地铁车站深基坑受力变形监测与分析

刘 伟，吴新宇，彭海燕

（1.中交路桥华南工程有限公司，广东 中山 528400；2.长安大学公路学院，陕西 西安 710064；3.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）

0 引 言

随着基坑由中小型基坑向深大型基坑发展，深基坑的地质条件和周边环境更加复杂，对深基坑开挖、支护技术以及基坑监测提出了更大挑战。因此，对地铁车站深基坑受力变形进行分析、总结和研究显得十分重要。

一直以来，国内外有关学者不断进行着探索和研究。国外如 Finno 等［1］对芝加哥地区某个 13 m 深度的基坑进行监测数据分析。国内如刘国斌等［2］对上海地区的软土深基坑开挖中的沉降、侧向位移、水土压力进行了监测，得到了注浆加固、钢支撑预压及分段分层开挖对减小基坑变形的影响作用；宫剑飞［3］通过分析锚固式地下挡土墙支撑体系的深基坑现场监测数据并结合围护体系的变形和锚杆受力状态，阐明了用朗肯-库伦理论进行深基坑支护设计的局限性，并提出了一种新的适用于封闭式围护体系的深基坑设计理念。

本文重点对佛山地铁三号线大良站深基坑监测情况进行介绍，结合监测数据，对本深基坑监测变形特点和规律进行分析。

1 工程概述

1.1 工程概况

大良站为佛山市城市轨道交通三号线工程中间站，车站总长度约为 266 m，车站主体基坑标准段宽度为 19.9 m，深度为 25.3 m，站台为 11 m 岛式站台，车站（联络线）为明挖三层双跨（三层单跨）钢筋混凝土箱型框架结构。车站基坑位于文秀路与凤山中路以北，平行文秀路。车站施工平面布置图如图1所示，周边环境实景图如图2所示。

图1 车站施工平面布置图

图2 周边环境实景图

1.2 支护结构设计方案

本车站深基坑主体围护结构采用地下连续墙以及钢筋混凝土支撑加钢支撑体系，地下连续墙厚度为800 mm。连续墙深度按照嵌入土质全风化岩层的深度≥ 5.5 m，嵌入全风化岩层的深度≥ 3.5 m，嵌入中风化岩层的深度≥ 2.5 m，嵌入微风化岩层的深度≥ 1.5 m 执行。

基于车站基坑开挖深度较大，标准段内支撑采用径向 4 道支撑，第一道为 700 mmh 900 mm 的钢筋混凝土支撑，水平间距为 9 m；第二、三、四道为φ609，t=16 mm双拼钢管支撑，水平间距为 3 m；基坑端头段采用混凝土斜撑，第一、二、三、四道均为 700 mmh 900 mm 的钢筋混凝土支撑，腰梁尺寸为 800 mmh 900 mm 与1 000 mmh 1 100 mm 两种。

1.3 岩土工程概况

根据《岩土工程勘察报告》，大良站范围内主要分布第四系全新统人工堆积层（Q4ml）素填土；第四系全新统海陆交互相沉积层（Q4mc）淤泥、粉质黏土及淤泥质中粗砂；第四系上更新统～全新统冲积—洪积层（Q3+4al+pl）粉细砂、中粗砂；第四系上更新统～全新统冲积层（Q3al）淤泥质土、（Q3+4a1+p1）粉质黏土；第四系残积层（Qel）粉质黏土；白垩系百足山组（Klb）泥质粉砂岩、粉砂岩。车站地形总体为西高东低，一般标高在3.88～28.87 m。

2 监测方案

2.1 监测内容

本车站深基坑设计开挖深度为 2 5.3 m，依据 GB 50911－2013《城市轨道交通工程监测技术规范》、JGJ 120－2012《建筑基坑支护技术规程》等国家及行业标准的相关规定，确定基坑工程自身风险等级为一级，周边环境风险等级按规范划分为一级，工程监测等级为一级；基坑支护结构安全等级为一级。因此，确定本车站深基坑监测内容如下：①墙顶水平、竖向位移；②墙体水平位移；③支撑轴力；④周边地表沉降；⑤周边建筑物沉降；⑥地下水位；⑦地下管线沉降。

