地鐵車站深基坑受力變形監測與分析

劉 偉，吳新宇，彭海燕

（1.中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山 528400；2.長安大學公路學院，陜西 西安 710064；3.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013）

0 引 言

隨著基坑由中小型基坑向深大型基坑發展，深基坑的地質條件和周邊環境更加復雜，對深基坑開挖、支護技術以及基坑監測提出了更大挑戰。因此，對地鐵車站深基坑受力變形進行分析、總結和研究顯得十分重要。

一直以來，國內外有關學者不斷進行著探索和研究。國外如 Finno 等［1］對芝加哥地區某個 13 m 深度的基坑進行監測數據分析。國內如劉國斌等［2］對上海地區的軟土深基坑開挖中的沉降、側向位移、水土壓力進行了監測，得到了注漿加固、鋼支撐預壓及分段分層開挖對減小基坑變形的影響作用；宮劍飛［3］通過分析錨固式地下擋土墻支撐體系的深基坑現場監測數據并結合圍護體系的變形和錨桿受力狀態，闡明了用朗肯-庫倫理論進行深基坑支護設計的局限性，并提出了一種新的適用于封閉式圍護體系的深基坑設計理念。

本文重點對佛山地鐵三號線大良站深基坑監測情況進行介紹，結合監測數據，對本深基坑監測變形特點和規律進行分析。

1 工程概述

1.1 工程概況

大良站為佛山市城市軌道交通三號線工程中間站，車站總長度約為 266 m，車站主體基坑標準段寬度為 19.9 m，深度為 25.3 m，站臺為 11 m 島式站臺，車站（聯絡線）為明挖三層雙跨（三層單跨）鋼筋混凝土箱型框架結構。車站基坑位于文秀路與鳳山中路以北，平行文秀路。車站施工平面布置圖如圖1所示，周邊環境實景圖如圖2所示。

圖1 車站施工平面布置圖

圖2 周邊環境實景圖

1.2 支護結構設計方案

本車站深基坑主體圍護結構采用地下連續墻以及鋼筋混凝土支撐加鋼支撐體系，地下連續墻厚度為800 mm。連續墻深度按照嵌入土質全風化巖層的深度≥ 5.5 m，嵌入全風化巖層的深度≥ 3.5 m，嵌入中風化巖層的深度≥ 2.5 m，嵌入微風化巖層的深度≥ 1.5 m 執行。

基于車站基坑開挖深度較大，標準段內支撐采用徑向 4 道支撐，第一道為 700 mmh 900 mm 的鋼筋混凝土支撐，水平間距為 9 m；第二、三、四道為φ609，t=16 mm雙拼鋼管支撐，水平間距為 3 m；基坑端頭段采用混凝土斜撐，第一、二、三、四道均為 700 mmh 900 mm 的鋼筋混凝土支撐，腰梁尺寸為 800 mmh 900 mm 與1 000 mmh 1 100 mm 兩種。

1.3 巖土工程概況

根據《巖土工程勘察報告》，大良站范圍內主要分布第四系全新統人工堆積層（Q4ml）素填土；第四系全新統海陸交互相沉積層（Q4mc）淤泥、粉質黏土及淤泥質中粗砂；第四系上更新統～全新統沖積—洪積層（Q3+4al+pl）粉細砂、中粗砂；第四系上更新統～全新統沖積層（Q3al）淤泥質土、（Q3+4a1+p1）粉質黏土；第四系殘積層（Qel）粉質黏土；白堊系百足山組（Klb）泥質粉砂巖、粉砂巖。車站地形總體為西高東低，一般標高在3.88～28.87 m。

2 監測方案

2.1 監測內容

本車站深基坑設計開挖深度為 2 5.3 m，依據 GB 50911－2013《城市軌道交通工程監測技術規范》、JGJ 120－2012《建筑基坑支護技術規程》等國家及行業標準的相關規定，確定基坑工程自身風險等級為一級，周邊環境風險等級按規范劃分為一級，工程監測等級為一級；基坑支護結構安全等級為一級。因此，確定本車站深基坑監測內容如下：①墻頂水平、豎向位移；②墻體水平位移；③支撐軸力；④周邊地表沉降；⑤周邊建筑物沉降；⑥地下水位；⑦地下管線沉降。

