地铁明挖车站基坑变形处理与预防*

中铁五局集团第一工程有限责任公司，湖南 长沙 410117

随着国民经济发展和城市化进程的加快，城市交通堵塞现象日趋严重，地铁的出现极大地丰富了人们的出行方式，在促进经济发展的同时有效地改善了城市的交通现状。地铁主要由车站、区间、站场等组成，车站的主要施工方法有明挖法、盖挖法和暗挖法（PBA法）。车站基坑开挖支护施工以地面沉降、周边建构筑物及管线沉降变形、基坑顶水平和竖向位移、支撑轴力应力变化、土体和围护体系深层位移等监测数据做信息化指导，保证基坑开挖和车站结构施工全过程基坑稳定可控。在工程实践中，受围护体系施工质量缺陷、支撑和开挖匹配程度、周边地质特别是特殊地质条件、地下水等不利因素影响，基坑开挖和车站结构施工过程中会发生基坑变形甚至坍塌的事故，因此根据基坑变形情况采用合理的技术措施来预防基坑坍塌事故十分重要[1-4]。

1 基坑变形过程简介

基坑变形情况主要是通过基坑测斜变化、支撑轴力变化、桩顶位移变化、基坑周边地面沉降等监测数据变化分析及现场巡查，综合判断基坑稳定情况。

1.1 黄色预警

基坑开挖条件验收后进行开挖，开挖至桩顶以下11m处，基坑北端1号测斜管，在9m位置最大累计变形为23.65mm，达到设计控制值30mm要求的70%，进入黄色预警，召开黄色预警会议并明确处理措施。监测数据见表1。

表1 基坑黄色预警监测数据汇总表

1.2 橙色预警

根据黄色预警会议要求，将钢围檩进行加固及钢支撑施加预应力，监测数据稳定后恢复开挖，开挖至基顶以下14.3m处，基坑北端1号测斜管，在9m位置最大累计变形为25.28mm，达到设计控制值30mm要求的80%，发出橙色预警，召开橙色预警会议并明确处理措施。监测数据见表2。

表2 基坑橙色预警监测数据汇总表

1.3 红色预警

根据橙色预警会议要求，将钢围檩进行加固及钢支撑施加预应力，监测数据稳定后恢复开挖，开挖26d至基顶以下23.8m处，因基坑持续变形导致第二层钢支撑滑移导致阴角位置钢角板撑脱焊掉落，基坑第二层钢支撑体系突然失效，基坑北端1号测斜管，在11.5m位置最大累计变形为36.05mm，进入红色报警，随即组织召开专家论证会。专家针对基坑实际情况，认为基坑基本属于稳定状态，但应对支撑钢围檩进行加固并钢支撑施加预应力，并结合监测情况可进行下步施工。监测数据见表3。

表3 基坑红色预警监测数据汇总表

1.4 基坑临失稳过程

根据红色预警专家组意见，现场进行钢围檩和钢支撑进行修复且监测数据稳定后，基坑开挖至设计基底标高，施作垫层混凝土。基坑北端1号测斜数据在17.5m位置发生骤然变化达到100.64mm；现场巡查发现北端多根围护桩表面在测斜累计最大变形位置处出现横向贯通裂缝，西北角地面沉降超限。邀请专家、设计、监理、业主、监督等对基坑稳定性情况进行分析判断，分析认为基坑失稳坍塌风险极高，应立即对已开挖基坑进行回填，并由设计出具后续二次开挖的支撑设置。

2 基坑稳定性分析

（1）设计验算变形与实际变形比较分析。根据基坑围护桩设计验算，北端围护桩在开挖到基底设计标高时的最大位移为14.41mm。设计要求基坑开挖及主体结构施工围护桩累计最大变形量为30mm，实际基坑开挖过程围护桩变形累计最大值为132.93mm，超出设计验算值4.4倍，且地面沉降发生突变。

