基于現(xiàn)場監(jiān)測的地鐵車站深基坑安全控制研究

柴元四

（中鐵十八局集團有限公司 天津 300222）

1 引言

隨著我國城市交通的快速發(fā)展，城市地上交通壓力也在逐步增大，地鐵以其準時性和便利性已成為改善城市交通狀況、緩解地面交通壓力的重要工具之一。地鐵車站的建設(shè)是地鐵建設(shè)的重要部分，其施工大多采用豎向深基坑開挖方式。然而，地鐵深基坑開挖工程復(fù)雜，工程周邊建筑、地下設(shè)施繁多，施工難度大、風(fēng)險高，產(chǎn)生的問題也多種多樣，因此對施工過程的安全控制至關(guān)重要。有部分學(xué)者在基坑施工安全控制方面做了相關(guān)研究，郭余根［1］結(jié)合監(jiān)控量測及數(shù)值模擬手段分析了地鐵車站深基坑開挖過程中的變形及支撐應(yīng)力變化情況，提出施工過程中應(yīng)重點監(jiān)控基坑開挖引起的地面及支護結(jié)構(gòu)變形；鄭露露［2］通過分析深基坑支護工程施工中常見問題產(chǎn)生的原因并提出了基坑支護工程的控制措施；李海生［3］通過地鐵車站的施工總結(jié)了地鐵車站深基坑施工控制要點；藍日運［4］總結(jié)分析了基坑支護過程中出現(xiàn)的一系列問題并提出了相對應(yīng)的解決辦法；謝建樹［5］通過分析深基坑施工中安全度和變形控制，為基坑施工過程中質(zhì)量控制和管理提供了有效方法；劉波明［6］總結(jié)分析了基坑支護的施工方法并提出了質(zhì)量控制措施；張斌［7］、張永龍［8］對支護施工技術(shù)管理進行了分析總結(jié)；張希來［9］研究了公路工程深基坑施工及其質(zhì)量安全管理；鄭剛［10］系統(tǒng)總結(jié)了基坑與地下工程施工變形控制及工程安全控制策略。

本文基于現(xiàn)場監(jiān)測手段，通過研究在地鐵車站深基坑施工過程中出現(xiàn)的過大變形問題，提出一系列在支護體系加固和優(yōu)化開挖方法等方面采取的措施，并通過分析后期監(jiān)控量測數(shù)據(jù)驗證了這些措施的可靠性，對于同類型深基坑施工中的安全控制具有一定的參考價值。

2 工程概況

呂厝站為廈門市軌道交通1號線和2號線的換乘車站。2號線車站沿湖濱北路東西向布設(shè)，為地下三層島式站臺車站，采用雙柱三跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，為全包防水形式。車站總長187.974 m，標(biāo)準段寬度為22.9 m，島式站臺寬度為14 m，中心里程處覆土為3.2 m，采用半蓋挖法施工。主體基坑圍護采用1 000 mm地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系。車站北側(cè)為宏益大廈、永同昌錦繡廣場；南側(cè)為寶龍大廈，站址環(huán)境以居住、商業(yè)用地為主。2號線車站基坑開挖環(huán)境如圖1所示。

圖1 呂厝站基坑開挖環(huán)境

呂厝站基坑及圍護結(jié)構(gòu)范圍地層從上到下依次為1-2素填土、3-1粉質(zhì)黏土、11-1殘積砂質(zhì)黏性土、17-1全風(fēng)化花崗巖、17-2散體狀強風(fēng)化花崗巖、17-3碎裂狀強風(fēng)化花崗巖、17-4中等風(fēng)化花崗巖、17-5微風(fēng)化花崗巖。圍護結(jié)構(gòu)基底部分進入17-5層，基坑端頭井基底局部坐落在17-3層，基坑標(biāo)準段大部分基底坐落在17-1、17-2層。場區(qū)地下水分為三類:賦存于第四系填土層中的松散巖類孔隙水；賦存于殘積層及全、強風(fēng)化帶中的風(fēng)化殘積孔隙裂隙水；賦存于基巖強風(fēng)化帶以下的基巖裂隙水。