2.2 監測點布置

2.2.1 圍護墻體水平位移監測點布置

圍護墻體水平位移監測點在基坑標準段按 20 m 的間隔布設，標準段上兩端的監測點距離標準段與基坑兩端頭段連接處陽角位置距離約為 6 m；在南北方向兩端頭段處，分別在縱向邊界中點與橫向邊界中點處各布設一個監測點；在基坑“刀把”段東西方向邊界中點布設一個監測點，全基坑范圍邊界共布設 31 個監測點，墻體水平位移監測點布置平面圖如圖3所示。

2.2.2 周邊地表沉降監測點布置

圖3 墻體水平位移監測點平面布置圖

圖4 周邊地表沉降監測點平面布置圖

圖5 第一道支撐軸力監測點平面布置圖

圖6 第二道支撐軸力監測點平面布置圖

圖7 第三、四道支撐軸力監測點平面布置圖

周邊地表沉降監測點布設位置與圍護墻體水平位移監測點相同，共計 18 個周邊地表沉降監測斷面，每個監測斷面上由最靠近基坑邊界的監測點往遠離基坑方向的監測點距基坑邊界依次為 2、5、10、18、28 m。大良站周邊地表沉降監測點布置平面圖如圖4所示。

2.2.3 支撐軸力監測點布置

大良站深基坑四道支撐的軸力監測點布置如圖5～圖7所示，其中第一道支撐布設 19 個鋼筋混凝土支撐軸力監測點，第二道支撐包括 10 個鋼筋混凝土支撐軸力監測點與 9 個鋼支撐軸力監測點；第三、四道支撐監測點布置情況相同，每道分別包括 9 個鋼筋混凝土支撐軸力監測點與 10 個鋼支撐軸力監測點。

3 監測數據分析

3.1 墻體水平位移

圖8～圖13分別為 ZQT-06、ZQT-07、ZQT-12、ZQT-13、ZQT-29、ZQT-30，6 個監測點在各關鍵工況節點下墻體水平位移曲線。

圖8 ZQT-06墻體水平位移曲線

圖9 ZQT-07墻體水平位移曲線

圖8中 ZQT-06 監測點位于距基坑南端約 50 m 處的西側邊界上，有效監測深度為 28 m。由圖8可知當開挖深度較淺，架設第一道支撐時，墻體水平位移影響范圍至約 12 m 深度，且位移近似呈線性分布，由地下至地表方向位移呈線性增大，該工況最大位移發生在地表，約為 2 mm。隨著開挖進行，墻體水平位移逐漸增大，位移形態不再呈線性分布而是向中間大兩端小的拋物線形分布轉變。當第二層土體開挖完成，架設第二道支撐時，墻體最大水平位移發生在地表下 9 m 深度處，該深度處于第二道支撐中心線下部 1 m 處，最大位移值為 6.57 mm。同樣的，隨著第三、四層土方開挖完成，第三、第四道支撐的架設，墻體最大水平位移點跟著向下移動至該工況所架設支撐的深度附近，即開挖面深度附近，且位移曲線的“腹部”隨著開挖加深凸出越大，開挖至基底時最終位移量為 17.1 mm。另外，由圖8明顯看出第三、第四道支撐架設時與前一工況的墻體位移差值比起第一道支撐架設與開挖至基底與前一工況的位移差值大很多，從一定角度說明了第三、第四層的土體開挖對基坑圍護結構位移影響較大，故應對 8 m 至 20 m深度范圍的土質、圍護結構強度及第三、第四道支撐軸力設計值予以關注。

圖9中 ZQT-07 監測點位于距基坑南端約 50 m 處的東側邊界上，對圖8與圖9進行對比分析，ZQT-06監測點的最大水平位移深度為 16.5 m，最大位移量為17.1 m；ZQT-07 監測點的最大水平位移深度為 17.5m，最大位移量為 19.74 mm。可知兩處的墻體水平位移變化規律相近，每個工況下的最大水平位移點所在深度與最大位移值相差不大，因為這兩個監測點均埋設在同一監測斷面上，即與南端短邊的距離相等，基坑在刀把段以南部分為南北方向軸對稱形狀，故基坑的空間效應對兩處的墻體的影響程度相近。

