長株潭城際鐵路開福寺站主體結構基坑施工監測研究

陳長強+陳曉+劉芳+張宏羽+閻奇武

摘 要：本文結合長株潭城際鐵路開福寺站基坑工程特點，建立了車站主體結構基坑施工監測系統，實施了全過程施工監測，分析了監測數據。分析結果表明：基坑冠梁、支撐協同作用突出，能有效減小基坑變形；基坑圍護結構變形主要發生在基坑開挖階段，底板澆筑后變形較小；基坑周邊旋噴樁止水帷幕隔水效果顯著；基坑開挖的土體要及時移除；基坑位移變形量未超過限值，車站結構施工監測能有效保證車站結構施工安全。

關鍵詞：城際鐵路；車站；基坑；施工監測

中圖分類號： TU45 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）23-184-5

0 引言

目前高速鐵路遠離城市中心，給人們出行帶來了不便，但城際鐵路正在興起，發展城市軌道交通是加強城市間聯系、緩解城市地面交通壓力的有效方法，在城市現代化建設中發揮著重要作用。城市鐵路地下化給隧道及地下工程帶來了機遇與挑戰[1]。在城際鐵路地下車站建設過程中，車站明挖基坑往往呈現出大、深、緊的特點，并且地下管線密集、周邊建筑物眾多、道路交錯，從而給地下車站施工造成了很大的安全隱患[2]。

地下車站結構施工監測是整個城市軌道交通工程的一個重要的組成部分，其主要工作內容是在車站結構施工的各個階段，對基坑圍護結構的內力與變形、周邊建（構）筑物和管線的變形進行監測。通過地下車站施工監測提供的有效數據可以掌握基坑圍護結構狀態、施工對周邊建（構）筑物及管線的影響，實施對施工過程的動態控制，確保車站施工過程和周邊建（構）筑物、管線的安全；同時還可驗證設計方案，檢驗施工質量，完善施工方法，為信息化施工提供依據。

1 車站概況

長株潭城際鐵路開福寺站地處開福寺路與黃興北路交叉口東側，地勢平緩，地面高程34.43～36.10m，地面相對高差1.67m，但周邊房屋密布，人口眾多，交通繁忙，車站位置圖見圖1。

本車站標主體結構基坑準段開挖深度約30.8m，選用地下連續墻+內支撐的支護形式。墻體厚度1.2m，標準段墻長約37.7m，嵌固深度為6.5m，端頭井段墻長約為41.7m，嵌固深度7.5m。標準段設6道內支撐，第一、四道為混凝土支撐，第二、三、五、六道支撐采用鋼管支撐。東端頭盾構井段設7道支撐，第一、四道為混凝土支撐，第二、三、五、六、七道支撐采用鋼管支撐。西端頭盾構井段設7道支撐，第一、二、三、四道為混凝土支撐，第五、六、七道支撐采用鋼管支撐。

2 施工監測系統

2.1 監測項目

車站主體結構施工監測范圍為長株潭城際鐵路開福寺站主體結構基坑圍護結構、三倍基坑深度范圍內車站周邊建筑物和管線。施工監測項目主要根據監測目的、工程重要性、難易程度、工程和水文地質、結構形式、施工方法、工程周邊環境等綜合確定。本工程施工監測項目主要根據中鐵第四勘察設計院集團有限責任公司《長株潭城際鐵路施工圖開福寺站主體基坑圍護結構施工圖設計》有關監控量測要求確定。

施工現場監測采用巡視檢查和儀器監測相結合的方法進行。車站儀器監測項目包括地下連續墻深層水平位移、地下連續墻頂豎向及水平位移、基坑周邊地表沉降、基坑支撐內力、基坑外地下水位、基坑周邊建筑物沉降及傾斜。

儀器監測頻率如下，當基坑開挖深度小于5米時，兩天測一次；開挖深度為5～10米時，一天測一次；開挖深度大于10米時，一天測兩次；底板澆筑后7天內，一天測兩次；底板澆筑后7～28天內，一天測一次；底板澆筑29天后，三天測一次；頂板澆筑一個月后停止監測。

2.2 測點布置

①連續墻深層水平位移。地下連續墻沿墻水平長度每隔20米布置一個測點，兩端頭井各一個，共設置26個測點，測點從西端頭井開始按順時針編號為C1、C2、……、C26點，通過測斜管監測連續墻深層水平位移。測斜管預埋于連續墻混凝土中，預埋深度大于圍護結構的深度，灌注混凝土時，需注意對測斜管的保護，并保證其鉛垂向下。

②連續墻頂豎向、水平位移。圍護結構頂每隔20米布置一個測點，兩端頭井各一個，共布置26個測點，測點從西端頭井開始按順時針編號為S1、S2、……、S26點，該類測點既測水平位移，又測垂直位移。