2.2 监测点布置

2.2.1 围护墙体水平位移监测点布置

围护墙体水平位移监测点在基坑标准段按 20 m 的间隔布设，标准段上两端的监测点距离标准段与基坑两端头段连接处阳角位置距离约为 6 m；在南北方向两端头段处，分别在纵向边界中点与横向边界中点处各布设一个监测点；在基坑“刀把”段东西方向边界中点布设一个监测点，全基坑范围边界共布设 31 个监测点，墙体水平位移监测点布置平面图如图3所示。

2.2.2 周边地表沉降监测点布置

图3 墙体水平位移监测点平面布置图

图4 周边地表沉降监测点平面布置图

图5 第一道支撑轴力监测点平面布置图

图6 第二道支撑轴力监测点平面布置图

图7 第三、四道支撑轴力监测点平面布置图

周边地表沉降监测点布设位置与围护墙体水平位移监测点相同，共计 18 个周边地表沉降监测断面，每个监测断面上由最靠近基坑边界的监测点往远离基坑方向的监测点距基坑边界依次为 2、5、10、18、28 m。大良站周边地表沉降监测点布置平面图如图4所示。

2.2.3 支撑轴力监测点布置

大良站深基坑四道支撑的轴力监测点布置如图5～图7所示，其中第一道支撑布设 19 个钢筋混凝土支撑轴力监测点，第二道支撑包括 10 个钢筋混凝土支撑轴力监测点与 9 个钢支撑轴力监测点；第三、四道支撑监测点布置情况相同，每道分别包括 9 个钢筋混凝土支撑轴力监测点与 10 个钢支撑轴力监测点。

3 监测数据分析

3.1 墙体水平位移

图8～图13分别为 ZQT-06、ZQT-07、ZQT-12、ZQT-13、ZQT-29、ZQT-30，6 个监测点在各关键工况节点下墙体水平位移曲线。

图8 ZQT-06墙体水平位移曲线

图9 ZQT-07墙体水平位移曲线

图8中 ZQT-06 监测点位于距基坑南端约 50 m 处的西侧边界上，有效监测深度为 28 m。由图8可知当开挖深度较浅，架设第一道支撑时，墙体水平位移影响范围至约 12 m 深度，且位移近似呈线性分布，由地下至地表方向位移呈线性增大，该工况最大位移发生在地表，约为 2 mm。随着开挖进行，墙体水平位移逐渐增大，位移形态不再呈线性分布而是向中间大两端小的抛物线形分布转变。当第二层土体开挖完成，架设第二道支撑时，墙体最大水平位移发生在地表下 9 m 深度处，该深度处于第二道支撑中心线下部 1 m 处，最大位移值为 6.57 mm。同样的，随着第三、四层土方开挖完成，第三、第四道支撑的架设，墙体最大水平位移点跟着向下移动至该工况所架设支撑的深度附近，即开挖面深度附近，且位移曲线的“腹部”随着开挖加深凸出越大，开挖至基底时最终位移量为 17.1 mm。另外，由图8明显看出第三、第四道支撑架设时与前一工况的墙体位移差值比起第一道支撑架设与开挖至基底与前一工况的位移差值大很多，从一定角度说明了第三、第四层的土体开挖对基坑围护结构位移影响较大，故应对 8 m 至 20 m深度范围的土质、围护结构强度及第三、第四道支撑轴力设计值予以关注。

图9中 ZQT-07 监测点位于距基坑南端约 50 m 处的东侧边界上，对图8与图9进行对比分析，ZQT-06监测点的最大水平位移深度为 16.5 m，最大位移量为17.1 m；ZQT-07 监测点的最大水平位移深度为 17.5m，最大位移量为 19.74 mm。可知两处的墙体水平位移变化规律相近，每个工况下的最大水平位移点所在深度与最大位移值相差不大，因为这两个监测点均埋设在同一监测断面上，即与南端短边的距离相等，基坑在刀把段以南部分为南北方向轴对称形状，故基坑的空间效应对两处的墙体的影响程度相近。

