地鐵車站深基坑圍護結構變形監測與數據曲線回歸分析

吳昌矞

摘要： 為了確保地鐵車站深大基坑圍護的結構安全，需做好沉降及變形的監控量測，數據分析與反饋，以便指導現場施工，及時發現及排除安全隱患，確保地鐵車站建設的施工安全。本文結合某地鐵車站，闡述了基坑圍護結構的監控量測方案，及對監測數據進行曲線回歸分析的方法，并根據計算結果分析及評估基坑圍護結構設計的合理性和結構的穩定性。希望能夠給類似其它地鐵車站深基坑的安全施工提供借鑒及指導作用。

Abstract： In order to ensure the safety of deep foundation pit support for subway station， it need to do a good job of the settlement and deformation monitoring， data analysis and feedback， so as to guide the construction site， timely find and eliminate security risks， ensure the safety of subway station construction. Combined with a subway station， this paper expounds the monitoring test scheme of retaining structure， and method of curve regression analysis of monitoring data， and according to the results， analyzes and evaluates rationality of foundation pit retaining structure design and the stability. It is hoped that this paper can provide reference and guidance for the safety construction of deep foundation pit of other metro stations.

關鍵詞： 地鐵車站；深基坑；圍護結構；監控量測；回歸分析

Key words： subway station；deep foundation pit；retaining structure；monitoring measurement；regression analysis

中圖分類號：TU46+3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）19-0126-03

0 引言

地鐵車站一般修建于城市主干道、商業中心或其它人流及建筑密集的地段，因受周邊環境的限制，基坑通常不能放坡開挖，而是采取一定的圍護措施后實施垂直開挖。地鐵車站施工常為深大基坑工程，一旦深基坑圍護結構出現安全問題，往往造成巨額的經濟損失及引起巨大的社會影響。因此，在進行地鐵車站修建時，在采取了合理有效的圍護措施后，還需對基坑圍護結構的沉降、位移等變形和結構承載進行嚴密的監控量測，并及時有效地分析監測所得數據，將分析結果即時反饋，根據分析結果評估圍護結構的安全穩定性和及時發現安全隱患，根據需要進行圍護設計參數、施工工藝的調整和采取針對性處理措施，做到防患于未然。

1 工程概況

某地鐵車站長度201.64m，標準段寬度17.3m，有效站臺長度118m，島式站臺寬為12.50m，車站頂板覆土厚度約3.0m，底板埋深17.5m。車站設兩組風亭和4個出入口，風亭設置在車站南北兩端，出入口西側2個、東側2個。

車站兩端區間采用盾構法施工，車站為盾構過站。車站結構主體施工時基坑圍護總體布置如圖1所示。

車站場地地面高程介于396.53～398.28m之間，地勢平坦。站址區的地下水位埋深約16～18m。土質從上至下依次為第四系全新統Q4人工填土（Q），第四系上更新統Q3：新黃土（Q）、古土壤（Q）、粉質黏土（Q）、粉土（Q）、細砂（Q）、中砂（Q）。

2 車站的圍護方案及變形沉降監測方案

2.1 車站圍護方案及監控量測點布置

地鐵車站主體施工時采用鉆孔樁（?1000mm@1500mm）

+鋼支撐進行基坑圍護，樁間設?500mm旋噴樁，基坑采用挖掘機分段分層進行明挖，開挖與支撐協調進行，整個基坑開挖分段推進施工，在鋼筋砼防護樁內側樁間坑壁施作鋼筋網噴C20早強砼。

基坑內支撐系統橫撐采Φ600（t=12或14）焊接Q235鋼管，水平支撐鋼圍檀為2根I45a工字鋼并行。

2.2 監控量測項目、方法及頻率

經過對現場及周邊建（構）筑物進行詳細調查，根據規范要求并結合施工實際情況，基坑及圍護結構監控量測項目、測點布設及監測頻率等見表1。監控量測點布置見圖2。

3 監測數據分析

3.1 基坑圍護結構水平位移監測數據分析

圍護樁樁體水平位移變形（包括樁頂位移及樁身位移）是反映及評價圍護結構是否安全穩固的最為重要，也是最為可靠的數據指標，故水平位移變形為監控量測的關鍵項目。選取圖1的NS3測點的圍護樁水平位移的監控量測數據為例進行分析研究。

NS3測點圍護樁的水位位移S-T曲線見圖3，圖3中基坑開挖及圍護關鍵工況內容見表2。

從圖3可看出，基坑開挖完成第一層時（工況1），圍護樁上部在基坑側呈懸臂狀態，故樁頂部產生傾向基坑側的水平位移，水平位移以頂端為最大。

當第1道鋼支撐施作后（工況2），因鋼支撐施加的預應力使樁頂部向基坑外變形，使得樁頂產生的傾向基坑側水平位移減少，但頂部以下樁身的水平位移在土壓力的作用下較工況1有所增大。

隨著開挖的進行及第2、3道鋼支撐的施作，護樁的豎向變形曲線由工況1時的端部向基坑傾斜狀逐漸轉變為中間位移大，兩端小的彎弓型變化。但工況4、工況5的變形彎弓曲線不是平滑，設置有橫撐處的樁身變形值明顯比變形趨勢要小。說明鋼支撐使得樁身的變形得到了一定的控制，發揮了穩固圍護結構的作用。

