杭州地鐵站深基坑開挖監測及分析

李紀成，梅利芳

(湖北工業大學 土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068)

1 引言

隨著城市化的加快，地下空間不斷得以開發和利用。尤其是地鐵工程的建設，由于地鐵工程所處地層及周邊環境的復雜多變性，致使開挖施工中常伴有經濟損失和人員傷亡事故的發生，因此對地鐵深基坑的開挖過程進行嚴格地跟蹤監測與分析成為了確保安全施工的重要舉措之一[1～4]。葉帥華[5]、丁智[6]等通過分析基坑開挖所導致的圍護結構、土體的側向位移、支撐軸力變化、周邊地表沉降和臨近建筑物沉降以及管線移位變形、地下水位等的變化規律，為施工開挖的順利進行提供了安全保障。目前，對深基坑開挖的現場檢測及分析仍被視為是一種控制深基坑工程施工安全的有效途徑。

本文通過分析杭州武林廣場地鐵站深基坑施工開挖過程所引起的地表沉降、坑外地下水位變化以及圍護結構變形及周邊土體水平位移等的現場實測數據，希望能為類似工程的設計和施工提供一定的經驗參考。

2 工程概況及地質條件

2.1 工程概況

武林廣場地鐵站位于杭州市武林廣場東北角，與廣場的東側通道呈約34度的斜交叉。該站為1號線與3號線的換乘站，車站為地下三層、上下重疊的島式站臺結構，4柱5跨(中間三層，兩端為四層結構)。車站總長為161.75 m，標準段寬36.6 m，底板的埋深約27 m，頂板的覆土厚度約4 m，兩端覆土約1.5 m。車站共設5個進出口，其中1、2、4號進出口均處于本車站施工范圍，3、5號進出口設為預留口，接武林廣場的地下開發和地鐵控制中心。車站采用1200 mm厚的地下連續墻作為主體基坑的圍護支護結構，中間采用φ1600 mmAM樁基，上部安裝φ900 mm、壁厚16 mm的鋼筋砼柱作支撐，采用蓋挖逆作法施工，基坑內降水，疊合墻結構形式。

2.2 工程地質

擬建場地位于浙北平原區，為海積平原地貌單元，地貌形態單一。場地淺表層為厚為2.0～5.0 m的填土，其下局部為0.5～2.8 m的粉層土；埋深4.3～26.0 m處為厚約20 m的高壓縮性、流塑狀淤泥質粉質黏土；中部深約26.0～40.0 m范圍為10～14 m的軟塑、硬可塑狀粉質粘土，局部夾薄層含礫細砂；下部為性質較好的細砂、圓砂礫層，圓礫層間局部夾粉質粘土層；底部為白惡系的凝灰質粉砂巖。主要地層特征見表1。

表1 主要土層物理力學參數

2.3 水文條件

根據地下水的含水介質、水力性質和特征，可劃為第四系孔隙潛水、孔隙承壓水以及基巖裂隙水。

(1)孔隙潛水：車站淺部的地下水類型為孔隙潛水，其主要存在于①層(填土)、②層(粉土)以及④3層(淤泥粉質粘土)中，大氣降水及地表水是其補給的主要來源，地下水位變化受季節影響，勘探過程水位的埋深為0.4～3.8 m，對應高程為2.241～5.545 m。建議抗浮設防水位高程取6.0 m。

2.4 周邊環境

浙江省科協大樓位于該站東側，距基坑的最小凈距為10.8 m，科協大樓為框剪結構，地上主樓為14～15層，地上裙樓為2層，地下室為2層；另有中國電信杭州公司大廈同位于車站東側，距基坑邊沿57 m，同為框剪結構；浙江省展覽館位于車站西側，距車站基坑的最小凈距約8 m，地上2～3層為框架結構，筏型基礎，復合地基；區間的各個分界處、南側車站以及該站西側圍擋外均有改排后的電信、污水、給水管線以及天燃氣等；車站北側的環城北路地下設有給水管(φ600)、雨水管(φ800)、污水管(φ1500)、電力、電信等管線；南側的體育場地下有電力、熱力、給水管(φ150)、給水管(φ600)、熱力以及電力等管線。本站及周圍環境可見圖1。

圖1 車站及周邊環境

3 基坑監測項目及方案實施

綜合分析本基坑的勘察設計要求及施工特點，針對該基坑編制了一套詳細的監測布設方案，其中部分的重點監測項目及布設方案見表2，具體測點布設見圖2。

表2 基坑項目監測及實施方案

圖2 武林廣場站基坑及周邊監測點平面布置

4 基坑監測與分析

4.1 周邊地表沉降監測結果

影響基坑周邊地表沉降大小的因素主要取決于基坑降水及圍護結構的位置改變[7]。隨著基坑開挖深度的增加以及周邊地下水位的下降，土層自重應力亦隨之增加，進而引起土層壓縮和變形，造成不同程度的地表沉降。同時，隨著開挖深度增加，土應力的釋放越大，圍護結構的變形也會隨之改變，進而影響地表沉降[8]。

