地铁车站深基坑变形空间效应分析与预测研究

郑艳，金鑫，陈克海

（1.广东工贸职业技术学院 测绘遥感信息学院，广东 广州 510510； 2.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101）

0 引言

近年来，城市地铁建设发展迅猛，由于地铁工程大多位于城市繁华路段，周边建筑构物和管线较多，环境复杂。地铁车站大多采用明挖法施工，本文根据佛山市地铁三号线大墩站的监测资料为例，进行整理分析总结，对后续类似工程的施工具有较好的参考价值。

1 工程简介

该车站为佛山地铁三号线车站，沿规划文华南路南北向敷设。本站车站总长473.60 m。车站北端设置盾构始发井，南端设置大盾构吊出井。佛山地铁三号线大墩站-大东站区间隧道下穿广佛环城际隧道，此段区间要求在城际隧道正式运营前（2017年下半年）实施完成，需3大墩站北端在2017年上半年提供盾构始发条件。车站主体结构分两期实施，一期施工YDK42+932.518至北端车站终点里程段，二期施工剩余南侧部分主体。一期施工时，围挡占用荷岳路北侧道路，车流往南侧半幅路导改，待北侧完成主体结构覆土后，二期开挖南侧主体基坑时，荷岳路车流往北侧半幅路导改。

车站周边规划以居住、商业为主。现状周边均为鱼塘和空地。规划文华路宽50 m，暂未实施，规划荷岳路宽60 m，现状荷岳路宽30 m，现状道路交通较繁忙。荷岳路南侧下方有一根ø600污水砼管，管底埋深为4.45 m,一根ø1200雨水砼管，管底埋深3.82 m，一根ø800给水钢管，以及电信、电力管线。车站南端规划有一条河涌，横跨车站存车线段。荷岳路南侧有一个10 kV的高压铁塔横跨车站。车站一期基坑施工时，需对荷岳路下方的电力管线进行临时迁改，对其余现状管线进行监控量测，车站二期施工时，需对雨水管及污水管进行临时废除或迁移处理，需对2座高压铁塔进行迁改，其余电信、电力管线采用临时悬吊处理，具体以相关图纸为准。

2 工程地质及水文地质概况

佛山市城市轨道交通3号线工程大墩站位于佛山市顺德区荷岳路与规划文华南路交叉口，沿规划文华南路南北向敷设。

2.1 土质情况

岩土层岩性特征：

（1）海陆交互沉积层

1）淤泥质土

本层零星分布在场地内，多呈透镜体状分布在淤泥与粉细砂之间。灰黑色、深褐灰色，流塑状，主要由黏粒、粉粒组成，含贝壳等，局部夹淤泥，个别钻孔含多量有机质，按有机质含量分类该层亦属泥炭质土。

（2）冲洪积层

1）砾砂层

本层呈透镜体状分布在场地内。浅灰、褐黄色，饱和，松散～中密，级配良好，以石英砂砾为主，含有少量粘粒，磨圆较差，呈次棱角状。平均层厚为 2.48 m。

（3）第四系残积层

1）软可塑状碎屑岩残积土

呈棕色为主，少量褐红色，为古近系碎屑岩泥质粉砂岩、细砂岩风化残积土，以粉黏粒为主，含少量粉细砂，呈可塑状。本层在场地广泛分布，主要分布在基岩顶部。

2）硬塑状碎屑岩残积土

呈棕色、褐黄色，褐红色，为新近系碎屑岩泥质粉砂岩、细砂岩风化残积土，以粉黏粒为主，局部含较多砂粒，呈硬塑状，韧性及干强度中等，遇水易软化。

（4）强微风化岩层（E1-2b）

1）强风化岩层

岩性主要呈棕红色、褐红色、深灰色等色，母岩为新近系碎屑岩泥质粉砂岩、泥岩、泥质粉砂岩、细砂岩等。本次标准贯入试验实测击数51～58击，平均54.90击。本层在个别钻孔零星有分布。

（5）水文地质条件

大墩站车站地貌上属于海陆交互相冲洪积平原地貌，所揭露第四系地层为人工填土层，海陆交互相沉积层、冲积～洪积砂层、土层及残积土层，基岩为古近系碎屑岩，地下水位的变化受地形地貌和地下水补给来源等因素控制，地下水位埋深较浅。