3 施工監(jiān)控量測

為確保施工安全，在設(shè)計階段，應(yīng)根據(jù)基坑的安全等級，明確施工監(jiān)測內(nèi)容及要求。施工過程中，施工方委托具有資質(zhì)的監(jiān)測單位協(xié)作進行，同時業(yè)主方也將委托第三方監(jiān)測單位進行監(jiān)督，建立全線安全預(yù)警系統(tǒng)，進行動態(tài)控制。由此可見，基坑施工監(jiān)測工作對于地鐵車站建造的重要性［11］。

監(jiān)控量測體系是一種可以保證施工人員人身安全、保護施工機械設(shè)備能夠正常運行的方式。為充分發(fā)揮監(jiān)控量測體系作用，需要相關(guān)工作人員先做好數(shù)據(jù)采集與處理工作，掌握足夠的信息，并將這些信息提供給設(shè)計單位與施工單位，以便其根據(jù)這些信息做好地鐵明挖車站施工工作［12］。

廈門地鐵2號線呂厝站基坑周圍環(huán)境復(fù)雜，高層建筑鱗次櫛比，基坑開挖深度較大，故此重點監(jiān)測對象為基坑本身及周圍環(huán)境，監(jiān)測項目以變形監(jiān)測為主，兼顧其它。根據(jù)工程安全等級和周邊環(huán)境風(fēng)險，確定本監(jiān)測工程的監(jiān)測等級為二級。

3.1 監(jiān)測目的

在地鐵工程施工期間對工程結(jié)構(gòu)及施工沿線周圍重要的地下、地面建（構(gòu)）筑物、重要管線、地面道路的變形實施監(jiān)測，為建設(shè)相關(guān)方提供及時、可靠的信息用以評定結(jié)構(gòu)工程在施工期間的安全性及施工對周邊環(huán)境的影響，并對可能發(fā)生的危及環(huán)境安全的隱患或事故及時、準確地預(yù)報，以便采取有效措施，避免事故發(fā)生。

3.2 監(jiān)測項目及測點布置

為準確監(jiān)控基坑在施工過程中的變化情況，工程重點監(jiān)測了地下連續(xù)墻墻頂水平位移、地下連續(xù)墻墻頂豎向位移、地下連續(xù)墻側(cè)向變形、支撐軸力、地下水位、建筑物豎向位移和傾斜、地表豎向位移、地下管線豎向位移等項目。后續(xù)分析中考慮到施工過程對基坑圍護結(jié)構(gòu)及周邊地層的直接影響，選取地下連續(xù)墻側(cè)向變形（Q測點）及地表豎向位移（D測點）為主要分析目標(biāo)，實際測點布置如圖2所示。

圖2 基坑測點布置

4 監(jiān)測結(jié)果及分析

呂厝站基坑采用分階段開挖方式施工，施工過程中，監(jiān)測以日報的形式每日匯總，其中2018年7月1日基坑開挖進度為:圖2中左側(cè)端頭井部分（主體結(jié)構(gòu)劃分為第一段）已開挖至23 m深，第四道鋼支撐已架設(shè)；靠近左側(cè)端頭井的標(biāo)準段部分開挖至20 m深，第三道鋼支撐正在架設(shè)中，其他位置基坑按照臺階法也在施工中。各測點變化值與變化速率均在控制范圍內(nèi)，各項監(jiān)測數(shù)據(jù)正常（前期本基坑出現(xiàn)過部分監(jiān)測數(shù)據(jù)超標(biāo)，按照施工監(jiān)測制度和管理辦法，建設(shè)相關(guān)方已將地下連續(xù)墻側(cè)向位移報警值由原設(shè)計的40 mm調(diào)整為65 mm）。7月2日時出現(xiàn)部分測點再次超限的情況。

4.1 地下連續(xù)墻水平位移

2018年7月2日，地下連續(xù)墻側(cè)向變形監(jiān)測點Q13墻體變形量及Q12、Q13墻體變形速率監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)超限情況，其中臨近點Q1、Q12、Q13墻體最大變形量及最大變形速率如圖3和圖4所示。

