地铁深基坑变形监测及支护结构设计优化研究

罗杰，陈章龙，董树山，殷姿，李志彬

（中建二局第二建筑工程有限公司，广东深圳 518000）

1 引言

地铁深基坑施工是地铁建设的关键环节，对深基坑变形进行监测和分析，并根据实际情况进行支护结构设计优化，是保证施工安全和周边环境保护的重要措施。近几年，科研人员围绕深基坑施工问题开展了一系列研究，并联合运用了数值模拟、现场监测等多种手段对基坑支护变形特性进行了分析[1]。本文以深圳地铁4 号线某车站为对象，通过现场监测数据分析支护结构对沉降和水平位移的影响，并采用正交试验对支护结构进行优化。

2 地铁深基坑变形监测及支护结构优化

2.1 地铁深基坑变形现场监测

地铁深基坑变形主要包括围护结构变形、坑底变形和周边地表的变形。

基坑围护结构变形与围护结构的形状尺寸、刚度和施工工艺等有关。围护结构的变形分为水平变形和竖向变形。水平变形分为悬臂位移、抛物线位移以及两种位移的组合形式。竖向变形会导致墙体上升或下沉，而围护结构的不均匀沉降可能导致地表沉降，严重时会破坏围护结构，因此，围护结构的竖向位移不能忽略。

基坑底部变形主要表现为坑底的土体隆起，包括弹性隆起和塑性隆起，两者的区别在于开挖深度。若深度浅则坑底发生弹性隆起；若深度较大且基坑较宽，则发生塑性隆起[2]。

周边地表的变形则为地表沉降，分凹槽形沉降和三角形沉降两种。凹槽形最大沉降常发生在距离基坑边缘0.3～0.7 倍开挖深度的地方。三角形沉降主要发生在围护结构作用有限或未做围护支撑时，其最大沉降发生在基坑边缘。

为了确保地铁建设的安全和质量，需要对深基坑变形进行现场监测。现场监测包括地下水位的动态变化、周围地表沉降变形趋势、地下管线变形情况、支护结构的水平位移、立柱竖向位移、坑底隆起情况、支撑轴力等。布置监测点时，需要对多项信息进行综合考虑，其中包括施工项目的特点、设计要求以及规范要求、施工技术条件与成本价值等。变形监测点的布置地点应是施工中最容易超出变形许可范围的区域，如项目附近建筑物的周边以及基坑外地下管道等。监测点的位置不能影响构件的应力、刚度和强度。若施工中监测点被破坏，需要在最短的时间内在破坏点附近位置重新设置监测点，以便施工数据具有连贯性。在基坑开挖前，记录沉降观测点的初值，同时按照设计要求和施工程序，对各监测项目安装应力仪，通过观察监测对象的数据进行应力测试。由于工程中监测的内容较多，且各监测内容对基坑安全的响应也各不相同，所以监测频率应分开设计。

深圳地铁4 号线某车站总长为261.7 m，标准段宽24.1 m，基坑深28.4 m。围护结构采用围护桩和内支撑形式，围护桩由钻孔灌注桩和高压旋喷桩组成，钻孔灌注桩直径1.2 m、间距1.5 m，高压旋喷桩直径0.8 m、间距1.5 m。内支撑采用1 道混凝土支撑和3 道钢支撑组成，其中混凝土支撑采用1.2 m×1 m断面，间距为8 m，钢支撑外径为φ609 mm，间距为3 m。依据GB 50911—2013《城市轨道交通工程检测技术规范》[3]，项目现场累计沉降为±28 mm。该工程施工区域水系为地下水，主要分为孔隙水和上层滞水。上层滞水埋深为2～4 m。孔隙水分布较连续且厚度较大，一般为5～40 m，需考虑该层的透水性。该工程地层分为杂填土、砂卵石、风化砂质泥岩、强风化砂质泥岩、中风化砂质泥岩。该工程的基坑监测点布置如图1 所示。

图1 深圳地铁4 号线某车站基坑监测平面图

2.2 基坑支护细部结构优化模型设计

在基坑支护设计中，需要选择适合相应基坑工程的支护类型，然后根据支护结构的位移计算和受力分析，设计围护结构的横截面和围护结构插入比。在选择基坑围护结构时应着重考虑围护结构的空间效应和力学效应，基坑的维护结构体系则需要考虑多方面的因素。其中，基坑的地层环境是首要考虑因素，地层环境中包括施工区域的土质情况以及水文条件，不仅如此，基坑开挖深度需要通过施工方案、施工季节以及基坑安全等级进行确定，从而保证基坑维护结构的安全性，减少施工成本。常用的支护形式包括土钉支护结构、灌注桩排桩支护结构、地下连续墙结构和内支撑支护结构。作为新型的边坡开挖支护方式，土钉墙可以有效解决边坡稳定性差等问题，其优点是施工周期短，简便且造价低，可靠性高。缺点是施工完毕后容易在土体中遗留大量废弃建筑垃圾，会对土壤产生一定的污染。灌注桩排桩围护墙由多个排列的灌注桩构成，排列方式有间隔排列、一字形相切排列和搭接排列，具体视施工区土质而定。地下连续墙有现浇式和预制式两种，其中，现浇式用得较多。内支撑支护结构由内撑、内支撑梁及内支撑杆组成，是施工中主要的监测对象。内撑体中钢管内撑采用螺纹钢，内撑体与基坑壁之间采用焊接连接。内支撑杆应采用的圆钢或钢质插筋间距500～1 000 mm。内支撑杆件的节点应进行拉拔试验。

