地鐵車站基坑半幅蓋挖法施工監測及分析

石 嶺，周 賓，李永輝，高笑娟

（1. 中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100；2. 河南科技大學土木工程學院，河南洛陽 471000）

1 引言

地鐵路線往往穿越城市中心地帶的建筑密集區，周邊環境復雜，車站深基坑開挖過程對周邊環境會產生較大影響。為減輕基坑開挖對周圍環境的影響或者隔離地下水，地連墻成為基坑圍護結構的常用形式。為減少復雜條件下地鐵施工對上部交通的影響，半幅蓋挖法得到了較為廣泛的應用[1]，半幅蓋挖法可以充分利用明挖法和蓋挖法的各自優點，有效緩解車站基坑施工工期緊、安全要求高、地面交通流量大、周邊環境復雜等因素之間的矛盾，實現較好的經濟效益和社會效益[2]。然而深基坑施工過程是動態化的過程，隨著施工進展，圍護結構、支撐體系和周邊建筑均會發生不同程度的變形，在其內部產生應力，不同土層中，所引起的變形特征不同。楊敏[3]、丁勇春[4]等人研究了上海軟土地區的深基坑變形特征，分析了基坑周圍的沉降特征和預測方法；丁智[5]等人對浙江省軟土地區37個深基坑的變形特征進行了統計分析，探討了基坑支護結構水平位移和周圍地面的變形規律；謝冬洲[6]等人對西安黃土地區的深基坑變形規律進行了分析，并與南方軟土基坑施工變形特征進行了對比；賀煒[7]等根據工程實測結果，從支護結構內力、地連墻側向位移、周邊地表沉降規律等方面，分析了基坑開挖本身的安全性及對周邊環境的影響。

眾多的研究成果表明，土層的性質和施工方法是對基坑變形影響最大的因素，各地區土層性質不同，所引起的基坑變形差別較大，而且施工過程中的影響因素眾多，造成基坑變形復雜，對安全帶來不確定因素。半幅蓋挖法施工的基坑，由于結構剛度的不對稱性[8]，會引起圍護結構和周邊環境的復雜變化，目前關于半幅蓋挖法施工所引起的支護結構的應力和周邊環境變形的資料較少。本文結合洛陽地鐵1號線武漢路站基坑施工監測數據，對支護結構的內力和變形以及周邊地面、鄰近建筑的變形進行分析，并對引起內力和變形的原因進行探討，以期為后續類似深基坑工程提供借鑒。

2 工程概況

洛陽地鐵1號線武漢路站位于洛陽盆地內洛河Ⅱ級階地，場地范圍內分布有全新統和上更新統沖洪積黃土狀土，層厚約5.2～18.9?m，下伏卵石和基巖層，根據區域地質資料和地區工程經驗，本車站場地為非自重濕陷性黃土場地。車站標準段基坑開挖范圍的土層主要為：①1雜填土、②2黃土狀粉質黏土、②3黃土狀粉土、③2粉質黏土、③3粉土、③9-4卵石等，基底處的土層主要為③9-4卵石層。車站范圍內枯水期穩定水位埋深為17.1～19.8?m，地下水位變幅2?m。

武漢路站主體結構采用單柱雙跨與雙柱三跨結合的鋼筋混凝土箱型框架結構，車站總長160.9?m，結構標準段寬度為21.90?m，標準段基坑深約25～26.1 m，北端端頭井基坑深約26.5?m，南端端頭井基坑深約27.7 m。車站周邊建筑密集，地下管線密布，施工場地狹窄。東北象限有重要的歷史保護性建筑（以下簡稱“建筑1”），為4層磚混結構，局部3層，地上建筑高度為14.5?m，無地下室，距離車站基坑主體15.58 m，與1號風亭基坑最小距離8.9 m，屬于Ⅰ級風險源，要求豎向變形值在±10?mm以內。車站周圍其余位置均為商業樓或者住宅小區，距離最近的多層建筑為基坑主體西南象限的7層磚混結構住宅樓（以下簡稱“建筑2”），該建筑的東北角距離基坑6.09?m。由于車站周圍交通量大，且施工場地狹小，不具備坑外降水條件，也缺少搭設龍門吊的空間，因此考慮采用地連墻加內支撐的支護體系，并且采用半幅蓋挖法施工。

