地鐵明挖車站基坑變形處理與預防*

中鐵五局集團第一工程有限責任公司，湖南 長沙 410117

隨著國民經濟發展和城市化進程的加快，城市交通堵塞現象日趨嚴重，地鐵的出現極大地豐富了人們的出行方式，在促進經濟發展的同時有效地改善了城市的交通現狀。地鐵主要由車站、區間、站場等組成，車站的主要施工方法有明挖法、蓋挖法和暗挖法（PBA法）。車站基坑開挖支護施工以地面沉降、周邊建構筑物及管線沉降變形、基坑頂水平和豎向位移、支撐軸力應力變化、土體和圍護體系深層位移等監測數據做信息化指導，保證基坑開挖和車站結構施工全過程基坑穩定可控。在工程實踐中，受圍護體系施工質量缺陷、支撐和開挖匹配程度、周邊地質特別是特殊地質條件、地下水等不利因素影響，基坑開挖和車站結構施工過程中會發生基坑變形甚至坍塌的事故，因此根據基坑變形情況采用合理的技術措施來預防基坑坍塌事故十分重要[1-4]。

1 基坑變形過程簡介

基坑變形情況主要是通過基坑測斜變化、支撐軸力變化、樁頂位移變化、基坑周邊地面沉降等監測數據變化分析及現場巡查，綜合判斷基坑穩定情況。

1.1 黃色預警

基坑開挖條件驗收后進行開挖，開挖至樁頂以下11m處，基坑北端1號測斜管，在9m位置最大累計變形為23.65mm，達到設計控制值30mm要求的70%，進入黃色預警，召開黃色預警會議并明確處理措施。監測數據見表1。

表1 基坑黃色預警監測數據匯總表

1.2 橙色預警

根據黃色預警會議要求，將鋼圍檁進行加固及鋼支撐施加預應力，監測數據穩定后恢復開挖，開挖至基頂以下14.3m處，基坑北端1號測斜管，在9m位置最大累計變形為25.28mm，達到設計控制值30mm要求的80%，發出橙色預警，召開橙色預警會議并明確處理措施。監測數據見表2。

表2 基坑橙色預警監測數據匯總表

1.3 紅色預警

根據橙色預警會議要求，將鋼圍檁進行加固及鋼支撐施加預應力，監測數據穩定后恢復開挖，開挖26d至基頂以下23.8m處，因基坑持續變形導致第二層鋼支撐滑移導致陰角位置鋼角板撐脫焊掉落，基坑第二層鋼支撐體系突然失效，基坑北端1號測斜管，在11.5m位置最大累計變形為36.05mm，進入紅色報警，隨即組織召開專家論證會。專家針對基坑實際情況，認為基坑基本屬于穩定狀態，但應對支撐鋼圍檁進行加固并鋼支撐施加預應力，并結合監測情況可進行下步施工。監測數據見表3。

表3 基坑紅色預警監測數據匯總表

1.4 基坑臨失穩過程

根據紅色預警專家組意見，現場進行鋼圍檁和鋼支撐進行修復且監測數據穩定后，基坑開挖至設計基底標高，施作墊層混凝土。基坑北端1號測斜數據在17.5m位置發生驟然變化達到100.64mm；現場巡查發現北端多根圍護樁表面在測斜累計最大變形位置處出現橫向貫通裂縫，西北角地面沉降超限。邀請專家、設計、監理、業主、監督等對基坑穩定性情況進行分析判斷，分析認為基坑失穩坍塌風險極高，應立即對已開挖基坑進行回填，并由設計出具后續二次開挖的支撐設置。

2 基坑穩定性分析

（1）設計驗算變形與實際變形比較分析。根據基坑圍護樁設計驗算，北端圍護樁在開挖到基底設計標高時的最大位移為14.41mm。設計要求基坑開挖及主體結構施工圍護樁累計最大變形量為30mm，實際基坑開挖過程圍護樁變形累計最大值為132.93mm，超出設計驗算值4.4倍，且地面沉降發生突變。

