沿江地铁车站围护结构变形规律现场实测分析

宁茂权 贺湘灵 王 涛 关振长

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430064；2.海峡(福建)交通工程设计有限公司 福建福州 350004；3.中铁四局集团有限公司城市轨道交通工程分公司 安徽合肥 230002；4.福州大学土木工程学院 福建福州 350116)

1 引言

随着国民经济的迅速发展，城市基础设施建设进程不断加快，各大城市正大力发展城市轨道交通体系。城市环境下开挖地铁车站基坑，其周边环境复杂，施工扰动大，尤其在不利地质条件下若设计或施工不当，极易造成工程事故。因此，施工过程中对基坑围护结构内力与变形、周边建筑物变形、地下管线沉降等展开及时跟踪监测，对保障基坑施工安全具有十分重要的意义[1-2]。

许多学者采用现场监测的手段，对地铁车站基坑围护结构变形特征开展了细致研究。张明聚[3]对北京地铁某车站明挖基坑展开跟踪监测，分析了其围护结构变形与开挖空间几何尺寸、围护结构无支撑暴露时间等施工参数之间的相关性。杨有海[4]通过对杭州地铁秋涛路车站基坑监测数据分析，探讨了围护桩最大水平位移的位置与开挖深度、围护桩长之间的定量关系。徐中华[5]分析了上海外滩596地块超深基坑及其邻近地铁隧道的监测数据，探讨了不同基坑支护设计、施工措施对邻近地铁隧道的影响。李哲[6]以广东佛山地铁大良站基坑实测数据为基础，分析了软土地层条件下基坑围护连续墙水平位移随开挖、回填等工况的变化规律。钟俊辉[7]利用归一化方法统计了福州地区多个地铁车站基坑监测数据，得到基坑深度、软土厚度等不同因素与墙体之间变形的定性或定量关系。李少波[8]对厦门地区多个地铁车站基坑的监测数据进行统计分析，认为滨海花岗岩残积土复合地层中，地铁车站基坑围护结构的变形模式多为抛物线型。

随着城市轨道交通建设的进一步发展，诸多城市正在规划或修建沿江地铁线路。沿江设置的地铁车站，其基坑两侧地形或地层压力不对称，偏压效应将对基坑围护结构的受力与变形产生不利影响，甚至造成失稳等安全事故。本文结合福州地铁5号线农林大学站基坑施工过程中的监控量测数据，重点探讨地形偏压条件下地铁车站基坑围护结构的变形规律。

2 工程概况

福州市轨道交通5号线一期工程1标段起于荆溪新城站，终于福州南站，共设20座车站，19个区间，全线均采用地下线敷设。其中农林大学站位于仓山区上下店路道路下方，呈南北走向，其中心线沿上下店路跨农林大学校门口设置。车站基坑长170 m，标准段宽24.1 m，端头井宽28 m，车站西侧为福建农林大学及福建工业学校，东侧紧邻闽江，其岸坡距基坑围护墙仅有11～25 m(见图1)。

图1 农林大学站基坑俯视图

(1)工程地质条件

农林大学站场地属剥蚀残丘地貌单元与海陆交互相冲淤积平原地貌单元的交界地带，整体地势有所起伏，场地类别为Ⅲ类。主要地层为杂填土、粉质黏土、淤泥质土、含砂粉质黏土、残积砂质黏性土、全风化正长斑岩。各岩土层的主要物理及力学指标见表1。

表1 各岩土层的主要物理力学参数

地下水按埋藏条件包含上层滞水和承压水，潜水主要赋存于上部填土层及粉质黏土层中；深层承压水主要分布于深部含砂黏性土层中。实测该地区的初见稳定水位埋深为1.90～3.10 m。

(2)基坑围护结构设计

农林大学站基坑标准段开挖深度23.4 m，端头井最大开挖深度25.2 m，车站主体结构采用半盖挖顺作法施工。围护结构采用地下连续墙+五道水平支撑形式，其标准段围护结构设计如图2所示(标高为罗零高程)。

图2 标准段基坑围护结构剖面(标高单位：m；尺寸单位：mm)

(3)基坑开挖流程

农林大学站基坑采用分段(8段)、分层(6层)开挖，其分层情况见图2，分段见图3。首先施作地下连续墙、中立柱与立柱桩，并进行坑底水泥土搅拌桩加固；然后开挖两侧端头井区域；最后开挖中间标准段区域。基坑开挖的施工时间见表2。

图3 农林大学站基坑分段示意(单位：m)