標準段基坑豎向設置4道支撐，第1道支撐采用700?mm×900?mm混凝土支撐，間距9?m；第2、第4道支撐采用φ609?mm、t=16?mm鋼管支撐，間距3?m；第3道支撐采用φ800?mm、t=16?mm鋼管支撐，間距3?m。

端頭井段基坑豎向設置5道支撐加1道換撐，第1道支撐采用700?mm×900?mm混凝土支撐，間距3.3～6?m；第2道、第4道、第5道支撐采用φ800?mm、t=?16?mm 鋼管支撐，間距 1.84 ～ 5.04?m，鋼管支撐端頭設置鋼圍檁，鋼圍檁采用雙榀工56C工字鋼外加焊接鋼；第 3 道支撐為 1?000?mm×1?200?mm 混凝土支撐，支撐中心線標高與標準段處第3道鋼管支撐相同；混凝土支撐頂在混凝土腰梁上，混凝土腰梁尺寸在盾構井段為1 200 mm×1?200?mm，其余位置為 800 mm×900 mm。

基坑施工順序為，先施工蓋挖側地連墻和臨時中柱，開挖土層至頂板以下0.5?m，施工頂板；等頂板混凝土達到設計強度以后，改遷管線，上部覆土；先開挖明挖側第1層，施工第1道混凝土支撐；然后從兩端向中間依次開挖下部土層，施作下部支撐；開挖至基坑底部，澆筑混凝土墊層，施工底板、中板和頂板。

3 基坑監測點布置

武漢路站是洛陽地鐵1號線唯一一座地下3層車站，該工程是洛陽首次采用地連墻加內支撐的支護形式并且采用半幅蓋挖法施工的大型深基坑。因此，基坑的監測顯得更加重要，一方面要保證圍護結構和歷史保護性建筑的安全性，另一方面其施工的經驗和監測數據可為類似土層中工程提供借鑒。圖1為基坑及周邊測點布置示意圖，圖1中ZCL-01～ZCL-10為支撐軸力測點，ZQT-01～ZQT-18為墻體水平位移測點，DBC-01～DBC-28為墻后地面沉降測點。由于本文所述的基坑周圍建筑密集，在垂直于基坑開挖邊線布置地面沉降觀測點時，大部分監測斷面只能布置2個監測點，分別位于地連墻外側1?m和6?m處；少部分監測斷面布置5個監測點，至地連墻外邊沿的距離依次為1?m、6?m、11?m、16?m、21?m。周圍建筑按照規范要求布置沉降測點，地下管線布置沉降測點，此外還布置地下水位測點、立柱豎向變形和傾斜測點等。

圖1 基坑及周邊測點布置圖

4 監測數據分析

4.1 混凝土支撐軸力分析

圖2給出了混凝土支撐測點的支撐軸力時程曲線，由圖2可見，所有混凝土支撐的軸力呈現明顯一致的規律性變化，變化過程大致分為3個階段：第1階段為2019年2月9日之前各支撐軸力值的上升階段，該階段正進行第1層土方開挖，該層土方開挖完成后支撐軸力逐步發揮并且達到穩定值；第2階段為支撐軸力的穩定階段，軸力值處于2?200?kN左右，這一階段基本上持續到4月18日基坑所有的土方開挖完成，軸力均未超過設計控制值3?000?kN；第3階段為車站結構施工階段。按照一般的規律，隨著地下結構的施工，下部鋼管支撐逐步拆除，結構剛度逐漸增大，混凝土支撐軸力應該逐步減小或者穩定[9-11]，但是圖2中顯示本工程的混凝土支撐軸力增長一直持續到地下結構頂板施工完成，其最大軸力值超過設計值1倍之多。然而所監測的地面沉降、周邊鄰近管線沉降、周邊建筑沉降、立柱位移和傾斜、地下水位等指標均正常，遠小于控制值，由此可以判定基坑是安全，也說明不能單一用支撐軸力作為安全監測指標。

