装配式与现浇铺盖对地铁站深基坑变形影响的对比分析

陶东军

（苏州市轨道交通集团有限公司 江苏苏州215004）

0 引言

苏州地铁车站基坑开挖范围内存在着深厚的软土地层，土体抗剪强度低、压缩性高、易触变性，基坑围护结构变形和基坑变形具有明显的时空效应，如何有效控制减小软土基坑变形，一直是基坑工程领域的热点问题之一。许多学者对软土基坑变形的时空效应进行了研究分析。在国外，Terzaghi 等人［1］提出用总应力法判断基坑稳定程度和支撑荷载大小，并被广大学者所采用。Clough等人［2］研究了内支撑和拉锚支护对基坑开挖变形的影响，并总结出了不同施工条件下支撑刚度与围护结构水平位移、坑底抗隆起安全系数的关系曲线。Moormann［3］收集了世界上530个包含大量软土基坑的基坑工程监测数据，分析了基坑支护体系和开挖方法等因素对基坑变形的影响。在国内，刘国彬等人［4］通过上海某地铁车站基坑开挖的监测数据，分析了坑底土体暴露时间对基坑围护结构变形的影响。徐浩峰等人［5］结合深层土体位移资料分析了土体的流变效应，对基坑底板钢筋绑扎期间大直径钻孔灌注桩的水平位移和土体的位移进行了研究。蒋洪胜等人［6］通过记录基坑开挖全过程中支撑轴力及相应的工况，分析了时空效应作用与基坑轴力的变化规律。李镜培等人［7］根据软土基坑的围护结构位移、支撑轴力、立柱隆沉等监测数据，分析了软土基坑不同开挖深度工况对基坑变形的影响。廖少明等人［8-10］对苏州地区采用不同支护结构、不同尺寸的深大软土基坑变形监测数据分析，总结了苏州支护结构对软土基坑的变形影响。目前，随着装配式建筑的发展，苏州地铁首次在5 号线某车站采用装配式铺盖疏解车站施工期间交通。装配式铺盖相较于传统铺盖，在基坑开挖阶段，能大幅降低钢支撑架设难度，减少支撑架设时间，降低因钢支撑架设时间过长引起的基坑变形风险［11］。本文依托苏州地铁5号线2个相邻车站，基于不同铺盖形式处基坑监测数据，分析装配式铺盖对控制地铁车站基坑变形的作用，以期为今后的地铁车站基坑设计提供参考。

1 工程概述

1.1 工程概况

苏州地铁A 车站基坑标准段宽度为19.7 m，开挖深度约17.2 m，基坑围护采用800 mm 地下连续墙，基坑内设置1道混凝土支撑和4道钢支撑。车站跨路口处架设1 座宽20.6 m、跨度21 m 的预制装配式铺盖供车辆通行，装配式铺盖结构形式为先张法预应力混凝土空心板梁，在城-A 级车辆荷载作用下，通过增加空心板梁的预应力即可满足铺盖强度、刚度、稳定性要求，空心板梁跨径适用范围10～25 m，满足车站基坑宽度需求。车站平面及铺盖布置如图1a、图2a所示。

地铁B 车站基坑标准段宽度为19.7 m，开挖深度约16.6 m，基坑围护采用800 mm 地下连续墙，基坑内设置1道混凝土支撑和4道钢支撑。车站跨路口处架设1 座宽18.0 m、跨度18.9 m 的现浇混凝土临时铺盖供车辆通行，现浇混凝土铺盖采用双向板设计，在城-A 级车辆荷载作用下，为满足铺盖强度、刚度、稳定性要求，单块混凝土板的跨径不宜大于10 m，铺盖下方需设置铺盖梁减小混凝土板跨径，并架设8 根临时立柱桩支撑铺盖梁，将车辆荷载传递至地基中。车站平面及铺盖布置如图1b、图2b所示。

图1 车站平面Fig.1 Station Planning

图2 铺盖模型Fig.2 Model of Covering

1.2 地质条件

苏州市区位于长江三角洲南部，又是太湖平原的组成部分。境内地貌以第四系松散沉积物组成的堆积平原为主，A、B 车站工程开挖范围内主要土层为粉质黏土、粉土、粉砂夹粉土，土层力学性能相近，围护结构地层剖面如图3所示。

2 施工工序与现场监测

2.1 监测布置方案

图3 铺盖剖面Fig.3 Cross Section of Covering

苏州地铁A 车站与B 车站基坑均为安全等级二级基坑，根据《城市轨道交通工程监测技术规范：GB 50911-2013》，为全面掌握车站基坑变形情况，保证工程结构和周边环境的安全，车站监测项目主要有：周边地表沉降、围护结构水平位移、围护墙顶竖向位移等。A、B 车站基坑围护监测点平面布置如图4 所示，基坑监测数据每日记录1次。本文选取车站A基坑监测点DB05-01～04、CX-19、ZQC19；与车站B 基坑监测点DB5-01～04、CX4、ZQC4，对比分析两站基坑变形数据。

2.2 铺盖处施工工序与施工进度

A、B车站基坑在施作完全部地连墙、冠梁、第1道混凝土支撑后，分别架设预制板梁桥、现浇混凝土铺盖，然后分段分层、由上而下、先支撑后开挖基坑。基坑分4 层进行开挖，依次开挖至第2、3、4 道支撑下0.5 m处后，架设支撑，最后开挖至坑底。