图10 ZQT-12墙体水平位移曲线

图11 ZQT-13墙体水平位移曲线

如图10和图11所示，ZQT-12 和 ZQT-13 分别位于标准段上距基坑南端约 100 m 处的西东两侧边界上，对处于同一监测断面的两监测点位移曲线进行分析，发现当开挖至基底时，基坑东侧的 ZQT-13 的墙体水平位移与西侧的 ZQT-12 位移情况有不小差距，两个监测点的最大水平位移量分别为 26 mm 与 21.32 mm，且 ZQT-13 监测点在 11～18.5 m 深度范围内的水平位移量为 22～26 mm，而 ZQT-12 在同样深度范围内的水平位移量仅集中在 20～21.32 mm 范围内。在其他条件都相同情况下，造成同一监测断面上基坑两侧墙体水平位移差距较大的主要原因之一为所处地质情况不同，根据基坑钻孔信息，该监测断面东西两侧的土体分层情况由上至下均为<1-1>素填土、<5N-2>硬塑状粉质黏土、<6>全风化粉砂岩及<7-2>强风化粉砂岩。但基坑西侧的强风化粉砂岩初见于地表下深度7.8 m 处，而东侧的强风化粉砂岩初见于 19.8 m 深度，两侧地质主要区别在于<6>全风化粉砂岩层的分布厚度，其在基坑西侧的 ZQT-12处分布厚度为 4.8 m，在基坑东侧的 ZQT-13 处分布厚度为 15 m。虽然粉砂岩属于岩体，比起粉质黏土等土体其强度更高，压缩性低，但对于全风化程度的粉砂岩，根据勘察报告中参数建议表，其抗剪强度和变形模量与硬塑状粉质黏土相差不大，与强风化程度的粉砂岩土质相差较大。故在不考虑其他不确定施工因素影响的前提下，通过将曲线图中位移差异明显部分的深度范围结合该深度范围的地质情况进行分析，能较合理地说明位移差异产生的原因。

图12 ZQT-29墙体水平位移曲线

图13 ZQT-30墙体水平位移曲线

图12、图13分别为大良站基坑大里程端头段ZQT-29、ZQT-30 两个墙体水平位移监测点的位移曲线，分别位于基坑大里程端头段西侧中部、东侧中部。由图可看出以上两个点位的墙体水平位移规律明显，最大墙体水平位移量都随着开挖深度增大而增大，且最大位移点位置逐渐向下移动，最大墙体水平位移量分别为10.76 mm、14 mm，均小于位移控制值 30 mm 的一半，说明从基坑开挖开始至今大里程端头段的围护结构稳定性较好，且将大里程端头段的墙体较小位移与基坑中部墙体较大位移相比较进一步体现了细长形基坑中不同区域基坑变形的明显差异性，即空间效应对细长形基坑具有很大的影响作用，存在基坑两端变形小，越靠近中部变形越大的大体规律。另外，位于大里程端头东侧的 ZQT-30 最大墙体水平位移比位于西侧的 ZQT-29 最大墙体水平位移大 3.24 mm，且 ZQT-29 中位移量超过 10 mm 的最大深度为 18 m，而 ZQT-30 中位移量超过10 mm 的最大深度为 23 m。造成处在同一监测断面上的基坑东西两侧位移差异的原因主要为地质差异，根据车站地质纵断面图可知，大里程端头段基坑东西两侧 15 m 深度以上的土层分布相似，从浅至深均含有素填土、粉质黏土以及平均厚度约为 3 m 的砂土夹层，但在深度 15 m 以下的地层中，西侧的 ZQT-29 为强风化粉砂岩，东侧的 ZQT-30 为粉质黏土与全风化粉砂岩，故在地下 15 m 至基底 25 m 深度范围内，基坑西侧的土质比东侧土质更好，故在 ZQT-30 中水平位移＞ 10 mm 的深度分布范围比 ZQT-29 的更大更深，且位移量较大些。除了地质差异的首要因素，还包括现场的其他影响因素如大型施工器械重载和基坑周边地表动荷载，由于现场空间条件限制，基坑西侧紧挨建筑群，无施工器械通行条件，故基坑开挖全程中大中型施工器械均停靠在基坑东侧边缘附近进行作业，对基坑周边地表形成较稳定的外加重荷载。另外在基坑东侧围挡外便是车站基坑施工所占用的原文秀路改道后的交通行车道，且在大里程端头段基坑东侧边缘距离行车道仅为 10 m，车站地处繁华闹市区，每日从基坑边经过的车流量密集，形成频率较高的动荷载，对基坑东侧地层稳定性造成一定的破坏。