1）松散土层孔隙承压水

第四系含水层主要为冲积～洪积砂层＜3-2＞＜3-3＞＜3-5＞层、海陆交互相砂层＜2-2＞＜2-3＞＜2-4＞，其富水性和透水性与砂土颗粒组成有关，砂质颗粒越粗，分选性好，砂质纯净，富水性好，径流通畅，透水性强，反之则差。

2）基岩裂隙水

本段基岩裂隙潜水主要赋存在基岩强风化带和中风化带以及岩体中的节理裂隙带之中，地下水的赋存条件不均一，主要与岩性、岩石风化程度、裂隙发育程度等有关。补给来源主要靠大气降水和地表水补给以及砂层的越流补给。

3）水文的腐蚀性评价

场地地下水对混凝土结构具微腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。

2.2 围护结构设计及施工简述

大墩站围护结构标准段采用三道支撑：第一道混凝土八字撑，第二道混凝土八字撑、第三道支撑为钢支撑；两端盾构扩大头及一、二期施工分界处处采用三道混凝土支撑：第一道混凝土支撑，第二道、第三道支撑。地下连续墙基本幅宽为6 m，采用焊接工字型钢板接头止水和素混凝土接头。根据工程特性、环境条件和设计原则及标准，两个区间采用盾构法施工。

3 监测数据分析

监测成果分析需要对工程周边环境、水文地质、施工工法及监测数据等情况综合进行分析。

3.1 周边环境分析

大墩站基坑东侧有近十栋民宅(1～4层)，周边有雨、污水管各1条，荷乐路两侧有较大河涌。

3.2 监测数据分析

（1）建筑物沉降：大墩站周边建筑物最大累计沉降均在2.7～16.4 mm之间，累计数值已达到橙色预警。

（2）管线沉降：大墩站周边管线最大累计值均在1.9～13.4 mm之间，累计数值正常可控，无突变。

（3）水平位移：围护结构水平位移累计位移量在-24.7～4.8 mm范围内，累计数值正常可控，无突变。

（4）地下水位：在基坑开挖期间，基坑降排水较多，产生周边水位下降较大，但整体水位监测点累计变化均未超过设计预（报）警值，累计变化量在-40～154 cm范围；累计数值正常可控，无突变。

（5）支撑轴力：大墩站二期支撑轴力最大累计值5291 kN，累计数值已达到红色预警。

（6）围护结构侧向变形：桩体侧向变形累计位移量在31.1～93.2 mm范围内，累计数值已达到红色预警。

4 监测数据统计

4.1 预警反馈及处置情况

本工程自2017年04月开始监测，至2020年11月结束监测，共预警26次。经过各方有关单位开会商议，决定不调整控制值与预警值，需要监测巡视加密，直至数据稳定，请各参建单位多关注监测数据的变化趋势及现场周边环境情况，减少周边环境荷载影响[1-4]。

4.2 支护结构及岩土体监测成果分析

4.2.1 桩顶水平位移和竖向位移

受基坑开挖影响，且前期开挖过程中施做支撑的速度较慢，基坑内外压力差增大，导致墙顶水平位移及竖向位移受土压力变形较大；随着基坑底板完成，变形速率明显缓和，变形趋于稳定收敛状态。

4.2.2 深层水平位移

连续墙深40 m，而测点深度为30 m，受基坑开挖影响，测点底部起算点受到变形，从而改用顶部管口起算，随着基坑开挖，变形数据分析得知开挖深度以下17.5 m为变形最大部位，变形一直持续增大，直到底板完成后，变形得到控制，变形速率稳定，变形逐步收敛。

4.2.3 支撑轴力

受基坑开挖影响，且前期开挖过程中施做支撑的速度较慢，基坑内外压力差增大，随着基坑开挖，现场未及时施做支撑，导致相邻的部位结构受力明显增大；测点ZCL5-1、ZCL10-1 达到红色预警，测点ZCL12-1达到黄色预警；随支撑的架设以及基坑底板完成，变形收敛并趋于稳定状态。

4.2.4 地下水位

基坑开挖到基坑完成整个过程，由于现场处于河涌边，地下水资源丰富，没有出现开挖水位下降枯水的情况，开挖期并处于雨季涨潮期，造成开挖过程中甚至有稍微水位上升，整体看地下水位较为稳定，并未受到基坑开挖的影响。