③基坑支撐內力。支撐軸力共布置在15個斷面上，其中1、2、3、4、5、14、15斷面為端頭井斜撐斷面，每個斷面七道支撐；6～13斷面為標準墻橫撐斷面，每個斷面六道支撐。

④基坑周邊地表沉降。測點布置在圍護結構周邊土體，周邊沒有建筑物的縱向間距40米選擇一個橫斷面，共選取12個斷面，每個斷面橫向間距10米一個測點，每側三個測點；基坑兩端沿縱向每端加設三個測點，間距10米，重點監控建筑物附近增加了一些測點。

⑤基坑周邊地下水位。在圍護結構基坑外2米周邊土體內共設置14個測孔，測孔間平均間距40m，測孔從左測端頭井開始按順時針編號為W1～W14。

⑥基坑周邊建筑物沉降。基坑開挖深度約為30.8m，取三倍基坑深度約為92.4m，即基坑周圍92.4m范圍內的建筑物均應布置沉降和傾斜測點，包括五棟建筑物。

圍護結構位移和支撐軸力測點布置見圖2，周邊建筑物、地下水位和地表沉降測點布置見圖3。建筑物監測范圍為圖1中的7#、8#、9#、10#、13#建筑物，圖3中僅繪出本文分析的13#建筑物上的四個測點。

2.3 監測預警

監測項目報警值見表1。表1中支撐軸力僅列出本文分析的ZLi-1和ZLi-2上三道支撐軸力的報警值。

3 監測成果與分析

3.1 圍護結構深層水平位移

墻體水平位移是基坑監測的一個主要內容，是考察圍護結構安全狀況的重要指標[3]。本次墻體水平位移監測獲取了現場大量的數據，能充分說明圍護結構連續墻的變形規律，現對有代表性的基坑墻體C1、C7水平位移測點監測數據進行分析，C1、C7分別位于西端頭和標準段中部，見圖2。根據現場實際施工過程，車站主體結構施工過程可劃分為以下五個連續的工況[4]：

①第一工況：基坑開挖至10米深度處；

②第二工況：基坑開挖至20米深度處；

③第三工況：基坑開挖至底部；

④第四工況：結構底板澆筑完成；

⑤第五工況：結構頂板澆筑完成后一個月。

⑥測點在五個工況下的變形見圖4，從圖4可看出，隨著開挖進行墻體位移不斷發展，且上部位移大于下部位移，墻體呈現向基坑傾斜狀態；開挖面以下墻體位移較小，土體嵌固作用突出；底板澆筑完成后至頂板澆筑完成，圍護樁水平位移變化緩慢；樁體最大變形為17.08mm，出現在7米深度處，圍護結構在安全范圍內。

C7測點在五個工況下變形見圖5，由圖5可看出，在開挖初期圍護結構受支撐擠壓作用向基坑外側偏移；隨著開挖進行，圍護結構外側土壓力逐漸增加，且下部土壓力大于上部土壓力，因而圍護結構下部逐漸向基坑內側偏移，而上部結構在支撐作用下依舊偏向基坑外側；基坑開挖至車站主體結構頂板澆筑完整個過程中圍護結構頂的側移量較小，說明冠梁協同作用突出；與C1相似，開挖面以下圍護結構變形較小，土體嵌固作用明顯。

3.2 圍護結構頂豎向位移監測

分別繪制圍護結構頂測點S1、S2、S26、S6、S7、S8豎向位移-開挖時間關系圖，見圖6、圖7。圖6顯示，在基坑開挖初期，圍護結構頂豎向位移受土體擾動作用影響上下波動明顯，在開挖30天后沉降不斷加大，且下降速率較大，在開挖90天后豎向位移逐漸趨于平緩；圖7顯示，開挖后圍護結構頂豎向沉降不斷加大，在開挖后40-100天波動加大，在開挖140天后趨于穩定，并且S6、S7、S8三測點波動趨勢基本一致，顯示了冠梁良好的協同作用。

3.3 圍護結構頂水平位移

西端頭圍護結構頂測點S1、S2、S26水平位移-開挖時間關系見圖8，圖中位移為負值表示圍護結構頂向基坑外方向偏移，位移為正值表示圍護結構頂向基坑內方向偏移。圖8顯示，S1測點在開挖初期受到土體擾動作用，先向基坑外方向偏移2mm左右，之后受基坑外側土體擠壓作用，逐漸向基坑內側方向偏移；S2、S26測點隨開挖進行一直向基坑內方向偏移狀態；三個測點在開挖120天左右逐漸趨于平穩；S1測點最終穩定在15mm處，而C1測點在最終工況下頂部位移為向基坑方向偏移14mm，兩者相接近。