（2）桩身混凝土裂缝分析。最大位置为基坑顶以下19m处，此范围基本为玻璃纤维筋与钢筋交接面，围护桩表面出现横向贯通裂缝，分析判断是围护桩累计变形过大，导致桩身混凝土出现了断裂。

（3）桩身钢筋有效性分析。根据桩身钢筋检验试验报告，主筋达到屈服时总伸长率为113%，该基坑北端围护桩主筋长度为31.034m，桩身顶端和底端按照固定条件考虑，以单根主筋达到屈服计算，桩身最大变形为35mm。

（4）变形分析结论。通过综合分析得出是钢支撑体系的突然变形导致基坑变形陡增，同时第四层支撑失效导致基坑变形不断增加，导致围护桩钢筋主筋屈服且发生了横向裂缝情况。基坑虽未坍塌，但已处于极易失稳的状态，应采取紧急措施防止基坑坍塌造成严重后果。

3 基坑变形的主要因素

3.1 地质水文方面

（1）地质勘察资料显示，车站北端地层由上至下依次为素填土、全风化板岩、强风化板岩，车站基坑东侧地面以下14～17m强风化板岩中夹中风化板岩，自东向西全风化与强风化交界面存在约60°倾角。

（2）施工过程中揭露地质情况，一是北端部分围护桩钻孔过程中出现塌孔且加大泥浆比重无法解决，最后采取地面旋喷对地层加固后成孔，反应地层自稳能力差，且遇水软化；二是开挖过程中揭露端头自东向西岩层存在约60°的倾角，且基坑西北角地下水水量较大。

3.2 围护桩施工质量方面

受地层软硬不均、倾角较大、自稳能力差的影响，围护桩在地面以下10m处开始出现不同程度的垂直度变化，甚至出现侵限情况。为保证主体结构侧墙厚度满足设计要求，部分围护桩需要进行大量凿除，甚至破坏桩身钢筋，导致围护桩抵抗变形能力与设计计算模型发生较大变化。

3.3 施工时效性方面

基坑开挖期间受渣土外运卸区活动等影响，基坑土方无法连续外运，导致基坑开挖到底时间过长，开挖面土层受水浸泡软化，基坑累计变形不断增大，导致第二层钢围檩滑动和角板撑脱落，支撑体系整体失稳，测斜数据累计值突增。受到围护桩侵限影响，第三层钢围檩架设质量较差，各节段之间未完全有效连接成整体，通过对监测数据分析，基坑向内变形过程中，钢支撑连续多天钢支撑轴力持续在300kPa左右无增加，判断该层钢支撑未起到支撑作用。

3.4 工期压力影响方面

为保证业主要求工期目标实现，当基坑变形出现异常后停止开挖，待监测数据稳定后继续开挖，未能完全明晰基坑变形真实原因，未完全发挥处理措施作用的情况下进行开挖作业，导致基坑变形持续增加。

4 基坑变形处理措施

该车站基坑变形处治按照三个阶段进行。第一阶段：将已开挖的基坑进行回填高于围护桩累计变形最大处；第二阶段：在围护结构外增设部分围护桩并设钢筋混凝土连接板与原围护桩冠梁连接；第三阶段：将原钢支撑体系改为混凝土支撑形式，增加支撑体系的刚度、强度和抗变形能力，保证后续开挖及结构施工过程基坑稳定，达到强度后进行基坑二次开挖。

（1）基坑回填。根据监测数据分析确定回填至变形最大位置以上3.7m处，考虑基坑临近失稳状态，回填材料主要以就近现有土方为主，掺加一定数量的砂砾石或碎石。

（2）增设围护桩。在变形较大一侧的围护桩外2～3倍桩径范围增设一排围护桩，新增桩顶冠梁与原桩顶冠梁采用钢筋混凝土板进行连接，减小基坑外土体对原围护桩的侧压力。

（3）支撑体系调整。将钢支撑体系调整为钢筋混凝土支撑体系，以增强支撑体系的刚度、强度和抗变形能力，减小基坑变形保证后续开挖及结构施工过程基坑稳定。支撑调整设置见图1。