3.2 周边地表沉降

选取与基坑标准段上的监测点 ZQT-07、ZQT-13对应的 DBC-04-03～07、DBC-07-03～07；与基坑大里程端头段处监测点 ZQT-30、ZQT-31 对应的 DBC-17-02～04、DBC-18-01～05 共 4 个地表沉降监测断面的 18 个地表沉降监测点的监测数据绘制出周边地表沉降曲线图并进行分析，如图14～图17所示。

图14 DBC-04-03～07地表沉降曲线

图15 DBC-07-03～07地表沉降曲线

图16 DBC-17-02～04地表沉降曲线

图17 DBC-18-01～05地表沉降曲线

由图14～图17可以发现在基坑开挖过程中，每个监测断面的周边地表沉降均呈现出大体一致的变化规律，即周边地表沉降量随基坑开挖加深而增大，距离基坑边缘远近不同其地表沉降量也不同，地表沉降曲线由距基坑近处至远处总体呈现出开口朝上的“勺型”或抛物线型变化，且随着开挖加深曲线“凹陷”越明显。沉降量最大处并非基坑边缘而是大致在距基坑 5～10 m，从此范围至基坑边缘的沉降量逐渐减小，且超过此范围后距离基坑越远地表沉降量越小，由于基坑设计开挖深度H为 25 m，故可知地表沉降最大值发生在与基坑边缘水平距离 0.2～0.4H范围内，且基坑开挖对地表沉降的影响范围 ＞ 28 m。

图16中垂直于基坑大里程端头段东侧边界的DBC-17-02～04 监测断面由于现场空间条件限制，仅能埋设距基坑边 2 m、5 m 和 10 m 远的 3 个地表沉降监测点，距基坑 10 m 之外的地表沉降情况无法监测。由图16可知开挖至基底后最大地表沉降点发生在距基坑 10 m 处，且最大沉降量为 13.2 mm，与图17中最大沉降量 7.6 mm 相差了近两倍。造成同处在大里程端头段的两个监测断面最大沉降量相差甚远的原因除了较小的地质差异外，主要由于图16中距基坑边 10 m 远的监测点 DBC-17-02-04 正好位于施工围挡外的行车道路上，大良站地处繁华市区，每天车流量巨大，故该位于行车道上的沉降监测点自埋设后就承受高频率的动荷载，加上基坑的不断挖深，使该点产生了附加沉降。

另外，通过将相同监测断面上的墙体水平位移监测点 ZQT 与地表沉降监测点 DBC 的数据和变形曲线进行联系统一分析，发现两者间存在一定的关系。两者的变化曲线均呈现出抛物线形状，随着开挖深度增大，墙体水平位移量和周边地表沉降量均增加且均在线条某一处的凸起或凹陷越发明显，即最大墙体水平位移量和最大地表沉降量均一起增大。表1为大良站部分监测断面最大墙体水平位移量和最大地表沉降量的统计，由表1可知大部分监测断面的最大地表沉降量约为最大墙体水平位移量的70 %～90 %。

如图18所示为 DBC-02-06～10 监测断面上五个监测点的时间-沉降曲线图，随着开挖进行，各个点的沉降量逐渐增大，且由图18可知各点的变形曲线呈现出明显的陡缓分区，将监测时间分为 AB、BC、CD 三段，即在不同的监测时段内各点的沉降速率不同，沉降速率的大小关系为 BC>AB>CD。对于 AB 时间段内，当刚开始开挖时，第一层开挖土体仅为 2 m 厚度，且第一道混凝土支撑中心线深度为 -1.5 m，故挖除的土方量小，则坑内土体的卸荷量也较小，基坑围护结构内外两侧土体压力相差不大，故周边地表沉降量小且是沉降速率低。当第一道混凝土支撑达到规定强度后，进行第二层土体开挖，开挖深度较浅，且第一道混凝土支撑已具备足够强度承受第二层土体卸荷产生的基坑外侧土体主动土压力，故沉降速率依旧较小。时间为 B 点处 DBC-02-06、DBC-02-07、DBC-02-08、DBC-02-09、DBC-02-10 五个监测点的地表沉降量分别为 2.12、6.87、2.96、1.46、0.85 mm。BC 时间段中，对基坑第三层及第四层土体开挖，由于受到现场进行注浆加固措施时过大的注浆压力影响及地下水渗流的作用，且土体开挖厚度较大，导致该段地表沉降速率快速增大，沉降曲线较陡，五个监测点的地表沉降量分别为 9.3、16.25、8.89、6.89、4.88 mm。CD 段为开挖第五层土体后各点的沉降变化情况，由于第五层土体深度距地表较远且地连墙底处嵌固在强度相对较高的岩层中，另外四道支撑均已形成，在四道支撑共同承受外力作用下，第五层土体的开挖卸荷对地表沉降的影响相对较小，故 CD 段地表沉降速率迅速降低，开挖至基底后沉降趋于平缓，第五层土体开挖完成后各点的沉降量分别为11.53、18、12.1、8.6、5.86 mm。

