呈直線變化.當開挖到第1道鋼支撐位置并且鋼支撐安裝完畢，頂部鋼筋混凝土支撐呈現(xiàn)下降趨勢，這時由于第1道鋼支撐的設置緩解了頂部鋼筋混凝土支撐的壓力.隨著繼續(xù)開挖，在基坑開挖到第2道鋼支撐位置時，第1道鋼支撐軸力迅速增加，支撐軸力由732kN 增加到838kN，這主要是由于機械化施工，施工進展較快.在挖到第2道鋼支撐位置時，當?shù)?道支撐支護完畢后第1道支撐趨于平穩(wěn)，這說明第2道鋼支撐緩解了第1道支撐所受壓力.當開挖到基底且第3道鋼支撐支護完畢后第3道支撐軸力突然變大，這是由于受到降雨的影響，基坑底部側墻出現(xiàn)滲水現(xiàn)象.隨著主體結構的施工，第2和第3道鋼支撐拆除后第1道鋼支撐軸力突然增加到1 025kN.并且，在整個基坑開挖過程中，第1道鋼支撐相對其他鋼支撐數(shù)值都大很多，這說明第1道鋼支撐承受主要土壓力，施工時需對第1道鋼支撐加強監(jiān)測.

第1 道鋼支撐按照設計軸力的60%施加預加力，第2、3道按照設計軸力的40%施加預加力，支撐軸力設計值分別為2 620，2 450，1 950kN，頂部鋼筋混凝土支撐設計軸力是1 050kN.因此，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知該支撐體系有足夠的安全儲備且偏于保守.

圖5 基坑中部鋼支撐軸力－時間曲線

4.4 坑內臨時支撐立柱豎向位移變化規(guī)律分析

臨時支撐立柱可以承擔內支撐自身重力，同時可以增加內撐約束，降低自由長度.內支撐相對于兩支點撓度，反應了支撐的變形情況，有助于判斷支撐安全狀態(tài).圖6為立柱豎向位移曲線，結果表明，基坑開挖初期，立柱沉降微小，一周后立柱迅速上浮，這主要是由于南區(qū)高架橋附近正在進行旋噴樁施工，高壓噴射壓力會對周邊土體產(chǎn)生擠壓力.隨著旋噴樁施工結束，立柱受到上部蓋板及自身荷載作用開始下沉，但沉降量較小，之后隨著開挖深度和速度的不斷增加，基坑卸荷也不斷增大，上浮力增大，立柱上浮量明顯增大.在第8周左右開挖區(qū)立柱的上浮最劇烈，尤其LZ4最大位移達到9.9mm，已經(jīng)接近報警值.這是由于施工單位施工速度過快，基坑已開挖到底層，坑底土體回彈，立柱迅速上浮.此后在澆筑底板過程中，立柱開始緩慢下沉.隨著主體結構的施工，立柱的豎向位移變小并逐漸穩(wěn)定.

圖6 立柱豎向位移曲線

4.5 橋墩豎向位移變化規(guī)律分析

由于需要重點保護下穿基坑的高架橋，故對其進行沉降監(jiān)測.選取離基坑西側橋墩上的監(jiān)測點JZ1－4、JZ1－6，以及離基坑圍護結構僅8.6m 距離的JZ1－8進行沉降分析，圖7為高架橋墩的豎向位移曲線.