NS3測點圍護樁最大水平位移發生在工況5，其值為15.8mm，小于控制值及預警值。表明所采用的基坑圍護方案是可合理可靠的。

3.2 基坑周邊地面沉降回歸分析

3.2.1 地面沉降數據初步分析

基坑開挖常常導致周邊沉降（如地表、管線及周圍建筑物的沉降），過大的沉降會給周邊建（構）筑物帶來極大的安全隱患及經濟損失。所以監控量測時對基坑周邊的沉降進行監測分析，以判斷基坑開挖對周邊建（構）筑物造成的安全影響是非常必要的。

圖4為NC3測點（位置見圖1）地面沉降曲線圖，從圖中可看出，從開始進行基坑開挖直至第77d（施作完成第3道鋼支撐）。測點的地表沉降量變化不大，較為平穩，且有時在支撐預應力的作用下，地表出現輕微隆起現象（圖中數據正值為沉降，負值為隆起）。

從第77d以后，所有鋼支撐已施作完成，隨著基坑的開挖。NC3測點地面沉降速率明顯增大，105d后沉降速率趨緩，后期的沉降曲線呈現水平狀態。

3.2.2 地面沉降數據回歸分析

因距車站主體結構完工還有較長時間，而地面總沉降量也在持續增大中，為預估在基坑回填前地面總沉降量所能達到最大值，以評估施工期間地面沉降是否一直處于安全控制值范圍內，則需對監測的數據進行回歸分析。

由圖可看出，在第3道鋼橫撐施作前（第77d以前），因受開挖及施作鋼支撐等交替施工的影響，NC3測點地面沉降曲線總體呈直線波動形狀，不是在自然常態下的地面沉降，故進行回歸分析時將前段非常態的沉降數據剔出，以第77d作為起始天（即將77d設為回歸分析的第1d）進行沉降數據的回歸分析。回歸分析所采用的NC3測點地面沉降值于列于表3。

經對圖4的第77d以后的沉降曲線進行分析及研究，發現其曲線形狀與指數函數的曲線最為相似，如是采用了指數函數對BC3測點地面沉降值進行了試擬合，得到該測點沉降回歸指數函數為u=18.0236e（-2.5496/t），其相關系數為r2=0.9942，非常接近1。圖5為地面沉降實測值與回歸函數曲線比較圖。

相關系統及圖5所看出，計算所得回歸指數函數與實測數據高度擬合，采用的回歸曲線能夠科學有效地體現實際地面沉降的趨勢及規律。

3.2.3 成果分析

將回歸函數u=18.5209e（-2.8268/t）中的t取值無窮大，得到地面沉降的理論最大值為18.5209mm，小于沉降控制的最大值25mm。

回歸曲線的d2u/dt2始終保持著小于0，表明地面沉降的速率是持續下降的，地面沉降最終將達到穩定狀態。在第105d后，沉降曲線基本呈水平直線狀態，表明發生沉降值已很小，地面沉降已達到穩定的狀態。

以上分析結果表明，圍護結構安全可靠，其設計方案科學合理，技術可行。

4 結束語

①因本項目采取的圍護方案是合理有效的，故各類變形S-T曲線為基本圓滑的狀態。如果變形S-T曲線產生反彎點，則表明沉降或位移等速率突然出現了急劇增大，基坑的圍護結構出現了險情。要立即調查現場情況，分析出現危險狀況的原因，采取針對性的處理及圍護加強措施，以確保結構及施工安全。

②對監測所得數據要快速地進行處理及分析，以確保及時了解圍護結構的安全穩定情況，并反饋予施工現場。因監控量測的數據信息量非常大，如果采用人工進行處理，不僅僅工作量大，耗時長，且易出錯。本項目采用了Excel軟件的強大數據處理及自動繪制圖表功能進行數據的處理。預先設置好公式，輸入數據后即時自動繪制出準確直觀的變形曲線。本項目的監測數據的曲線回歸分析公式也是充分運用了Excel軟件進行計算的。因此，建議其它工程建設者進行類似監測數據處理前先學習及提升Excel軟件的應用技能，達到快速處理數據的目的。

③從圍護樁樁身水平位移的數據分析可以得知，鋼支撐對減少護樁的水平位移變形起到很好的作用，大大加強了圍護結構的穩定安全性。但從圖3看出，在護樁中部出現最大水平位移變形量，而兩端位移變形量則是小了許多，說明鋼支撐的設置還有較大的優化空間。施工時可考慮進行優化設計，使得圍護結構整體較均勻地承受基坑坑壁的荷載，降低安全風險。

參考文獻：

[1]JGJ120-2012，建筑基坑支護技術規程[S].

[2]許鐵軍.地鐵車站基坑圍護結構的施工監測與分析[J].石家莊鐵路職業技術學院學報，2014（1）.

[3]劉新.某地鐵車站深基坑施工期圍護結構及鄰近建筑變形監測與分析[J].施工技術，2014（13）.

[4]任建喜，馮曉光，劉慧，秦杏春.地鐵車站深基坑圍護結構變形規律監測研究[J].鐵道工程學報，2009（3）.