4.2.5 地表沉降

基坑开挖及施工过程中，交通疏道上的监测点均受到重型车的碾压均已发生下沉累计最大-148.2 mm，随基坑内降水开挖影响，基坑内外土压力差增大，变形持续增大，在完成第一道支撑后，变形速率得到缓慢，然而随着第三层土方开挖，变形继续增大，直到底板完成后，变形收敛并趋于稳定状态。

4.2.6 基坑巡视情况

基坑开挖前周边环境巡视，周边环境局部有凹陷，现场施工路面有裂痕；随着基坑开挖，连续墙出现轻微渗水，现场施工路面裂痕增多增大，挡土墙后土体出现轻微沉陷，围蔽出现细小裂痕，其余尚无明显变化。

4.2.7 小结

从大墩站进场监测到基坑顶板封闭回填，监测任务结束，在整个监测过程中发现，基坑采取分段分层开挖出土，在施工准备降水开挖时，周边地表监测点有下沉趋势；基坑开挖，地表监测点下沉变形速率较大，各监测项变形也持续增大，此阶段为基坑开挖第二层土方，随着第二道支撑的架设完成，变形速率有缓和；接着基坑继续开挖到底，基坑土方开挖内力卸载已到极限，基坑降水也已达到了最大值，基坑周边水位出现轻微上升趋势，期间周边地表沉降跟深层水平位移的变形速率变化较大，持续变形直到基坑底板完成后，监测数据变化趋于稳定状态；随后第二道支撑拆除后出现少量变形后趋于稳定，直至完成顶板。

综合以上，基坑监测数据的变形与工作面长时间暴露及没有及时支撑架设有一定关系，基坑持续降水会导致地表点下沉，围护墙变形增大。从数据变化来看，底板完成后各项监测数据变化速率均逐步变小且趋于稳定。

5 监测结论分析

目前大墩站施工区域周边环境比较简单，基坑开挖施工为二级风险项目。大墩站及附属基坑开挖过程中出现不同等级预警情况险情[5]，归纳如下：

（1）大墩站及附属共有地表沉降、建筑物沉降等9个监测项目，监测项目比较齐全，各个监测项目在监测过程中相互验证，确保了监测数据的准确性、可靠性。

（2）我方对该站进行26次预警，发送26份预警单，并加密监测点、加强监测频率及巡视频率，及时反馈沉降情况。

（3）在基坑前期开挖过程中后续支撑施做较慢，且基坑端头取土完成之后未及时进行底板施做，基坑暴露时间过长，受基坑开挖过程中重型机械及自卸车辆的碾压，基坑周边部分地表点沉降监测数据发生预警[6]。

（4）本基坑工程位于砂卵石层中，该地层稳定性具有以下特点：在无水状态下，土体内摩擦角φ较大，土壁自稳能力较强，一旦有水土体内摩擦角φ急剧下降，毫无自稳能力，犹如流砂、流石一样。本工程采用提前降水的方法，保证基坑开挖后周边砂卵石层处于稳定状态。

（5）该站采用围护桩+钢管横撑的支护形式，在钢管横撑施加预应力后横撑轴力损失相对较小，基坑安全性大大增加。

（6）在基坑施工过程中观察发现，在基坑底部降水井中有大量的泥砂，说明在降水过程中有大量泥砂被带走，建议对基坑降水过程中进行含砂测定，可以避免沙土流失，造成地层空洞而使周边地表及建筑物沉降过大。

（7）在基坑开挖过程中，需要注意的是基坑周边存在回填土不密实的情况，导致近基坑监测数据相对较大。

6 结语

（1）通过信息化监测能及时掌握围护结构及周边环境的变形规律，为施工及时提供有效变形数据，从而有效控制施工对周边环境的变形影响，符合设计预期要求。

（2）在整个基坑施工过程中，通过对围护结构的监测，及时反映了围护结构变形情况，使施工单位及时采取措施将变形控制在可控的范畴，确保基坑的安全。

（3）通过本工程的监测，更证明了在基坑开挖过程中应严格遵循“分层分段”开挖的原则的重要性，充分运用基坑开挖的时空效应原理，最大限度地控制围护体的受力与变形。

（4）基坑施工过程中，加强对基坑及周边环境的变形观测，及时反馈信息，指导施工，以确保工程安全、顺利地完成了基坑的开挖施工工作。