圖10 ZQT-12墻體水平位移曲線

圖11 ZQT-13墻體水平位移曲線

如圖10和圖11所示，ZQT-12 和 ZQT-13 分別位于標準段上距基坑南端約 100 m 處的西東兩側邊界上，對處于同一監測斷面的兩監測點位移曲線進行分析，發現當開挖至基底時，基坑東側的 ZQT-13 的墻體水平位移與西側的 ZQT-12 位移情況有不小差距，兩個監測點的最大水平位移量分別為 26 mm 與 21.32 mm，且 ZQT-13 監測點在 11～18.5 m 深度范圍內的水平位移量為 22～26 mm，而 ZQT-12 在同樣深度范圍內的水平位移量僅集中在 20～21.32 mm 范圍內。在其他條件都相同情況下，造成同一監測斷面上基坑兩側墻體水平位移差距較大的主要原因之一為所處地質情況不同，根據基坑鉆孔信息，該監測斷面東西兩側的土體分層情況由上至下均為<1-1>素填土、<5N-2>硬塑狀粉質黏土、<6>全風化粉砂巖及<7-2>強風化粉砂巖。但基坑西側的強風化粉砂巖初見于地表下深度7.8 m 處，而東側的強風化粉砂巖初見于 19.8 m 深度，兩側地質主要區別在于<6>全風化粉砂巖層的分布厚度，其在基坑西側的 ZQT-12處分布厚度為 4.8 m，在基坑東側的 ZQT-13 處分布厚度為 15 m。雖然粉砂巖屬于巖體，比起粉質黏土等土體其強度更高，壓縮性低，但對于全風化程度的粉砂巖，根據勘察報告中參數建議表，其抗剪強度和變形模量與硬塑狀粉質黏土相差不大，與強風化程度的粉砂巖土質相差較大。故在不考慮其他不確定施工因素影響的前提下，通過將曲線圖中位移差異明顯部分的深度范圍結合該深度范圍的地質情況進行分析，能較合理地說明位移差異產生的原因。

圖12 ZQT-29墻體水平位移曲線

圖13 ZQT-30墻體水平位移曲線

圖12、圖13分別為大良站基坑大里程端頭段ZQT-29、ZQT-30 兩個墻體水平位移監測點的位移曲線，分別位于基坑大里程端頭段西側中部、東側中部。由圖可看出以上兩個點位的墻體水平位移規律明顯，最大墻體水平位移量都隨著開挖深度增大而增大，且最大位移點位置逐漸向下移動，最大墻體水平位移量分別為10.76 mm、14 mm，均小于位移控制值 30 mm 的一半，說明從基坑開挖開始至今大里程端頭段的圍護結構穩定性較好，且將大里程端頭段的墻體較小位移與基坑中部墻體較大位移相比較進一步體現了細長形基坑中不同區域基坑變形的明顯差異性，即空間效應對細長形基坑具有很大的影響作用，存在基坑兩端變形小，越靠近中部變形越大的大體規律。另外，位于大里程端頭東側的 ZQT-30 最大墻體水平位移比位于西側的 ZQT-29 最大墻體水平位移大 3.24 mm，且 ZQT-29 中位移量超過 10 mm 的最大深度為 18 m，而 ZQT-30 中位移量超過10 mm 的最大深度為 23 m。造成處在同一監測斷面上的基坑東西兩側位移差異的原因主要為地質差異，根據車站地質縱斷面圖可知，大里程端頭段基坑東西兩側 15 m 深度以上的土層分布相似，從淺至深均含有素填土、粉質黏土以及平均厚度約為 3 m 的砂土夾層，但在深度 15 m 以下的地層中，西側的 ZQT-29 為強風化粉砂巖，東側的 ZQT-30 為粉質黏土與全風化粉砂巖，故在地下 15 m 至基底 25 m 深度范圍內，基坑西側的土質比東側土質更好，故在 ZQT-30 中水平位移＞ 10 mm 的深度分布范圍比 ZQT-29 的更大更深，且位移量較大些。除了地質差異的首要因素，還包括現場的其他影響因素如大型施工器械重載和基坑周邊地表動荷載，由于現場空間條件限制，基坑西側緊挨建筑群，無施工器械通行條件，故基坑開挖全程中大中型施工器械均停靠在基坑東側邊緣附近進行作業，對基坑周邊地表形成較穩定的外加重荷載。另外在基坑東側圍擋外便是車站基坑施工所占用的原文秀路改道后的交通行車道，且在大里程端頭段基坑東側邊緣距離行車道僅為 10 m，車站地處繁華鬧市區，每日從基坑邊經過的車流量密集，形成頻率較高的動荷載，對基坑東側地層穩定性造成一定的破壞。