圖3 Q1、Q12、Q13測點墻體最大變形量

圖4 Q1、Q12、Q13測點墻體最大變形速率

由兩圖3、圖4可知，7月2日當(dāng)日，監(jiān)測結(jié)果顯示測點Q12、Q13變化速率急劇增長，Q12測點最大變化速率達到9.66 mm／d，Q13測點最大變化速率已經(jīng)達到9.83 mm／d，均超過控制值4 mm／d；墻體側(cè)向變形監(jiān)測點Q13最大變形位移值達到+66.38 mm，超出建設(shè)相關(guān)方設(shè)定的控制值±65 mm，此測點自2018-06-26至2018-07-02期間墻體整體變形狀態(tài)沿深度方向朝向基坑側(cè)近似呈拋物線變形趨勢，并于埋深18 m左右處達到最大值。

4.2 地表豎向位移

2018年7月2日地表位移測點中D12、D13部分測點監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)超標(biāo)情況，其中D12三測點中靠近基坑一側(cè)為D12-1、遠離基坑為D12-3、D13，三個測點布置和D12相同。D12和D13各測點地表豎向位移變形速率如圖5和圖6所示。

圖5 D12測點地表豎向位移變形速率

圖6 D13測點地表豎向位移變形速率

為便于對比分析，圖中所有測點變形速率均取為實際值的絕對值。由兩圖5、圖6可知，地表豎向位移測點中，D12-1、D12-3測點最大變形速率分別達到3.87 mm／d和3.1 mm／d；D13-2測點最大變形速率已達到4 mm／d，均超過了控制標(biāo)準3 mm／d。

4.3 變形超限原因分析

施工現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果超限的原因較為復(fù)雜，對出現(xiàn)的問題進行總結(jié)并結(jié)合現(xiàn)場實際情況仔細分析后，主要原因可歸納為以下幾點:

（1）鋼支撐受力點的圍檁處局部有變形，受力點處的支撐鋼板和圍檁在安裝時局部不密貼；尤其是安裝有軸力計的鋼支撐，因軸力計截面積小，部分支墊鋼板厚度偏小、變形嚴重，由此導(dǎo)致大部分鋼支撐軸力損失，未能滿足原設(shè)計的預(yù)加軸力。

（2）基坑底部及地下連續(xù)墻墻底坐落在全風(fēng)化、散體狀強風(fēng)化、碎裂狀強風(fēng)化、中～微風(fēng)化花崗巖地層中，富含孔隙裂隙水并帶有微承壓水，地下連續(xù)墻難以隔斷該微承壓含水層，坑內(nèi)降水井難以起到疏干的效果。端頭井在開挖過程中，基坑內(nèi)抽水量大，開挖較為困難，施工時間較長，基坑變形的時空效應(yīng)累積造成圍護結(jié)構(gòu)變形超控制值。

（3）基坑右側(cè)鋪蓋板上作為交通疏解道路，交通流量較大，公交車、大型土方車輛等頻繁動荷載作用也不同程度地影響基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形量。

（4）受場地限制，7月2日鋼支撐吊裝作業(yè)時，吊車距離基坑邊較近，產(chǎn)生的地面附加荷載也影響基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形。

（5）地連墻接縫處有少許滲水，采用雙液注漿的方法對其進行封堵，施工時可能因注漿壓力控制偏大，造成圍護結(jié)構(gòu)水平位移變形速率超標(biāo)。

（6）基坑開挖過程中，因基坑內(nèi)不停抽水、圍護結(jié)構(gòu)局部接縫有滲水、地下連續(xù)墻墻底繞流等因素，致使坑外地下水位下降明顯。圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形和坑外地下水位下降，是導(dǎo)致地表豎向位移超標(biāo)的主要原因。

5 解決措施及實施效果

5.1 解決措施

細致分析所出現(xiàn)的問題后，采取對應(yīng)措施加以解決，具體如下:

