邻近地铁站的深基坑支护方案及变形监测分析

□□ 李彦君,卜 飞

(1.山西工程科技职业大学，山西 晋中 030619；2.山西省勘察设计研究院有限公司，山西 太原 030000)

引言

近年来，随着城市建设的飞速发展，邻近地铁站以及隧道的基坑工程项目日益增多，而且邻近地铁站的基坑工程项目越来越趋向于“深、大、复杂”的特征[1-2]。由于支护设计方案不合理或施工质量不可靠，常会导致支护结构承载力丧失或体系变形过大或结构局部失稳破环，造成基坑安全事故，进而影响地铁站的安全。因此，为保证地铁站及隧道工程的安全，基坑支护方案的合理选择和基坑变形的实时监测变得尤为重要。基坑开挖对附近地铁车站的影响引起了科研工作者的广泛关注，目前，已有很多学者开展了一系列研究工作。朱炎兵等[3]通过有限元数值模拟研究了不同参数组合下临近既有地铁车站的基坑变形性状，并与邻近无车站时的基坑变形性状进行对比分析。郭典塔等[4]以邻近地铁车站的基坑工程为例，建立了考虑车站结构、土体和基坑围护结构共同作用的计算模型，使用数值分析方法研究了基坑与车站间隔距离、基坑开挖深度等参数变化情况下，地铁车站结构的变形规律及振动响应特性。李志高等[5]以工程监测数据为依据分析了半逆作法、逆作法和顺作法三种不同基坑开挖方法对邻近车站产生的影响，同时运用有限元分析软件对以上三种开挖方法进行模拟计算、开展对比性研究。徐中华等[6]以上海外滩紧邻地铁站的某地块超深基坑为例，对基坑及邻近隧道监测数据进行了分析，研究多种设计、施工措施下的隧道保护情况。朱彦鹏等[7]以兰州地铁某车站为依托，对常用支护方案进行了比选，同时采用FLAC3D软件，对基坑典型断面的施工过程进行三维数值模拟分析。因此，本文以太原市邻近两条地铁交汇处某深基坑项目为依据，对基坑支护方案的设计以及邻近地铁站基坑变形的监测数据进行分析，研究桩顶水平位移、周边地表沉降以及土体深层水平位移随时间变化的规律，从而更好地指导工程中临近地铁车站的基坑设计与施工。

1 工程概况以及地质条件

1.1 工程概况

拟建建筑物为商业综合体，地下三层，地上七层，东西长约为225 m，南北宽约为125 m，基坑开挖面积约为27 000 m2，正负零绝对高程为778.40 m，场地地面标高为777.40～776.40 m，基坑底标高为761.40 m，基坑深度为15～16 m，局部电梯基坑达21 m。基坑位于两条地铁线的交叉口，基坑北侧距离在建地铁区间地下连续墙最近处为12 m，西侧距离已建成地铁线路50 m，南侧距离3层办公楼5 m左右，东侧为规划道路。基坑平面布置图如图1所示。

图1 基坑平面布置图

1.2 工程地质及水文地质条件

此次勘探深度范围内场地地基土沉积时代及成因类型自上而下依次为：第四系全新统新近人工堆积层(Q42 ml)，以第①层人工填土层底为界；第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)，以第⑧层粉土层底为界；第四系上更新统冲洪积层(Q3al+pl)，以第⑩层粉土层底为界；第四系中更新统冲洪积层(Q2al+pl)，此次勘察未揭穿。岩性以人工填土、粉砂、粉土、粉质黏土、粉细砂、细砂为主。其土层分布及主要物理力学参数见表1。

表1 土层物理力学参数

此次勘察深度范围内揭露地下水类型包括潜水及承压水，潜水含水层为第5、第6层粉土，主要以大气降水入渗补给及侧向径流补给为主，勘察期间实测静水位埋深为8.70～10.60 m，水位标高为766.14～767.33 m；第一层承压水含水层为第7层粉砂，主要以侧向径流补给为主，勘察期间实测静水位埋深为10.1～10.96 m，水位标高为764.51～766.01 m；第二层承压含水层为第9层细砂，主要以侧向径流补给为主，勘察期间实测静水位埋深为11.52～12.55 m，水位标高为762.92～764.59 m。水位季节性变化幅度约为0.8～1.4 m，勘察期间为枯水期。