3.2 周邊地表沉降

選取與基坑標準段上的監測點 ZQT-07、ZQT-13對應的 DBC-04-03～07、DBC-07-03～07；與基坑大里程端頭段處監測點 ZQT-30、ZQT-31 對應的 DBC-17-02～04、DBC-18-01～05 共 4 個地表沉降監測斷面的 18 個地表沉降監測點的監測數據繪制出周邊地表沉降曲線圖并進行分析，如圖14～圖17所示。

圖14 DBC-04-03～07地表沉降曲線

圖15 DBC-07-03～07地表沉降曲線

圖16 DBC-17-02～04地表沉降曲線

圖17 DBC-18-01～05地表沉降曲線

由圖14～圖17可以發現在基坑開挖過程中，每個監測斷面的周邊地表沉降均呈現出大體一致的變化規律，即周邊地表沉降量隨基坑開挖加深而增大，距離基坑邊緣遠近不同其地表沉降量也不同，地表沉降曲線由距基坑近處至遠處總體呈現出開口朝上的“勺型”或拋物線型變化，且隨著開挖加深曲線“凹陷”越明顯。沉降量最大處并非基坑邊緣而是大致在距基坑 5～10 m，從此范圍至基坑邊緣的沉降量逐漸減小，且超過此范圍后距離基坑越遠地表沉降量越小，由于基坑設計開挖深度H為 25 m，故可知地表沉降最大值發生在與基坑邊緣水平距離 0.2～0.4H范圍內，且基坑開挖對地表沉降的影響范圍 ＞ 28 m。

圖16中垂直于基坑大里程端頭段東側邊界的DBC-17-02～04 監測斷面由于現場空間條件限制，僅能埋設距基坑邊 2 m、5 m 和 10 m 遠的 3 個地表沉降監測點，距基坑 10 m 之外的地表沉降情況無法監測。由圖16可知開挖至基底后最大地表沉降點發生在距基坑 10 m 處，且最大沉降量為 13.2 mm，與圖17中最大沉降量 7.6 mm 相差了近兩倍。造成同處在大里程端頭段的兩個監測斷面最大沉降量相差甚遠的原因除了較小的地質差異外，主要由于圖16中距基坑邊 10 m 遠的監測點 DBC-17-02-04 正好位于施工圍擋外的行車道路上，大良站地處繁華市區，每天車流量巨大，故該位于行車道上的沉降監測點自埋設后就承受高頻率的動荷載，加上基坑的不斷挖深，使該點產生了附加沉降。

另外，通過將相同監測斷面上的墻體水平位移監測點 ZQT 與地表沉降監測點 DBC 的數據和變形曲線進行聯系統一分析，發現兩者間存在一定的關系。兩者的變化曲線均呈現出拋物線形狀，隨著開挖深度增大，墻體水平位移量和周邊地表沉降量均增加且均在線條某一處的凸起或凹陷越發明顯，即最大墻體水平位移量和最大地表沉降量均一起增大。表1為大良站部分監測斷面最大墻體水平位移量和最大地表沉降量的統計，由表1可知大部分監測斷面的最大地表沉降量約為最大墻體水平位移量的70 %～90 %。

如圖18所示為 DBC-02-06～10 監測斷面上五個監測點的時間-沉降曲線圖，隨著開挖進行，各個點的沉降量逐漸增大，且由圖18可知各點的變形曲線呈現出明顯的陡緩分區，將監測時間分為 AB、BC、CD 三段，即在不同的監測時段內各點的沉降速率不同，沉降速率的大小關系為 BC>AB>CD。對于 AB 時間段內，當剛開始開挖時，第一層開挖土體僅為 2 m 厚度，且第一道混凝土支撐中心線深度為 -1.5 m，故挖除的土方量小，則坑內土體的卸荷量也較小，基坑圍護結構內外兩側土體壓力相差不大，故周邊地表沉降量小且是沉降速率低。當第一道混凝土支撐達到規定強度后，進行第二層土體開挖，開挖深度較淺，且第一道混凝土支撐已具備足夠強度承受第二層土體卸荷產生的基坑外側土體主動土壓力，故沉降速率依舊較小。時間為 B 點處 DBC-02-06、DBC-02-07、DBC-02-08、DBC-02-09、DBC-02-10 五個監測點的地表沉降量分別為 2.12、6.87、2.96、1.46、0.85 mm。BC 時間段中，對基坑第三層及第四層土體開挖，由于受到現場進行注漿加固措施時過大的注漿壓力影響及地下水滲流的作用，且土體開挖厚度較大，導致該段地表沉降速率快速增大，沉降曲線較陡，五個監測點的地表沉降量分別為 9.3、16.25、8.89、6.89、4.88 mm。CD 段為開挖第五層土體后各點的沉降變化情況，由于第五層土體深度距地表較遠且地連墻底處嵌固在強度相對較高的巖層中，另外四道支撐均已形成，在四道支撐共同承受外力作用下，第五層土體的開挖卸荷對地表沉降的影響相對較小，故 CD 段地表沉降速率迅速降低，開挖至基底后沉降趨于平緩，第五層土體開挖完成后各點的沉降量分別為11.53、18、12.1、8.6、5.86 mm。