表2 农林大学站基坑开挖时间

3 基坑监测项目及测点布置

基坑开挖过程中对以下项目进行监控量测:(1)围护墙顶水平位移与沉降；(2)围护墙深层水平位移；(3)支撑轴力；(4)周边地表沉降；(5)坑外地下水位；(6)地下管线沉降；(7)周边建筑物沉降。与常规深基坑不同，农林大学站东侧紧临闽江，车站两侧地层压力差异较大，因此本文着重对围护墙深层水平位移和支撑轴力的监测数据展开细致分析，探讨地形偏压条件下基坑围护结构的变形规律。

围护墙深层水平位移与支撑轴力监测点平面布置如图4所示。沿基坑长度方向，选取其中部DK15+932断面为研究对象，该断面上布设有测斜孔QCX06(沿江侧)和测斜孔QCX16(靠山侧)，另布设有5道支撑轴力监测点(从上到下依次为TZL5_1～TZL5_5)。

图4 围护墙深层水平位移与支撑轴力测点布置

4 围护结构变形特征与分析

(1)围护墙深部水平位移监测结果

车站中部典型断面(DK15+932)的开挖工况如表3所示，该断面两侧围护墙深层水平位移曲线如图5所示。为使两侧变形曲线的坐标保持一致，规定朝向闽江侧发生水平位移为正向。

表3 开挖工况

靠山侧围护墙变形曲线沿深度呈中间大、两端小的弓形分布。其最大水平位移(及发生位置)随开挖步不断增大(及加深)，开挖至坑底时达到最大位移值29.5 mm(发生在13 m深度处)。沿江侧围护墙变形曲线沿深度亦呈中间大、两端小的弓形分布，但其最大水平位移仅为-17.2 mm(发生在14 m深度处)，明显小于靠山侧。尤其需要说明的是，受两侧不对称地形的影响，沿江侧围护墙浅部不发生朝向坑内的水平位移，甚至发生了朝向坑外(闽江侧)的轻微水平位移。这种由于地形不对称引起的偏压效应，使得两侧围护墙产生了明显的不对称变形，这对地铁车站基坑施工及后续车站运营构成潜在威胁。

图5 围护墙深层水平位移曲线

(2)围护墙整体偏移变形

对上述典型断面两侧围护墙体深层水平位移数据作进一步处理，将两侧深层水平位移相加，得到基坑围护墙的整体偏移曲线，见图6。

由图6可知，基坑围护墙整体向闽江侧发生了偏移，尤其是围护墙浅部更为显著；开挖至坑底时，其最大整体偏移量达到28 mm(发生在6 m深度处)。整体偏移变形结果表明，基坑围护结构可能存在朝向闽江侧发生倾覆的趋势，因此修建沿江地铁车站时，可适当增大围护墙的嵌固深度，以应对两侧地形不对称引起的偏压效应。

(3)围护墙整体收敛变形与支撑轴力

将该典型断面两侧的深层水平位移相减，得到基坑围护墙整体收敛曲线，见图7。

图6 围护墙整体偏移变形

图7 围护墙整体收敛变形

由图7可知，围护墙的整体收敛变形呈中间大、两端小的弓形分布；开挖至坑底时，其最大整体收敛量达到45 mm(发生在13 m深度处)。由此可见将第三道支撑设计为刚度较大的混凝土支撑非常必要，能有效限制围护墙中部的收敛变形，确保基坑工程施工安全。

(4)支撑轴力

典型断面上5道支撑轴力的经时变化曲线见图8。

施作第三道混凝土支撑后，其轴力迅速增大，开挖至坑底时，其轴力达到7 400 kN，远大于其他四道支撑。这与围护墙整体收敛变形的趋势一致，也验证了基坑工程设计中第三道支撑选用大刚度混凝土支撑的合理性。

图8 支撑轴力变化曲线

5 结束语

通过对福州市轨道交通5号线农林大学站基坑围护墙深层水平位移与支撑轴力实测数据的深入分析，探讨了沿江地铁车站基坑围护结构的变形特征，得到以下2个主要结论:

(1)由于基坑外两侧地形不对称引起的偏压效应，使得基坑两侧围护墙产生了明显的不对称变形。将两侧围护墙深层水平位移相加，得到其整体偏移变形曲线；当开挖至坑底时，其整体最大偏移量可达28 mm(发生在围护墙浅部约6 m深度处)。因此可适当增大围护墙的嵌固深度，以应对两侧地形不对称引起的偏压效应。

(2)将两侧围护墙深层水平位移相减，得到其整体收敛变形曲线；当开挖至坑底时，其最大整体收敛量达到45 mm(发生在围护墙中部约13 m深度处)。因此在该深度处设置大刚度的第三道混凝土支撑十分必要。