2 设计方案

2.1 支护方案

经调研考察，该区域范围内工程项目的基坑支护方案常采用桩与锚索或桩与内支撑支护方式。该工程因周边紧邻两条地铁站，基坑距离地铁站的地下连续墙仅为12 m，无法满足锚索的施工要求，所以锚索方案不可行；基坑深度达16 m，若采用常规的三道内支撑支护方式，由于工序复杂，将大大增加施工的周期和难度，无法满足建设单位工期的要求，为此，需要对常规的三道内支撑方案进行优化设计。

该工程基坑侧壁安全等级为一级，依据现场的岩土工程地质情况、水文地质情况及周边环境，结合地下室结构层高以及施工现场布置情况，对支撑位置和周边限载进行整体优化设计，最终支护方案确定为：灌注桩与二道混凝土内支撑的支护方式。其中，支护桩采用混凝土灌注桩，桩径为900 mm，桩间距为1.4 m，混凝土强度等级为C30；二道混凝土内支撑中心线标高分别为774.90和769.10。支撑梁与支护灌注桩之间设腰梁，支撑各支点设钢格构柱、水平面设联系梁，混凝土强度等级为C40，典型剖面图如图2所示。该方案减少了一道内支撑，从而减小了基坑挖土及地下室施工的难度，大大缩短了基坑暴露的时间，为尽可能减少基坑开挖对周边建筑物、地铁站的影响提供了有利的条件。

图2 基坑剖面图

2.2 降水方案

该基坑基底位于第7层粉砂层中，暴露于承压水含水层内，基底以下砂层厚达十几米，水量非常丰富。同时，基坑施工过程中需长时间、大幅度地降承压水，降水对周边环境影响较大，降水深度厚，施工难度大。为解决此问题，设计采用普通降水井与降压井结合降水，其中降水井为23 m，降压井为31 m，坑内设置水位观测井；方案放弃常规落底式帷幕的设计，采用三轴搅拌桩悬挂式止水帷幕，桩径为850 mm，搅拌桩基底以下长度仅为8.5 m，方案最终为建设单位节省工程造价约150万元。

3 变形监测分析

3.1 监测要求以及监测点布置

为有效保障基坑整体施工安全，及时了解基坑施工对周边环境的影响程度，在整个施工过程中实行全程监测。该工程按一级基坑监测要求布置监测项目。共布置基坑桩顶水平与竖向位移监测点41个、土体深层水平位移点17个、支撑内力监测点48处、立柱竖向位移点14处、地下水位监测点42处，设置基准点6处，监测点布置情况如图1所示。

在此重点研究邻近地铁站的监测数据。其中，W1～W5为支护桩顶水平位移监测点，D1、D2为基坑周边地表沉降监测点，Q2为土体深层水平位移监测点。

3.2 桩顶水平位移

图3为监测点W1～W5的桩顶水平位移随时间的变化曲线。选取的监测点位于基坑的西北侧，紧邻地铁车站区域，桩顶水平位移监测点设置在灌注桩的冠梁上。由图3可见，桩顶水平位移随时间的变化情况，大致分为五个阶段。第一阶段从基坑开始施工至45 d，此时间段主要为第一道内支撑施工及第二步土方开挖阶段(开挖至深度为8.9 m)，在此期间基坑变形速率为0.17 mm/d，变形累计值达到7.5 mm左右；第二阶段为45～70 d，此时间段主要为第二道内支撑施工阶段，下一步的土方开挖尚未开始，桩顶水平位移变化曲线趋于平缓，变化速率较小；第三阶段为70～90 d，此时间段主要为第三步的土方开挖(开挖至深度为16.0 m)，此期间基坑变形速率为0.50 mm/d，位移累计值达到18 mm左右；第四阶段为90～180 d，此时间段主要为基础底板、地下三层主体结构施工阶段，在此期间，变形较为稳定，变化速率很小；第五阶段为180～300 d，此时间段施工作业主要为支撑的拆除、地下一、二层主体结构施工、肥槽的回填，在支撑的拆除过程中，基坑的水平位移有少量增加，增加2～3 mm，之后随着基坑的回填，位移逐渐变小。