圖3為地表沉降測點DM4-1～DM4-5的現場施工實測曲線，因條件限制，僅監測了周邊35 m(5 m、5 m、5 m、10 m、10 m)沉降情況。該組測點顯示，在底板施作完成前DM4-2測點最大沉降值達12.2 mm，出現在距地連墻10 m左右，但并未達到預警值(14 mm)，且在各個工況下測點距基坑由近及遠的沉降趨勢呈倒置“弓”形(先增大后減小),具有明顯地時空效應。監測顯示隨開挖深度增加各測點沉降值呈變大趨勢，各點在開挖到負二層與底板時沉降變化尤其明顯，表明隨開挖深度加大及水位下降，地表沉降伴有增大趨勢，沉降值在底板施作完成前達到最大值，隨即逐漸收斂并最終穩持在安全的可控狀態，符合施工安全要求。

圖3 地表沉降曲線

4.2 坑外地下水位監測結果

根據多項工程經驗,坑外水位監測可檢測圍護結構止水效果。為監測施工過程中坑外水位的變化情況，中主體基坑周邊共設置13個(SW1～SW13)水位測點，本文摘選SW7、SW9、SW12、SW13四個測點進行分析，歷時累計變化曲線見圖4。由圖4可知，坑外測點水位變化趨勢相對平緩，且測點均遠未達到預警值。同時，天氣降雨與否是各個監測孔水位變化的最主要影響因素，可在一定程度上表征監測孔的持續敏感性。從整個監測歷程可知，基坑降水效果明顯，圍護結構未見明顯滲漏水情況。即表明此項監測結果足以為安全施工提供價值參考。

圖4 坑外水位變化歷時曲線

4.3 圍護墻體及土體水平位移監測結果

從圖5可知(測點較多,本文僅選取CX10、T10進行分析)，由于開挖過程可被視為多次“卸荷-加載”的過程，因此圍護結構(地連墻)及坑外周圍土體受到在施工中受到這種反復卸荷影響，進而表現出向坑內的位移變形(正值表向坑內位移，負值表向坑外位移)。在整個自上而下的蓋挖法施工開挖中，各測點基本上都表現為隨開挖深度加大向坑內位移變化持續增加的趨勢，且在覆土開挖階段，變形速率增長較大，而在基坑開挖至負三層及底板施作完工之前時，地連墻及坑外土體水平位移達到最大值(CX10為9.8 mm、T10為8.3 mm，均小于警戒值20 mm)，兩者位移最大值均發生在距離坑底13 m左右，但隨監測深度的增加位移值逐漸趨于收斂，并最終保持在安全的可控狀態。從圖7亦可看出，CX10和T10兩測點在位移變化走勢上大體一致，由此初步表明地連墻及坑外土體在一定程度上可以彼此互相反映測斜情況。

(a) CX10測斜曲線 (b)T10測斜曲線

圖5 測點測斜曲線

4.4 圍護結構墻頂沉降監測結果

實際工程中，基坑開挖會導致墻體兩側的摩阻力降低，地連墻發生隆起。施做地連墻時槽底清孔不徹底導致底部有沉渣堆積，使得在開挖過程中地連墻會發生下沉。同時基坑降水致使地下的水壓力的減小并使得土體產生壓縮變形，進而引起地連墻下沉[9-10]。由圖6可知，在開挖的各階段，由地連墻自重以及施工加卸載等影響，地連墻呈現出反復隆沉的豎向變形跡象，且邊長越大的墻體，豎向變形越為明顯，空間效應越為顯著。本次實際監測數據較大(正值表隆起、負值表下沉)，最大值出現在測點Q10上(14.3 mm),遠小于預警值25 mm。在開挖覆土階段圍護墻頂的豎向位移變化相對較為平穩，隨著開挖深度的增加，不同位置的圈梁隆沉值存在一定的波動和差異，進而可能導致地連墻的不均勻沉降，因此希望在后續的參考施工中需特別留意。

圖6 圈梁豎向位移測點歷時曲線

5 結論

(1)由工程實測表明，周邊地表沉降具有明顯的時空效應，在各個工況下測點距基坑由近及遠的沉降趨勢呈倒置“弓”形(先增大后減小)，隨開挖深度增加各測點沉降值呈變大趨勢，沉降在底板施作完成前達到最大,該值出現在距基坑邊沿約10 m處(未達到預警值)，安全可控。

(2)從整個監測歷程來看，基坑降水效果尤為顯著，且各個測點均未達預警值，符合安全施工要求。

(3)圍護結構和周圍土體測斜曲線變化趨勢大體一致，在一定程度上兩者可以相互反映彼此的測斜情況，均主要呈現出向坑內變形。

(4)由各個開挖階段實測數據分析可知，由地連墻自重以及施工加卸載等影響，地連墻呈現出反復隆沉的豎向變形跡象，且邊長越大的墻體，豎向變形越為明顯，空間效應越為顯著。