图4 车站基坑监测布置Fig.4 Monitoring Layout of the Station Foundation Pit

施工期间，基坑B 现浇混凝土铺盖下方设有8 根临时格构柱，柱间横向间距6 m，纵向间距5.5 m。钢支撑架设时为保证铺盖上行车安全，不能与格构柱碰撞。因此，基坑B 铺盖下方钢支撑架设比基坑A 装配式铺盖处施工难度大、施工进度慢。铺盖下方整个施工段钢支撑架设工期平均增加2～3 d。

3 基坑开挖过程监测数据分析

3.1 地表沉降监测数据分析

图5为A 车站与B 车站铺盖处基坑地表沉降累计变形曲线，从图5中可以看出：

⑴基坑A 装配式铺盖处地表沉降在整个基坑开挖期间，地表变形较平稳，且由于钢支撑架设及时，支撑预加轴力有效地抵消了地表沉降变形，靠近基坑路面呈现微微隆起。

⑵基坑B 现浇混凝土铺盖处地表沉降在整个基坑开挖期间，由于钢支撑架设不及时，变形沉降较大，且越靠近基坑处地表沉降越大。

⑶基坑B在基坑开挖到第1道钢支撑时，基坑临空面达到最大，围护结构背后软土层在周边车辆荷载叠加作用下，土体抗剪能力降低，周边地表沉降在基坑开挖15 d时急剧增大，沉降曲线呈现突变变形。

3.2 地连墙水平位移监测数据分析

图6为A 车站与B 车站铺盖处基坑地连墙水平位移累计变形曲线，从图6中可以看出：

图5 铺盖处地表沉降曲线Fig.5 Ground Settlement Curve of Each Measuring Point

⑴基坑A 装配式铺盖处地连墙水平位移变化较为缓慢，随着基坑每一层土层开挖完，地连墙水平位移有较大变形，变形曲线呈现阶梯特性。

⑵基坑B 现浇混凝土铺盖处地连墙水平位移和地表沉降一样，均在开挖完第2层软土土层时，水平位移快速增大，变形曲线呈现突变特性。

⑶对比基坑A 与基坑B 铺盖处地连墙水平位移最终变形值可以明显看出，由于软土的抗剪强度低、压缩性高及易触变性，软土地区深基坑开挖呈现明显的时空特性，支撑的架设时间对地连墙水平位移变形起到关键性作用。

3.3 墙顶竖向位移监测数据分析

图7 为A 车站与B 车站铺盖处基坑墙顶竖向位移，从图7中可以看出：

图6 铺盖处基坑地连墙水平位移Fig.6 Horizontal Displacement of Diaphragm Wall of Foundation Pit

⑴基坑A 装配式铺盖处地连墙顶竖向位移变化较为缓慢，由于支护及时，墙顶竖向位移为正值，支撑轴力有效地减小基坑变形。

⑵基坑B 现浇混凝土铺盖处地连墙竖向位移和前2 项监测数据变形一致，均在开挖完第二层软土土层时，地连墙墙顶竖向位移快速增大，变形曲线呈现突变特性。

⑶对比基坑A 与基坑B 铺盖处地连墙墙顶竖向位移最终变形值可以明显看出，支撑轴力的架设时间对地连墙墙顶位移变形起到关键性作用。

图7 铺盖处基坑地连墙顶竖向位移Fig.7 Vertical Displacement of Diaphragm Wall Top of Foundation Pit

4 结论

本文研究了苏州5号线两个采用不同铺盖形式的地铁车站基坑变形，通过文献调查与实时监测等手段，对比分析了两个车站铺盖处基坑地表沉降、地连墙水平位移、墙顶竖向位移监测数据，得出以下结论：

⑴苏州地区软土地层力学性能较差，地铁车站深基坑变形具有明显的时空效应，支撑结构的架设时间对控制基坑变形起到了关键作用。相较于现浇混凝土铺盖基坑，装配式铺盖基坑的支撑结构架设时间短，支撑预加轴力可以及时抵消围护结构上的主动土压力，防止软土层滑动引起的土体扰动，避免了围护结构上主动土压力进一步加大，有利于控制基坑变形。

⑵现浇混凝土铺盖基坑由于基坑作业面限制，支护结构的架设时间较晚，基坑的地表沉降、地连墙水平位移、及墙顶竖向位移的监测数值相较于装配式铺盖基坑增加较快，监测数据变形曲线易发生突变，呈阶梯状，增大了车站基坑的最终变形量。

⑶装配式铺盖具有结构简单、跨度大的特点。相较于现浇混凝土铺盖，铺盖下方基坑施工作业面较大，有利于大型机械开挖土层，架设钢支撑，减少了基坑坑底暴露时间。对于苏州软土地区的地铁车站基坑，能够有效减小地表沉降、地连墙水平位移及墙顶竖向位移等变形值，对基坑变形起到较好的约束作用。

本文仅对采用不同铺盖方法的两个相邻车站监测数据进行对比，根据土力学理论对软土基坑变形结果进行了初步分析，未进行更加深入的研究。后期将结合有限元对软土的时空效应影响因素作进一步分析，为今后的车站基坑设计施工提供一定的指导经验。