圖7 高架橋橋墩豎向位移曲線

從圖7的結果可見，在基坑西側橋墩上布置的監(jiān)測點豎向位移變化規(guī)律基本一致，呈波浪形，基坑開挖初期，由于受旋噴樁施工影響，主要表現(xiàn)為土體隆起狀態(tài).隨著開挖深度的增加，曲線變化呈快速下降趨勢，大約到第4周橋墩的沉降量達到最大值，其最大豎向位移為－4.8mm，雖然未超過表2 中規(guī)定的警戒值，但橋墩豎向位移的變化速率已經(jīng)達到報警值，這主要是由于工期緊縮影響，圍護樁外隔水帷幕未達到強度即繼續(xù)開挖，導致出現(xiàn)較大的涌水點.到第4周后位移曲線又向上，此時第1道鋼支撐已經(jīng)架設完畢，準備架設第2道鋼支撐，從圖5軸力變化曲線可以看出，鋼支撐軸力較大.說明支護結構的變形對高架橋墩的沉降影響是很明顯的.自第12周到14周，隨著北側基坑開挖結束、底板澆筑的完成，橋墩豎向位移變化曲線逐步趨于水平，說明這個時期橋墩的豎向位移趨于穩(wěn)定.隨著主體結構的施工，高架橋墩的位移曲線同樣趨于穩(wěn)定，當17周頂板澆筑完畢后可以看出橋墩位移量很小.再對JZ1－8進行分析，在前6周與西側橋墩變化規(guī)律基本一致，自第6周到7周，曲線出現(xiàn)向上變化，這主要是由于南側基坑正在進行開挖，并且開挖面出現(xiàn)積水.施工單位及時采取了基坑內降水，曲線很快向下變化.大約在12周，南側基坑底板澆筑完畢，橋墩沉降開始趨于穩(wěn)定.因此，從以上各圖中可知，基坑整體變形情況較好，高架橋的沉降滿足其保護要求.

5 結 語

1）開挖過程中，各階段樁體的最大水平位移基本發(fā)生在基坑的開挖面附近；位移隨著開挖深度增加而增加；樁體水平位移最大值發(fā)生在底板澆筑完畢時.

2）基坑周邊土體沉降最大位置發(fā)生在基坑深度0.6倍處，在深基坑開挖過程中，基坑開挖至底層是施工最不利的時候，此時需要加強監(jiān)測，并且需盡快完成底板澆筑，以減少有支撐暴露時間長短對于基坑的安全產(chǎn)生的影響.

3）支撐體系采用混凝土支撐＋鋼支撐組合，該體系相輔相成、互補不足，滿足了現(xiàn)場施工和設計要求，其中，第1道鋼支撐承受了主要的壓力，在施工中需加強對其監(jiān)測.

4）在整個下穿高架橋基坑的施工過程中，樁體水平位移、基坑周邊地表及立柱豎向位移、支撐軸力均小于警戒值，監(jiān)測、圍護方案可行，基坑及高架橋均處于安全狀態(tài).

［1］ 丁春永，王建華，李耀良.地鐵車站基坑下穿高架施工關鍵技術［J］.建筑技術，2011，42（12）：1084－1087.

［2］ 宋曉宇，劉 濤，王建華.梁青魁盾構下穿地鐵13號線清河高架橋地表沉降監(jiān)測［J］.鐵道建筑，2011（6）：65－67.

［3］ 李 俊，張小平.某基坑位移、沉降和內力實測結果及預警值討論［J］.巖土力學，2008，29（4）：1045－1051.

［4］ 侯勝男，劉俠南，劉 征，等.緊鄰深基坑某歷史建筑變形實測分析［J］.地下空間與工程學報，2011，7（5）：977－982.

［5］ 肖武權，冷伍明，律文田.某深基坑支護結構內力與變形研究［J］.巖土力學，2004，25（8）：1271－1274.

［6］ 姜忻良，宗金輝，孫良濤.天津某深基坑工程施工監(jiān)測及數(shù)值模擬分析［J］.土木工學報，2007，40（2）：79－84.

［7］ 吳永川，陳 琦.深基坑工程現(xiàn)場監(jiān)測的回顧與展望［J］.天津城市建設學院學報，2001，7（2）：88－90.

［8］ 孫 凱，許振剛.深基坑的施工監(jiān)測及其數(shù)值模擬分析［J］.巖石力學與工程學報，2004，23（2）：293－298.

［9］ 賈彩虹，楊國忠，張學穎.蘇州地鐵超寬超深基坑工程監(jiān)測及分析［J］.鐵道建筑，2010（10）：61－65.

［10］龔曉南.關于基坑工程的幾點思考［J］.土木工程學報，2005，38（9）：99－102.

［11］付艷斌，謝永健.基坑旋噴樁施工對周邊環(huán)境的影響及改進措施［J］.建筑技術，2007，38（12）：915－917.