出现深基坑工程问题的原因之一是施工方案不合理。支护细部结构的优化设计可以对已有的支护设计方案进行改进，从而调整工期，减少工程造价，同时保证基坑的安全性。此项目采用正交试验对支护细部结构设计进行优化。由于影响支护结构稳定性的因素主要为支护桩和支撑两个部分，因此，将试验变量设置为排桩径及桩中心距、桩嵌固深度、支撑位置、混凝土强度等级，目标函数设为支护桩和支撑的工程造价。排桩与地连墙方面的工程造价，包括排桩或墙体的施工费用、支撑结构与锚拉体系的费用。为了使造价的计算更加简便，部分能反复使用的材料，仅需计算材料的安装费即可。支护细部结构设计的优化还需要考虑相关的约束条件。深基坑的约束条件可分为设计变量、变量一致性和设计准则约束。设计变量约束即值域，排桩径中，钻孔灌注桩的值域为0.8～1.4 m，其余则在0.6～2.0 m。桩中心距的值域为排桩径的1～3 倍。混凝土强度等级一般分为7 种：C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50。支撑体系也存在多种方式，一般以支撑的道数进行划分。变量一致约束是指多个变量中存在一定的数学关系，这些变量之间互相形成约束。设计准则约束则是施工环境、执行标准等条件限制。

3 监测数据分析及支护结构优化模型性能评价

深圳地铁4 号线某车站基坑共有18 个测斜桩，根据实际监测数据，变形的最大值发生在4 号监测点位，最大水平位移为27.4 mm。4 号位对应的沉降监测点为DB26-1、DB26-2、DB26-3，对4 号位的基坑沉降变化和水平位移变化作图可以得到如图2 所示的变化规律。

图2 4 号位的基坑沉降变化和水平位移变化情况

由图2a 可知，在基坑开挖期间，周边地表产生了不均匀沉降现象，在沉降值达到20.14 mm 以后趋于稳定，且始终小于28 mm，说明该基坑的开挖状态一直比较稳定。最大地表降沉点的分布情况与开挖深度具有一定关系，根据经验情况，其降沉点是开挖深度的0.3～0.5 倍，因此，DB26-2 和DB26-3 监测点的沉降量比同时期的DB26-1 大。从图2b 可以看出，随着基坑开挖深度的增加，桩体累计水平位移也逐渐增加，且变化较为缓慢，未发生突变。4 号测斜桩的最大水平位移在距离地面-18 m 处，约为27.4 mm，远小于限值40 mm，说明基坑设计较为保守，有优化的空间。桩体的水平位移呈现基坑中部大两头小的抛物线形状，说明多重支护对桩身变形起到了一定的约束。综上分析，该工程支护结构还有优化空间，因此，采用PLAXIS 3D 有限元模型对其进行模拟，并根据正交试验对结构安全性和综合造价成本进行分析。

基于深圳地区的地质特点，结合相关理论、已有的实践经验和施工可操作性，将排桩径、桩间距、桩嵌固深度和支撑位置作为正交试验变量，每个变量取3 个水平，即桩径取1.0 m、1.2 m、1.4 m，桩间距取1.25 m、1.5 m、1.75 m，桩嵌固深度取14 m、16 m、18 m，支撑间距为4 m、5 m、6 m。采用L9（34）的正交表进行试验。目标函数表示为每100 m 施工段围护结构的综合造价，包括钢支撑安装、拆卸费用和围护结构的造价。其中，钢支撑安装拆卸单价为1 500 元/t，则每根钢支撑安装拆卸费用为12 652.5 元，要求在桩身最大水平位移处于40 mm以内，沉降累计在28 mm 范围内的情况下，目标函数值最小。得到的试验结果如图3 所示。

图3 优化前后的结构安全性和综合造价成本

由图3 结果可知，优化后的结构最大水平位移为31.43 mm，相比于优化前的位移增量较小，并且其结果低于40 mm，能够满足安全性要求。优化后的综合造价与优化前相比则大幅降低，说明此次优化有明显的效果且结果较优。试验所得最优支护参数为：桩径1.0 m、桩间距1.75 m、桩嵌固深度14 m、支撑间距6 m。

4 结论

针对地铁深基坑支护变形问题，此次研究以深圳地铁4号线某车站基坑监测项目为依托，分析了该工程基坑变形监测过程和结果。根据结果分析该工程支护结构还有可优化空间，因此，提出采用PLAXIS 3D 有限元模型模拟基坑监测过程，并采用正交试验法对支护结构进行优化。深基坑变形监测结果显示，随着开挖深度的加深，周边地表的土体沉降值越大，在达到20.14 mm 以后趋于稳定；测斜桩的最大水平位移在距离地面-18 m 处，为27.4 mm。沉降值和水平位移均在标准限值范围内，说明该工程的支护结构符合要求，但比较保守。经正交试验优化后，支护结构的参数为：桩径1.0 m、桩间距1.75 m、桩嵌固深度14 m、支撑间距6 m。相应的最大水平位移为31.43 mm，造价为101.58 万元，与优化前相比，位移增加了14.7%，造价降低了28.9%，说明该优化结果能够在保证结构稳定的同时降低造价成本，具有较好的实际意义。