表1 同一监测断面墙体水平位移最大值与地表沉降最大值统计表

图18 DBC-02-06～10时间-沉降曲线

3.3 支撑轴力

图19、图20分别为埋设在基坑小里程端头段东西两侧四层斜撑上的支撑轴力监测点 ZCL-01-01～04、ZCL-02-01～04 的支撑轴力曲线；图21为基坑标准段中部与墙体水平位移监测点 ZQT-07 处在同一监测断面的支撑轴力监测点 ZCL-05-01～04 的支撑轴力曲线。

图19 ZCL-01-01～04轴力曲线

图20 ZCL-02-01～04轴力曲线

图21 ZCL-05-01～04轴力曲线

由图19～图21可知当每道支撑架设完成后其支撑轴力均会在下一道支撑架设前随着开挖加深而增大，原因是因为该道支撑所在深度处以上土体被挖除，在基坑内形成临空面，地连墙外侧土体主动土压力使围护墙体发生向基坑内的水平位移，进而对架设上的支撑施加了水平轴力。随着开挖深度增大，开始架设第二、三、四道支撑，但在开挖至基底的全过程中并不是每道支撑的水平轴力均表现为持续增大，如图19中，在架设上第三道与第四道支撑后，第二道支撑的轴力都发生一定程度的减小；又如图20中，在架设第三道支撑后第二道支撑轴力减小，在架设第四道支撑后第二道、第三道支撑轴力均减小。造成下一层支撑的架设使上一层支撑轴力减小的原因是由于新架设的支撑分担了上一层支撑原本承受的部分荷载，使新架设的支撑轴力增大，上一层支撑轴力减小，这就是内支撑结构与围护结构组成的支护体系自我调节达到受力平衡的过程。另外如图21中所示，第二、三、四道支撑均在开挖全程中表现为轴力增大直至开挖至基底后趋于稳定值，说明支撑轴力在开挖全程中并非持续增长或持续下降，这与每道支撑的竖向间距、支撑所处断面的地质情况有较大关系。

如图21所示，第一道支撑轴力值从第三道支撑架设后呈现负增长，当开挖至基底后，第一道支撑轴力值约为 -500 kN，即受到拉力作用，说明第一道支撑深度处的围护墙体产生远离基坑方向的较小位移或变形。该现象说明了围护结构作为一个柔性整体在深基坑开挖过程中，在复杂的地质条件和周边环境、不定的施工因素影响下，其受力与变形趋势是复杂多样的，在一定条件下第一道支撑轴力为负值，即受到拉力作用是有可能的。

4 结 论

1）围护墙体水平位移量随着基坑开挖的加深而增大，且最大墙体水平位移点深度也随着开挖加深发生下移，位移曲线呈两端小中间大的抛物线形并随开挖加深曲线“腹部”凸出越明显。最大位移点出现在靠近基坑中部的 ZQT-13 监测点上，最大位移量为 26.4 mm，未超出设计控制值，基坑处于较稳定状态。

2）周边地表沉降量随基坑开挖加深而增大，地表沉降曲线由距基坑近处至远处总体呈现出开口朝上的“勺子”形或抛物线形分布，且随着开挖加深曲线“凹陷”越明显。沉降量最大点并非在基坑边缘而是大致在距基坑 5～10 m 的范围内，即 0.2～0.4H（H为基坑开挖深度）的范围，且最大地表沉降量约为最大墙体水平位移量的 70 %～90 %。

3）内支撑结构能较好地抑制基坑变形，内支撑的架设为围护墙体承担了部分基坑外侧土体主动土压力，使墙体水平位移速率与周边地表沉降速率降低。当基坑开挖较深时，第一道支撑可能承受拉力。开挖全过程中最大支撑轴力值出现在基坑中部位置的 ZCL-05-03 监测点上，最大轴力值在约为 7 000 kN。