图3 桩顶水平位移-时间曲线

3.3 周边地表沉降

为了进一步了解基坑开挖对地铁站以及基坑周边地表的影响，工程选取地铁站与基坑之间的地面设置地表变形监测点。监测点为D1、D2，D1距离基坑2 m，D2距离基坑7 m，基坑地表沉降随时间的变化情况如图4所示。

图4 周边地表沉降曲线

从图4中可见，基坑土方开挖导致地表土体产生一定的沉降量，地表沉降量随着土方开挖的进行逐渐增大。在0～45 d期间，第二步土方开挖阶段，开挖至深度为8.9 m，由于挖方量不大，因而地表监测点处的沉降量在1.5 mm以内；在70～90 d期间，第三步土方开挖阶段，开挖至深度为16.0 m，地表的沉降量明显增大，D1监测点的沉降量达到了2.83 mm，D2监测点达到5.03 mm，此时大部分区域基坑开挖结束，地表变形完成40%～60%；在90～180 d期间，基础底板、地下三层主体结构施工阶段，此阶段由于基坑进行了持续降水，导致周边土体的有效应力增加，引起地表沉降持续增加，D1监测点的沉降量达到了5.64 mm，D2监测点的沉降量达到了7.82 mm；当监测时间>180 d时，沉降曲线变得较为平缓，此后地表沉降量增加很少。D1监测点最终沉降量为6.59 mm，D2监测点最终沉降量为8.67 mm，说明距离基坑较近的监测点沉降小，距离基坑稍远的监测点沉降大，变形呈现抛物线型。

3.4 土体深层水平位移

为分析支护结构的稳定和变形情况，需要进一步了解支护外围沿深度方向上不同点的水平位移变化情况，该工程在基坑周边土体内设置了17个深层水平位移监测点，选取Q2监测点的数据进行研究分析，Q2点位于地铁站与基坑之间，具体位置详见图1。Q2监测点土体深层水平位移随时间的变化曲线，如图5所示。

图5 Q2监测点不同时间下土体深层水平位移曲线

从图5可知，45 d、70 d、90 d和180 d的土体深层水平位移曲线形状非常相似，最大变形均发生在地表附近，变形随深度逐渐减小，到基底附近变形接近于0；同时，土体侧向变形随基坑开挖深度的增大逐渐增大，当基坑开挖到底后变形趋于稳定；在45 d、70 d、90 d和180 d最终对应土体的最大水平变形分别为7.88 mm、10.65 mm、17.76 mm、18.60 mm。

4 结语

在太原市邻近两条地铁交汇处的某深基坑项目为了减小基坑施工对附近地铁站的影响，同时减小施工难度和缩短施工周期，采用了灌注桩与二道混凝土内支撑的支护方式，降水采用普通降水井与降压井结合的方案，止水采用了三轴搅拌桩悬挂式止水帷幕。从施工效果来看，工期比计划工期缩短了50 d，比同类工程的施工难度大大降低，且现场降水效果较好，节约造价约150万元。通过对施工过程中基坑周边进行监测可知：

(1)紧邻地铁车站区域的桩顶水平位移受支撑施工、土方开挖和地下主体结构施工的影响，水平位移逐渐增加，监测点桩顶水平位移的变化曲线大致分为五个阶段。第四个阶段，大约在130～150 d，各个监测点位移达到峰值，并趋于稳定；随后，随着支撑的拆除、地下主体结构施工的结束、肥槽的回填，水平位移逐渐减小。同时桩顶水平变形理论计算值为25.52 mm，与现场实测值基本吻合。

(2)基坑土方开挖会导致地表土体产生一定的沉降量，地表沉降量随着土方开挖的进行逐渐增大，监测点D1、D2随时间变化的累计沉降变形量呈现抛物线型的特征。距离基坑较近的监测点D1沉降较小，最终沉降量为6.59 mm，距离基坑稍远的监测点D2沉降较大，最终沉降量为8.67 mm。在整个施工阶段没有发生过大的地表沉降，说明基坑支护方案合理，在设计要求的变形范围内。

(3)不同施工时间下，Q2监测点土体深层水平位移随时间的变化曲线形状相似，变形随深度逐渐减小，到基底附近变形接近于0；同时，土体侧向变形随基坑开挖深度的增大逐渐增大，当基坑开挖到底后变形趋于稳定。