（2）樁身混凝土裂縫分析。最大位置為基坑頂以下19m處，此范圍基本為玻璃纖維筋與鋼筋交接面，圍護樁表面出現橫向貫通裂縫，分析判斷是圍護樁累計變形過大，導致樁身混凝土出現了斷裂。

（3）樁身鋼筋有效性分析。根據樁身鋼筋檢驗試驗報告，主筋達到屈服時總伸長率為113%，該基坑北端圍護樁主筋長度為31.034m，樁身頂端和底端按照固定條件考慮，以單根主筋達到屈服計算，樁身最大變形為35mm。

（4）變形分析結論。通過綜合分析得出是鋼支撐體系的突然變形導致基坑變形陡增，同時第四層支撐失效導致基坑變形不斷增加，導致圍護樁鋼筋主筋屈服且發生了橫向裂縫情況。基坑雖未坍塌，但已處于極易失穩的狀態，應采取緊急措施防止基坑坍塌造成嚴重后果。

3 基坑變形的主要因素

3.1 地質水文方面

（1）地質勘察資料顯示，車站北端地層由上至下依次為素填土、全風化板巖、強風化板巖，車站基坑東側地面以下14～17m強風化板巖中夾中風化板巖，自東向西全風化與強風化交界面存在約60°傾角。

（2）施工過程中揭露地質情況，一是北端部分圍護樁鉆孔過程中出現塌孔且加大泥漿比重無法解決，最后采取地面旋噴對地層加固后成孔，反應地層自穩能力差，且遇水軟化；二是開挖過程中揭露端頭自東向西巖層存在約60°的傾角，且基坑西北角地下水水量較大。

3.2 圍護樁施工質量方面

受地層軟硬不均、傾角較大、自穩能力差的影響，圍護樁在地面以下10m處開始出現不同程度的垂直度變化，甚至出現侵限情況。為保證主體結構側墻厚度滿足設計要求，部分圍護樁需要進行大量鑿除，甚至破壞樁身鋼筋，導致圍護樁抵抗變形能力與設計計算模型發生較大變化。

3.3 施工時效性方面

基坑開挖期間受渣土外運卸區活動等影響，基坑土方無法連續外運，導致基坑開挖到底時間過長，開挖面土層受水浸泡軟化，基坑累計變形不斷增大，導致第二層鋼圍檁滑動和角板撐脫落，支撐體系整體失穩，測斜數據累計值突增。受到圍護樁侵限影響，第三層鋼圍檁架設質量較差，各節段之間未完全有效連接成整體，通過對監測數據分析，基坑向內變形過程中，鋼支撐連續多天鋼支撐軸力持續在300kPa左右無增加，判斷該層鋼支撐未起到支撐作用。

3.4 工期壓力影響方面

為保證業主要求工期目標實現，當基坑變形出現異常后停止開挖，待監測數據穩定后繼續開挖，未能完全明晰基坑變形真實原因，未完全發揮處理措施作用的情況下進行開挖作業，導致基坑變形持續增加。

4 基坑變形處理措施

該車站基坑變形處治按照三個階段進行。第一階段：將已開挖的基坑進行回填高于圍護樁累計變形最大處；第二階段：在圍護結構外增設部分圍護樁并設鋼筋混凝土連接板與原圍護樁冠梁連接；第三階段：將原鋼支撐體系改為混凝土支撐形式，增加支撐體系的剛度、強度和抗變形能力，保證后續開挖及結構施工過程基坑穩定，達到強度后進行基坑二次開挖。

（1）基坑回填。根據監測數據分析確定回填至變形最大位置以上3.7m處，考慮基坑臨近失穩狀態，回填材料主要以就近現有土方為主，摻加一定數量的砂礫石或碎石。

（2）增設圍護樁。在變形較大一側的圍護樁外2～3倍樁徑范圍增設一排圍護樁，新增樁頂冠梁與原樁頂冠梁采用鋼筋混凝土板進行連接，減小基坑外土體對原圍護樁的側壓力。

（3）支撐體系調整。將鋼支撐體系調整為鋼筋混凝土支撐體系，以增強支撐體系的剛度、強度和抗變形能力，減小基坑變形保證后續開挖及結構施工過程基坑穩定。支撐調整設置見圖1。