图1 新增钢筋混凝土支撑布置示意图（单位：m）

5 基坑变形预防措施

该明挖车站基坑变形过大出现的危险性事件虽得到了及时处治，避免了更为严重的事故发生，但也造成了较大的经济损失和不好的社会影响。通过对该基坑变形原因分析和总结，为同类基坑施工提出以下几方面预防措施建议。

（1）分析地质水文情况。地铁车站和区间设计图纸和地质报告一般分开出具，仅从车站的地质报告和设计图纸中很难分析车站基坑端头完整的地质情况，因此在车站施工前要对车站和区间地质勘察资料进行整体分析，尤其要对不良地质情况进行分析并制订处理方案，以保证基坑开挖过程中基坑的稳定性。

（2）保证围护结构施工质量。做好围护桩施工过程控制工作，一是要进行试桩以探明地质与设计是否相符，同时收集钻孔过程数据信息及时调整围护桩外放值；二是对钻机作业平台或作业场地进行全面检查和处理，保证钻机站位不发生变形等不良情况，在钻进过程中要认真复核钻机桅杆垂直度，保证钻孔垂直度满足要求；三是要对围护桩开钻进行二次测量复核以保证桩位准确；四是要做好混凝土进场检测，并做好各项灌注准备工作，保证混凝土连续灌注，切实保证桩身质量合格；五是要做好围护桩内埋设测斜管的保护工作，在设计基础上增加预埋设数量，保证每根测斜管有一根预留副管，以避免测斜管堵塞或堵塞后无预备管可用情况发生。

（3）保证钢支撑安装质量。钢支撑作为基坑土方开挖后主要受力体系，必须高度重视其安装质量。尤其是要保证车站基坑盾构井部分安装和验收到位，除保证钢围檩和钢支撑原材符合设计要求外，还要高度重视安装过程质量控制。一是端部钢围檩的安装顺序、长短节的使用、阴阳角处理要严格控制；二是钢围檩之间以及钢围檩与围护桩之间的缝隙应按照设计要求填密实并验收合格；三是钢围檩防滑装置要按照设计要求安装到位；四是钢支撑的安装角度和间距，预应力施加满足设计要求，同时应根据设计要求增加轴力计按设数量，以最大限度地反映钢支撑轴力变化情况。

（4）支撑体系设置合理。一般情况下基坑支撑体系为1层钢筋混凝土支撑+n层钢支撑形式，基坑开挖深度如大于25m一般采用1层钢筋混凝土支撑+3层钢支撑形式，对于基坑完全处于全风化、中风化岩层的情况，对于车站端部盾构井部分支撑体系建议设置为1层混凝土支撑+2层钢支撑+1层钢筋混凝土支撑以保证支撑体系强度、刚度和稳定性，保证将开挖过程基坑变形控制在允许变形范围以内。

（5）监测数据分析运用。要严格按照设计对监测的项目、频率要求进行监测，要对监测数据进行连续关注和分析，对监测数据异常情况时，应综合分析各类监测数据，必须查找可能存在的真实原因，并采取有效的加固措施，方可继续进行下一步施工。

6 结束语

通过该基坑盾构井端事件的分析和总结，在该标段其他超深基坑施工过程中加强了围护桩施工质量控制、钢围檩安装顺序和安装质量控制、钢支撑安装质量和轴力施加质量控制、4层支撑端部最下层钢支撑改钢筋混凝土支撑等措施，能够将盾构井基坑累计变形控制在设计允许的30mm以下，车站盾构井累计变形最小的控制在9.8mm，保证了基坑开挖和主体结构施工基坑稳定性，显著减少了基坑变形带来的安全风险，为各车站安全、有序、高效施工打下了良好的基础。