表1 同一監測斷面墻體水平位移最大值與地表沉降最大值統計表

圖18 DBC-02-06～10時間-沉降曲線

3.3 支撐軸力

圖19、圖20分別為埋設在基坑小里程端頭段東西兩側四層斜撐上的支撐軸力監測點 ZCL-01-01～04、ZCL-02-01～04 的支撐軸力曲線；圖21為基坑標準段中部與墻體水平位移監測點 ZQT-07 處在同一監測斷面的支撐軸力監測點 ZCL-05-01～04 的支撐軸力曲線。

圖19 ZCL-01-01～04軸力曲線

圖20 ZCL-02-01～04軸力曲線

圖21 ZCL-05-01～04軸力曲線

由圖19～圖21可知當每道支撐架設完成后其支撐軸力均會在下一道支撐架設前隨著開挖加深而增大，原因是因為該道支撐所在深度處以上土體被挖除，在基坑內形成臨空面，地連墻外側土體主動土壓力使圍護墻體發生向基坑內的水平位移，進而對架設上的支撐施加了水平軸力。隨著開挖深度增大，開始架設第二、三、四道支撐，但在開挖至基底的全過程中并不是每道支撐的水平軸力均表現為持續增大，如圖19中，在架設上第三道與第四道支撐后，第二道支撐的軸力都發生一定程度的減小；又如圖20中，在架設第三道支撐后第二道支撐軸力減小，在架設第四道支撐后第二道、第三道支撐軸力均減小。造成下一層支撐的架設使上一層支撐軸力減小的原因是由于新架設的支撐分擔了上一層支撐原本承受的部分荷載，使新架設的支撐軸力增大，上一層支撐軸力減小，這就是內支撐結構與圍護結構組成的支護體系自我調節達到受力平衡的過程。另外如圖21中所示，第二、三、四道支撐均在開挖全程中表現為軸力增大直至開挖至基底后趨于穩定值，說明支撐軸力在開挖全程中并非持續增長或持續下降，這與每道支撐的豎向間距、支撐所處斷面的地質情況有較大關系。

如圖21所示，第一道支撐軸力值從第三道支撐架設后呈現負增長，當開挖至基底后，第一道支撐軸力值約為 -500 kN，即受到拉力作用，說明第一道支撐深度處的圍護墻體產生遠離基坑方向的較小位移或變形。該現象說明了圍護結構作為一個柔性整體在深基坑開挖過程中，在復雜的地質條件和周邊環境、不定的施工因素影響下，其受力與變形趨勢是復雜多樣的，在一定條件下第一道支撐軸力為負值，即受到拉力作用是有可能的。

4 結 論

1）圍護墻體水平位移量隨著基坑開挖的加深而增大，且最大墻體水平位移點深度也隨著開挖加深發生下移，位移曲線呈兩端小中間大的拋物線形并隨開挖加深曲線“腹部”凸出越明顯。最大位移點出現在靠近基坑中部的 ZQT-13 監測點上，最大位移量為 26.4 mm，未超出設計控制值，基坑處于較穩定狀態。

2）周邊地表沉降量隨基坑開挖加深而增大，地表沉降曲線由距基坑近處至遠處總體呈現出開口朝上的“勺子”形或拋物線形分布，且隨著開挖加深曲線“凹陷”越明顯。沉降量最大點并非在基坑邊緣而是大致在距基坑 5～10 m 的范圍內，即 0.2～0.4H（H為基坑開挖深度）的范圍，且最大地表沉降量約為最大墻體水平位移量的 70 %～90 %。

3）內支撐結構能較好地抑制基坑變形，內支撐的架設為圍護墻體承擔了部分基坑外側土體主動土壓力，使墻體水平位移速率與周邊地表沉降速率降低。當基坑開挖較深時，第一道支撐可能承受拉力。開挖全過程中最大支撐軸力值出現在基坑中部位置的 ZCL-05-03 監測點上，最大軸力值在約為 7 000 kN。