（1）組織召開建設(shè)相關(guān)方的專題會議，通過現(xiàn)場調(diào)查、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計檢算以及安全風(fēng)險分析，確定基坑的安全和穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）加強鋼支撐，端頭井最后一道變?yōu)殡p拼；圍檁加固，分別加強斜撐范圍的防滑移措施、對受力點的圍檁上增加厚鋼板加勁、軸力計處變形鋼板更換為4 cm厚鋼板，防止鋼支撐的應(yīng)力損失；同時，逐根檢查鋼支撐預(yù)應(yīng)力并對預(yù)加軸力沒有達到設(shè)計要求的，進行補充預(yù)加應(yīng)力使其達到設(shè)計要求。從以上三個方面加強后，有效減少圍護結(jié)構(gòu)的深層水平位移變化。

（3）優(yōu)化基坑開挖方法。原長臂挖掘機和普通挖機配合的臺階傳遞法，鋼支撐不可避免地會滯后1～2根。為最大限度滿足先撐后挖的開挖要求，進場2臺伸縮臂挖掘機，優(yōu)化為伸縮臂和小挖機配合的豎向分層、縱向分段、先撐后挖的豎向傳遞開挖方法。同時，加大作業(yè)人員、設(shè)備投入，加快基坑開挖速度，減少基坑變形的時空效應(yīng)。

（4）對于基底坐落在全強風(fēng)化花崗巖的段落，因該地層具有遇水后強度易急劇降低、軟化的特點，挖至基底時，超挖30～50 cm后立即用C25砼換填封底，以此達到及時封底和加固基底的目的，綜合接地位置通過預(yù)留槽后安裝。

（5）在基坑周邊設(shè)置回灌井進行回灌，及時補充坑外地下水，防止地下水位下降影響地表豎向位移，回灌井間距按5 m布置。

（6）與交通部門溝通，基坑右側(cè)鋪蓋板上減少一個行車道，基坑邊盡量少停放大型機械設(shè)備，減輕地面動、靜荷載的負面影響。

（7）補充基坑搶險的應(yīng)急物資設(shè)備，現(xiàn)場準備3根連接好的應(yīng)急用Ф609 mm鋼支撐，做好應(yīng)急搶險準備。

5.2 實施效果

在采取上述一系列具體措施后，基坑后續(xù)變形得到了有效控制，變化速率和地表變形速率均控制在要求范圍內(nèi)。車站基坑工程已經(jīng)安全完工，主體結(jié)構(gòu)于2018年11月12日順利封頂。采取措施后連續(xù)52 d監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7～圖10所示。

圖7 Q13測點墻體最大變形量

圖8 Q12、Q13測點墻體最大變形速率

圖9 D12測點地表豎向位移變形速率

圖10 D13測點地表豎向位移變形速率

從圖7～圖10可以看出，測點Q13最大變形位移小于65 mm控制值，測點Q12、Q13的最大變形速率在1 mm／d左右，小于4 mm／d的控制值，基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形得到有效控制；同時，地表變形速率也得到有效控制，D12、D13測點地表變形速率在1 mm／d以下，遠小于控制標(biāo)準3 mm／d。以上各安全控制措施效果顯著。

6 結(jié)論

本文分析總結(jié)了廈門地鐵2號線呂厝站車站深基坑出現(xiàn)的圍護結(jié)構(gòu)及周圍地表變形超限問題，提出了對應(yīng)安全控制措施，具體結(jié)論如下:

（1）由于基坑開挖深度較大，支護體系圍檁變形導(dǎo)致鋼支撐應(yīng)力損失；施工場地受限，坑外地下水位活動劇烈，同時受到周邊交通及施工荷載等多種因素的綜合影響，導(dǎo)致基坑圍護結(jié)構(gòu)及周邊地層變形量及變形速率顯著增大。加固處理前地下連續(xù)墻最大位移達66.38 mm，最大變形速率達9.83 mm／d，地表豎向位移變形速率最大值達4 mm／d，均超出限值要求。

（2）針對基坑變形超限問題，從加強和加固支護體系、優(yōu)化基坑開挖方法、增加回灌井回灌地下水、加快封底和換填加固基底等多方面控制圍護結(jié)構(gòu)及周邊地層的變形量及變形速率。經(jīng)處理，地下連續(xù)墻變形量有所減小，變形速率維持在1 mm／d左右，地表豎向位移變形速率在1 mm／d以下，滿足限值要求，處理效果顯著。