地铁出入段线复杂基坑支护优化对基坑变形的影响

刘 杰 张昌明 吕志国 张彦栋

(中建六局轨道交通公司 天津 300451)

引言

轨道交通近年来发展迅速，地铁作为大中型城市地下的主要交通设施，具有速度快、载量大、占用空间固定、难以发生拥堵等优势。地铁通过电力作为牵引，贯彻落实了我国的环保理念，其地位不言而喻。而作为地下工程，基坑作为主要的施工对象，对于地铁出入段的基坑监测、布点等就成为了重中之重。各种新兴技术、方案优化、布点优化也随之涌现。其中郝雨琦等[1]利用全站仪、收敛计、水准仪等仪器，并结合了云计算、大数据等新型技术监测深基坑的三维变形，保证了施工质量与施工安全问题。黄昊[2]对于深基坑监测测点的布置以及优化方法展开研究，以深基坑监测测点为出发点，分析难点、要点、重点，结合周围环境，对测点的布置进行优化，并提出相关建议。魏长寿[3]利用自动化检测技术，通过对地铁出入段线工程，实现了利用静力水准系统自动化监测基坑的目的，自动化监测以高效、精准、可靠等诸多优势在基坑监测的实际应用中表现良好。赵斌[4]通过建立研究区三维数值模型，对地铁周围建筑物的刚度、位移进行分析，综合处理后，确认地基为混合支护形式，结果表明，混合支护形式可有效控制周围建筑物的沉降、水平位移。胡琦兄[5]针对深基坑支护施工技术的主要特点，分析了项目在施工过程中的管理策略，这对施工流程、安全、质量具有重要意义。苏志华等[6]结合实际工程案例对复杂条件下的基坑支护形式和组合方法的施工技术进行了概述，介绍了施工工艺流程，为复杂条件下的多种支护形式的应用提供了参考。刘占博等[7-8]通过三维有限元方法，结合工程实例对比三种结构的分析，基于基坑支护结构、施工与监测对地下单体构筑物与深基坑支护一体化结构的发展趋势进行了分析与展望。

随着基坑项目的不断扩张和环境的影响，监测技术也会出现一些问题，郭跃文[9]就基坑检测技术在深基坑中的相关问题进行了总结，以各类基础设施项目为基础，分析了各类技术的特点以及相应的风险和价值，并对基坑检测技术的发展趋势进行了展望。梁耀平[10]结合实际工程案例，从施工单位、人员、方针策略等角度进行分析，对深基坑支护施工要点进行讨论，为提高深基坑支护质量提供了一定的参考。

本文以天津地铁7号线大寺出入段工程为例，由于工程地质条件较为复杂，对复杂基坑支护形式进行部分优化，将部分SMW工法桩优化为拉森钢板桩，达到了节约施工工期以及建设成本的目的。为了研究支护形式的优化对基坑监测的影响，通过本工程的基坑沉降、基坑水平位移、轴力监测等分析该基坑优化能否满足施工现场的要求。

1 工程概况

1.1 场地及周边环境

本工程为天津地铁7号线出入段，从赛达路站站内正线逆向引出，接入大寺出入段线。特殊路基段场地周围基本为河流、鱼塘及耕地，无大型建筑物。道路右侧为中引河(水深约2m，河宽约15m，坡式护岸)，道路左侧为绿化带及鱼塘。场地为海积—冲积滨海平原，地形较平坦，地势开阔，地面高程一般为1.81～3.15m。

1.2 工程地质条件

根据勘探资料，场地范围内地层自上而下主要为：填土、淤泥质土、黏性土、粉土及砂土。根据《城市轨道交通岩土工程勘察规范》(GB50307-2012)[11]，判定为复杂场地。具体土层厚度及物理力学性能指标见表1。

表1 各土层物理力学性质指标

1.3 基坑概况及支护优化

天津地铁7号线大寺出入段线基坑深度由浅入深，出入段线从赛达路站站内正线逆向引出，接入大寺出入段线，设计终点里程为右LIDK1+696.613，全长1696.613m。地下段采用明挖法，区间长734.918m，U型槽段长216.000m，路基段长548.609m，出入段线设置公路桥一处。根据深度不同基坑支护形式设计为地下连续墙支护、SMW工法桩支护、拉森钢板桩支护、放坡设计以及内支撑支护相结合的支护形式，出入段线整体分三期施工，其中第一部分深度为15～18m,支护形式采用地下连续墙+内支撑支护，第二部分深度为11～15m,支护形式采用SMW工法桩支护和内支撑支护，第三部分基坑采用拉森钢板桩支护以及放坡设计。内支撑分为钢支撑与混凝土支撑，其中钢支撑预加100～500kN/m的轴向应力，混凝土支撑不施加预应轴力，并设置15个轴力测量感应器。

三道钢支撑的直径与中心标高略有区别。由于基坑深度变化较大，基坑长度较长，对于部分地区的支护形式根据施工现场形式的改变做出一定优化，其中，第二、三部分基坑连接部位由于土质较好，地质条件满足，将原有的SMW工法桩改为200m拉森钢板桩支护结构，以此来减少施工成本(图1)。

