西安地铁运动公园站深基坑变形规律现场监测研究＊

杨 睿，李冬生

（1.西安市地下铁道有限责任公司，西安 710018；2.山西路桥建设集团有限公司，太原 030006）

随着我国国民经济的快速发展，城市空间日趋 紧张，三维城市空间已开始作为一种重要的自然资源加以开发.由于城市地铁基坑多处于城区繁华地段，大量道路荷载、市政管线密布，给地铁车站深基坑平面尺寸和开挖深度的增大带来了一系列复杂的问题，如围护墙墙体变形、坑底隆起、基坑周围底层移动和地表沉降等，要使此类问题发生的概率和产生的社会负作用达到最小，基坑变形规律监测研究是有效的解决方案之一，它的研究结果对于科学安排下一步的施工工序，分析评价车站稳定性，确保围护桩不产生过大的位移和变形具有重要价值［1-3］.在深基坑施工过程中，只有对基坑围护结构、相邻土体和建构筑物进行全面系统监测，才能全面掌握深基坑开挖变形情况，保障施工安全［4-5］.近年来，基坑监测方法和手段不断提高，监测项目更加完善，监测仪器逐渐自动化，对于监测数据分析处理也有了新的进展［6-7］.但大多数监测单位只重视数据采集，轻视分析和反馈，只停留在收集资料和提交数据，简单分析是否超过报警值的层面上，没有能够结合施工方案、水文地质等对监测成果进行深入分析.文中以西安地铁二号线三标段运动公园站为例，进行了现场监测，研究了地铁车站深基坑变形规律.

1 工程概况

1.1 工程概况

运动公园站位于西安市西铜高速入口辅道与凤城十路正下方，车站沿南北向路中布置；主体为地下两层，有效站台中心轨面高程为390.215m，车站长度为188m.

车站主体围护结构范围总长190.20m，标准段宽22.50m，标准段基坑深度约16～17m.

1.2 工程地质与水文地质条件

本施工场地平坦，土层分层明显，场地类别为Ⅱ类.运动公园车站场地位于黄土梁洼的黄土梁区，地表一般均分布有厚薄不均的全新统人工填土（），其下为上更新统风积（）新黄土（局部为饱和软黄土）及残积（）古土壤，再下为中更新统风积（）老黄土、残积（）古土壤、冲积（）粉质黏土、粉土、细砂、中砂及粗砂等.

场地内地下潜水位埋深8.80～13.30m之间，地下潜水位高程为392.45～396.39m.2006年5月初勘阶段建立长期观测孔时水位高程398.29m.根据西安市地下水动态长期观测资料，地下水年变化幅度1.5～2.0m.

1.3 深基坑围护结构设计

车站主体标准段围护结构采用Ø1000mm钻孔灌注桩，桩心距1200mm，轨排段采用Ø1200 mm钻孔灌注桩，桩心距1400mm.车站主体钻孔桩嵌固深度标准段为7m，加深段分别为8m和10 m.车站主体标准断面及加宽断面自上而下设三道钢支撑，轨排段设四道钢支撑.横撑第一道采用Ø600mm，t＝12mm 钢管，其余采用Ø600mm，t＝16mm钢管.按设计要求，车站轨排段及标准段围护结构安全等级为特级，加宽段为一级.

2 监测方案

轴力监测点分别在车站主体指的截面的每道钢支撑上及军用梁上，编号字头G－0x－xx.

本次维护桩体变形监测共布29个孔，确保安装成活率不低于80%，基坑施工过程中每日监测孔数不少于20个，监测孔编号字头Z.

基坑地表沉降监测点设置在基坑南北两侧，从围护桩外侧起算各点相距分别为3，5，5，5，10m.共计90个，编号字头DC.

测点布置示意图如图1所示，其中带标志的为文中分析的监测点.

图1 车站基坑施工监测点布置图Fig.1 Layout of monitoring points around the metro station

2.1 监测目的

通过对基坑施工期间基坑及支护体的变形和其影响范围内的环境变形、被保护对象的变形以及其它与施工有关的项目或量值进行测量，及时和全面地反映它们的变化情况，为施工参数、预估发展趋势、确保工程质量及周边管线的安全运营提供实时数据，同时为优化设计施工方案提供依据，以便积累区域性设计、施工、监测的经验.

2.2 监测内容与监测仪器

本车站需进行以下项目的监测：①钢支撑轴力；②桩顶部水平位移；③基坑周围地表沉降；④地下水位；⑤桩体变形；⑥土体侧向位移；⑦孔隙水压力和土体压力；⑧周围建筑物沉降倾斜及地下管线沉降、位移；⑨临时立柱桩身沉降、隆起.主要的监测仪器有：精密水准仪、精密经纬仪、钢弦式轴力或应变计数字读数仪、XB338－2型测斜仪、DATA MATE数据采集仪、测量应变计.

2.3 观测时间与频次

主体围护结构在基坑开挖时，每1～2天观测1次，主体结构施工时，每2～3天观测1次；水平支撑基坑开挖时，每1～2天观测1次，主体结构施工时，每2～3天观测1次.临时立柱、地层、地下管线、建筑物及水位在基坑开挖时，每1～2天观测1次.主体结构施工期间，浇好底板后7～30天内每3天观测1次.浇好底板30天后至回填后沉降位移稳定期间，每7天观测1次.

3 监测数据分析

本基坑工程是由中铁七局负责施工，文中作者组成的小组完成了部分项目现场监测的工作并对现场监测的数据进行了分析，结果如下.