圖1 新增鋼筋混凝土支撐布置示意圖（單位：m）

5 基坑變形預防措施

該明挖車站基坑變形過大出現的危險性事件雖得到了及時處治，避免了更為嚴重的事故發生，但也造成了較大的經濟損失和不好的社會影響。通過對該基坑變形原因分析和總結，為同類基坑施工提出以下幾方面預防措施建議。

（1）分析地質水文情況。地鐵車站和區間設計圖紙和地質報告一般分開出具，僅從車站的地質報告和設計圖紙中很難分析車站基坑端頭完整的地質情況，因此在車站施工前要對車站和區間地質勘察資料進行整體分析，尤其要對不良地質情況進行分析并制訂處理方案，以保證基坑開挖過程中基坑的穩定性。

（2）保證圍護結構施工質量。做好圍護樁施工過程控制工作，一是要進行試樁以探明地質與設計是否相符，同時收集鉆孔過程數據信息及時調整圍護樁外放值；二是對鉆機作業平臺或作業場地進行全面檢查和處理，保證鉆機站位不發生變形等不良情況，在鉆進過程中要認真復核鉆機桅桿垂直度，保證鉆孔垂直度滿足要求；三是要對圍護樁開鉆進行二次測量復核以保證樁位準確；四是要做好混凝土進場檢測，并做好各項灌注準備工作，保證混凝土連續灌注，切實保證樁身質量合格；五是要做好圍護樁內埋設測斜管的保護工作，在設計基礎上增加預埋設數量，保證每根測斜管有一根預留副管，以避免測斜管堵塞或堵塞后無預備管可用情況發生。

（3）保證鋼支撐安裝質量。鋼支撐作為基坑土方開挖后主要受力體系，必須高度重視其安裝質量。尤其是要保證車站基坑盾構井部分安裝和驗收到位，除保證鋼圍檁和鋼支撐原材符合設計要求外，還要高度重視安裝過程質量控制。一是端部鋼圍檁的安裝順序、長短節的使用、陰陽角處理要嚴格控制；二是鋼圍檁之間以及鋼圍檁與圍護樁之間的縫隙應按照設計要求填密實并驗收合格；三是鋼圍檁防滑裝置要按照設計要求安裝到位；四是鋼支撐的安裝角度和間距，預應力施加滿足設計要求，同時應根據設計要求增加軸力計按設數量，以最大限度地反映鋼支撐軸力變化情況。

（4）支撐體系設置合理。一般情況下基坑支撐體系為1層鋼筋混凝土支撐+n層鋼支撐形式，基坑開挖深度如大于25m一般采用1層鋼筋混凝土支撐+3層鋼支撐形式，對于基坑完全處于全風化、中風化巖層的情況，對于車站端部盾構井部分支撐體系建議設置為1層混凝土支撐+2層鋼支撐+1層鋼筋混凝土支撐以保證支撐體系強度、剛度和穩定性，保證將開挖過程基坑變形控制在允許變形范圍以內。

（5）監測數據分析運用。要嚴格按照設計對監測的項目、頻率要求進行監測，要對監測數據進行連續關注和分析，對監測數據異常情況時，應綜合分析各類監測數據，必須查找可能存在的真實原因，并采取有效的加固措施，方可繼續進行下一步施工。

6 結束語

通過該基坑盾構井端事件的分析和總結，在該標段其他超深基坑施工過程中加強了圍護樁施工質量控制、鋼圍檁安裝順序和安裝質量控制、鋼支撐安裝質量和軸力施加質量控制、4層支撐端部最下層鋼支撐改鋼筋混凝土支撐等措施，能夠將盾構井基坑累計變形控制在設計允許的30mm以下，車站盾構井累計變形最小的控制在9.8mm，保證了基坑開挖和主體結構施工基坑穩定性，顯著減少了基坑變形帶來的安全風險，為各車站安全、有序、高效施工打下了良好的基礎。