图1 深层土方开挖以及深基坑支护形式图

2 基坑监测

2.1 基坑测点种类及数量

本工程由于支护形式种类多样，基坑深度变化较大，对于基坑监测来说，监测种类多种多样，监测形式也会随之变化。基坑每一开挖段(25m左右)至少确保有一组墙体变形的监测点(共41个)，每两个开挖段有一组支撑轴力监测点(共15组，每组2～3个)，基坑周围地表沉降，每2～3个开挖段布设1个测量断面。每测量断面在垂直基坑方向2倍挖深范围内布设5～8个沉降测点(共112个)。其中地表沉降观测点见图2所示。

图2 地表沉降观测点图

2.2 基坑测点布置及标准

测点布置对于不同的监测种类有着不同的意义，根据基坑的深度变化，基坑监测点的布置也会有不同的变化。地表沉降共112个，同时对于基坑的水平位移设置了围护墙墙体变形(测斜)41个以及支撑轴力检测15组。根据设计图纸要求并结合《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB50911 -2013)[12]，制定如下监测控制指标，各个监测种类以及检测控制标准见表2。

表2 基坑测点控制表

3 监测分析

由于本工程对于基坑支护的部分形式进行优化，基坑深度变化多样，对于基坑测点的布置工作则需要具备一定的专业性和复杂性，针对基坑支护优化段进行重点监测。监测仪器为： 轴力监测—振弦式频率仪608-A，沉降监测—电子水准仪天宝DiNi03，水平监测—测斜仪CX-80 1D，监测结果取基坑开挖结束后一个月的监测数值为例，进行监测分析，探究基坑支护优化对于监测结果的影响。

3.1 沉降监测结果分析

沉降监测以地表沉降为例，地表沉降共112个测点(测点选取优化段20个，设计段20个)，每个测点选取基坑开挖结束后月初与月末的最大沉降量监测值，绘制结果如图3、图4所示。

图3 设计段各点沉降量图

图4 优化段各点沉降量图

由图3、图4可知，基坑支护的设计段和优化段在经过一个月的施工后沉降总量均在设计标准范围之内。其中：设计段沉降量最大值为9.75mm，平均沉降量为7.41mm，平均日沉降速率为0.25mm/d，单月沉降量最大值为3.23mm；优化段沉降量最大值为10.92mm，平均沉降量为8.47mm，平均日沉降速率为0.28mm/d，单月沉降量最大值为2.51mm。这说明基坑支护进行优化后，地表沉降量和地表沉降平均速率略有增加，但是单月沉降量最大值有所减小，原因可能是支护结构的优化改善了支护结构本身的重量，从而减小了对地表的沉降量。综上，优化段沉降量与速率均在设计值范围之内，并且达到了良好效果。即基坑支护的改变对基坑竖向位移的改变量较小，满足施工要求。

3.2 水平监测结果分析

水平监测选取围护墙墙体变形(测斜)为例，围护墙墙体变形(测斜)共41个测点(测点选取优化段10个最大值，设计段10个最大值)，每个测点选取基坑开挖结束后月初与月末的最大水平位移量监测数值，绘制结果如图5、图6所示。

图5 设计段各点水平位移图

图6 优化段各点水平位移图

由图5、图6可知，基坑支护的设计段和优化段在经过一个月的施工后水平位移总量均在设计标准范围之内。其中：设计段单月最大水平位移差值为3.99mm，水平位移最大累计值为32.26mm，单日水平位移平均速率为0.08mm/d；优化段单月最大水平位移差值为16.24mm，水平位移最大累计值为31.73mm，单日水平位移平均速率为0.28mm/d。说明基坑支护进行优化过后，基坑水平位移整体达到了设计标准要求。但是当基坑支护发生改变后，基坑水平位移整体增加较多，单月增加量最大值达到了16.24mm，也侧向表明了基坑支护形式的改变对于基坑水平位移的影响较大。

3.3 轴力监测结果分析

支撑轴力监测选取基坑支护的设计段和优化段的两组轴力监测点进行分析，测点选取基坑开挖结束后月初与月末的轴力值，具体如表3所示。

表3 基坑钢支撑轴力变化表

由表3可知，当基坑支护进行优化后，其轴力监测报警值降低，表明基坑支护形式发生改变后，优化后的钢支撑报警值调整趋于严格。优化段与设计段的轴力单月变化值各不相同，设计段轴力变化值相比于优化段轴力变化值：第一层轴力变化幅度由4.3kN升至29.9kN；第二层轴力变化幅度由4.2kN升至30.5kN。由此可知，单月累计变化量最大为30.5kN，此时初始轴力值为591.6kN，假设轴力变化值在此后时间内依旧保持30.5kN变化量累计增加，6个月后此轴力累计值为774.6kN，依旧未达到报警值。即在此部分工程竣工时，轴力值依旧满足设计要求。所以虽然轴力变化有明显的增大，但是依旧处于安全范围(未达到设计报警值)。

4 结论

通过对天津地铁7号线大寺出入段基坑支护的优化以及监测分析，对比设计段和优化段基坑的水平位移量和沉降位移量，得出了以下几点建议和结论：

(1)基坑支护的优化可以大量节省施工时间以及工程成本，基坑支护优化后的基坑监测结果均满足设计要求，达到了比较理想的效果。

(2)基坑支护优化后的沉降量改变不是很大，地表沉降量和地表沉降平均速率略有增加，但是单月沉降量最大值有所减小，效果良好。

(3)基坑支护优化对于基坑整体的水平位移影响较大，增加了水平位移的总量以及单日水平位移速率。

(4)基坑支护形式改变对于钢支撑的轴力变化影响较大，但是由于在工期范围内未达到报警值，处于安全范围内。