3.4 圍護結構周邊地表豎向位移

選取有代表意義的第4、7地表斷面，分別位于標準段和東端頭，繪制地表點豎向位移-開挖時間關系如圖9、10所示。圖9顯示，開挖前60天土體擾動較小，第4斷面地表沉降很小，開挖60天之后，地表沉降不斷加大，并且離基坑越近沉降越大，開挖160天后沉降趨于穩定；圖10顯示，第7斷面地表點在開挖后50天內沉降較快，50天后沉降速率減慢，并且三個點沉降量相似，在開挖160天后趨于穩定。

3.5 圍護結構外地下水位

長沙地區地下水位較高，隨著基坑開挖面降低，基坑內地下水自由面不斷下降。若基坑沒有有效的防水措施，坑外地下水會滲流到基坑內，不但影響施工，更嚴重的是使坑外土體的有效應力增加，墻后土體將發生不均勻沉降[5]，導致影響相鄰建筑物及市政管線正常使用，甚至破壞[6]。因此，本工程于基坑開挖前在圍護結構外側澆筑旋噴樁作為止水帷幕，用以阻止坑外透水層在坑內外水位差的作用下向坑內的滲流，并防止由此而產生的流砂等的滲透破壞[7]。止水帷幕布置方式為圍護樁施工后，每兩根圍護樁之間設置一根高壓旋噴樁，使兩者相互咬合形成組合防滲墻[8]。同時在開挖過程中進行基坑外周邊地下水位監測。

本文選取基坑北側SW2、SW4、SW5、SW7四個水位監測點進行分析，繪制基坑開挖后100天時間內地下水位變化如圖11所示。圖11顯示，在開挖初期由于受到基坑內外較大的水位差作用，基坑北側地下水位下降明顯；在開挖60天后，地下水位僅出現較小幅度的波動。對基坑北側四個水位測點的分析可以看出，基坑開挖初期，坑內外水位差過大，基坑外水位會經歷一個下降的過程，之后維持在一個平穩值，且四個測點水位下降均沒有超過限值1m，旋噴樁止水帷幕對基坑防水有良好的作用。

3.6 周邊建筑物沉降

基坑開挖引致的地層變形會使基坑周邊的結構發生附加變形，當附加變形過大時就會引起結構的開裂和破壞，從而影響周邊建（構）筑物的正常使用[9]。選取距離基坑較近的13#建筑上的四個測點JZ13-4、JZ13-8、JZ13-10、JZ13-11，繪制其沉降-開挖時間關系如圖12。圖12顯示，建筑豎向沉降隨開挖時間呈遞增趨勢；距離基坑較近的點沉降較大；四個測點在開挖110天后沉降趨于穩定，最大沉降量為9.04mm，未超過報警值。在開挖過程中，基坑周邊建筑物未出現明顯裂痕。

3.7 圍護結構支撐內力

選取西端頭的ZLi-1、ZLi-2的上三道支撐進行內力分析，分別繪制支撐軸力-開挖時間關系如圖13、14。

由圖13、圖14可以看出，開挖后前30天第一道支撐軸力上升較快，最大值達到2000kN，超過支撐軸力報警值1736kN，其原因是大量開挖的土體堆載在西端頭北側。當該支撐軸力達到報警值時，業主、施工、監理及時采取了施工措施，包括暫停附近開挖土方，加密監測，并及時移除基坑邊堆土。在基坑邊堆土移除后第一道支撐軸力有一個明顯的下降過程，恢復到限值以下，該混凝土支撐軸力警報解除后繼續施工，基坑施工時未出現影響基坑安全的問題，這證實了基坑開挖過程中及時移除基坑邊上堆載土體的必要性。第二、三道支撐的軸力報警值分別為3281kN、7425kN，未出現軸力報警現象。

4 結論

本文結合長株潭城際鐵路開福寺站主體結構基坑圍護結構特點、地質條件、周邊施工環境，建立了該車站主體結構基坑施工監測系統，利用該系統對車站主體結構施工實施了全過程監測。依據基坑監測數據，分析了圍護結構深層水平位移、圍護結構頂豎向和水平位移、地表沉降、地下水位、周圍建筑物沉降以及支撐軸力的變化規律，得到以下結論：

①基坑變形受多種因素影響，本監測系統中基坑變形量及因基坑開挖導致的周邊地表、建筑物沉降量均未超過限值。

②圍護結構變形主要發生在基坑開挖階段，底板澆筑完成后變形較小。

③基坑鋼筋混凝土冠梁、支撐協同作用突出，能有效減小基坑變形。

④圍護結構外水位在開挖初期有少量下降，開挖60天后趨于穩定，基坑旋噴樁止水帷幕隔水效果顯著。

⑤基坑周邊堆載土體會導致基坑支撐軸力增大，增大安全隱患，基坑開挖過程中須將土體及時移除。

⑥基坑施工監測，通過監測數據分析和及時預警并采取有效措施能保證基坑施工安全。

參 考 文 獻

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