3.1 钢支撑轴力变化监测

钢支撑采用支撑轴力计来监测其支撑轴力的变化.轴力计安装在钢支撑管与围护桩间，有专用的支撑底座以保证加装了轴力计的钢支撑的正常工作，起到应有的支撑作用.文中通过对2008年4月9日到2008年8月19日对G－01－05号钢支撑进行了轴力变化分析，支撑轴力随时间变化曲线如图2所示.分析结果如下：

1）该钢支撑在安装初期轴力变化很大，最大值达到918.9kN，这是由于钢支撑在施加预应力（496kN）时初期不稳定，预应力加载速率过快，预应力释放过快以及施工过程中施工机械扰动.随着支撑以下土方的开挖，该支撑的轴力有所增加，当土方开挖较深时，由于侧壁土体变形，土压力增加，导致钢支撑轴力进一步增加.

2）在监测第22天之后，随着支撑以下土方的开挖，G－01－05号钢支撑的轴力开始减小.这是由于基坑上部土体变形逐渐趋于稳定，加上3月底安装的第二道钢支撑基本上承担了挖去的土体所产生的部分压力，加之该道钢支撑作用的位置基坑位移变形已大量释放.同时反映出在基坑开挖前期，G－01－05号钢支撑支撑的维护桩顶部水平位移由基坑内转变为向坑外侧发展的特征 .随之基坑深度继续增加，因受到施工扰动和温度等因素的影响，该支撑轴力变化有所波动，但总体趋势基本保持稳定.

3）在监测第58天之后，该钢支撑轴力又有所变化.这是由于随着基坑的进一步开挖，安装的第三道钢支撑突然对围护桩施加了较大的作用力，使得围护桩对该钢支撑产生了反作用力.随之开挖过程中，安装的第二、三、四道钢支撑承担了大部分的压力，该支撑轴力趋于稳定.

图2 G－01－05号钢支撑轴力变化曲线Fig.2 Axial force change curve of the steel support

3.2 桩身水平位移变化监测

自桩顶期沿桩身向下每0.5m设一个监测点，监测桩身的水平位移发展情况.现分析Z3测点的监测数据.监测时间是从2008年3月26日到2008年7月8日，共测量了105次.总体上来看，基坑水平位移始终向基坑内方向发展.根据基坑深度位移曲线可将其变化分为以下四个阶段：

1）基坑开挖初期由于钢支撑预应力和温度应力对基坑两侧土体的作用，对桩身水平位移向坑内发展起到了一定的限制作用，甚至使其有向坑外发展的趋势，此时在距桩顶0.5m处出现最大水平位移，最大值是5.55mm.

2）随着基坑开挖深度和钢支撑数量的施加，围护桩变形曲线由前倾型逐渐向弓形变化，最大水平位移发生的部位也随之下降.桩身中部的水平位移发展最快，较桩顶大很多，而基坑底部处桩身的水平位移受到的影响较小.可见，在有钢支撑作用的情况下，围护桩变形最大、最危险的部位不在桩顶，而是出现在基坑中部到2／3基坑深度处，其变形曲线如图3所示.在距桩顶约12.5m处，桩身侧向坑内的位移达到最大值11.45mm.

图3 桩体水平位移变化曲线Fig.3 Horizontal displacement curve of pile

3.3 基坑周围地表沉降监测分析

基坑周围地表沉降是地下工程监测中重要的监测项目之一.及时了解施工过程中地表和支护结构的最大沉降量，在必要时调整基坑的开挖顺序和速度，可以有效的评估周边环境的安全情况［8］.文中对 DC3－1、DC2－3、DC20－4三个监测点做了基坑周围地表沉降监测，累计沉降值如图4所示.对监测点累计沉降值进行分析，结果如下：

1）在基坑开挖初期，在开挖前10天期间，地表沉降值很小，其变化值在2～5mm之间，且变化比较稳定.这是由于开挖面土体应力的释放，附加应力引起了地层变形.

2）现以DC2－3测点为分析对象，该测点距基坑13m.随着土方开挖和钢支撑的施作，基坑开挖工作进入了主要阶段，周围地表沉降值逐渐增大，这是由于周边施工机械的频繁调动和邻近土体的侧移，引起地表较大的沉降［9］.

3）对测点 DC3－1、DC20－4进行分析可得，由于该点靠近基坑边缘（距基坑3m），处于基坑断面变化的交界处，受到深基坑的空间效应较大，加上盾构端头加固注浆量较大的缘故，造成该测点地面较长时间内有明显的隆起.另外，DC20－4的监测数据离散性较大，但均在警戒值以内.这是由于DC20－4监测点位于交通道路上，受动荷载影响较大.

图4 基坑周围地表沉降检测Fig.4 Deformation monitoring around the foundation pit

4 结论

文中对西安地铁二号线运动公园站深基坑进行了现场监测研究，重点分析了钢支撑轴力、桩身水平位移、基坑周围地表沉降的监测数据，得出了以下结论：

1）钢支撑能够有效地限制围护桩的水平位移，调整围护桩的受力.随着基坑开挖深度和钢支撑的增加，钢支撑的轴力随之增大，最后随时间内力趋于稳定.

2）Z3围护桩变形最大部位位于距桩顶2／3基坑开挖深度处，其水平位移最大值为11.45mm.桩身水平位移在一定程度上受到基坑两侧钢支撑的限制作用.

3）基坑开挖后，周围地表变形受空间效应影响很大.距基坑长边10m左右，地表变形随着基坑开挖深度的增加，会造成较大范围地表沉降，对周围建筑物、道路、管线等会产生一定的影响.

4）基坑开挖初期变形速率较大，随着开挖深度的增加，速率逐渐减小，到达某一深度，基坑变形不再发展，基本趋于稳定.为保证基坑及周围建筑物的安全，应选择合理的基坑支护类型及支护参数，开展现场监测，采用信息化施工技术保证车站深基坑安全施工.

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