圖2 混凝土支撐軸力時程曲線

4.2 地連墻側向水平位移分析

將2019年5月18日基坑明挖側、端頭側和蓋挖側的地連墻墻體位移分別繪制于圖3、圖4和圖5中，對圖3～圖5分析如下。

（1）由圖3可見，明挖側墻體水平位移主要為“反彎型”，墻頂附近出現較大的負向位移，而墻體中部是向基坑內部的正向位移，在數值上正向位移達到負向位移的1～3倍。

（2）由圖4可見，基坑兩端墻體水平位移較小，其最大值在±4?mm以內。分析其原因可能是這些點位于基坑的兩端擴大區域，該部位有2道混凝土支撐和3道鋼管支撐，蓋挖側兩端還各有1排鋼筋混凝土樁，其對周圍墻體的約束力強，減小了墻體變形，即文獻[2]中所說的拐角強化效應。

圖3 明挖側墻體水平位移

圖4 基坑兩端墻體水平位移

圖5 蓋挖側墻體水平位移

（3）由圖5可見，蓋挖側墻體水平位移的變化比較復雜，有部分測點向著墻后發生較大位移，表現出“懸臂型”特征，例如ZQT-12、ZQT-14、ZQT-15測點；有的為兩頭小、中間大的“鼓脹型”，例如ZQT-16測點；有的為“反彎型”，墻頂的負向位移和墻中部的正向位移均較大，例如ZQT-13測點。

4.3 地連墻最大水平位移位置分析

圖6為武漢路車站基坑明挖側ZQT-6測點地連墻的水平位移隨著開挖深度的變化曲線，由圖6可見，隨著基坑開挖深度的增加，墻體水平位移最大值的位置逐漸下降，墊層澆筑完成之后，水平位移的大小和最大值的位置基本穩定，最大水平位移均處于基坑底面以上，未出現處于底板或者底板以下深度的情況。從圖6中明挖側、蓋挖側和基坑短邊中點處的最大位移變化曲線可見，地連墻的最大水平位移均位于墻頂以下15～20 m，若取基坑平均開挖深度為25.5 m，則最大值位于底板以上0.22～0.42H（H為基坑開挖深度），與文獻[2-6]數據進行對比說明洛陽地區的土層性質不同于南方的軟土層，而與西安土層更為接近。

圖6 ZQT-6測點墻體水平位移隨開挖工序的變化

4.4 地連墻外側地面沉降分析

（1）地連墻外側地面沉降時程曲線如圖7所示，由圖7可見，蓋挖側地面主要表現為隆起變形，明挖側主要表現為下沉變形，4月中下旬以后，監測點的隆起量也逐漸減小，沉降量逐漸增大。對應于施工進度，4月中旬以前主要是土層開挖和支撐的架設階段，從4月中旬以后則主要是車站結構的施工以及鋼管支撐的拆除階段。6月14日整個基坑的結構頂板混凝土全部澆筑完成，隨著地下結構混凝土強度提高，地面的豎向變形量也基本上趨于穩定。整個施工期間地面的豎向變形均在±6 mm以內，未超過控制值±25?mm，因此對結構的安全性影響不大。

圖7 地連墻外1 m處地面沉降時程曲線

（2）基坑開挖導致土壓力不均衡，使支護結構產生變形，從而使支護結構后的土體產生位移，致使地表沉降，所以地面沉降量和圍護結構側移量密切相關。地連墻外側地面沉降與地連墻距離的關系曲線如圖8所示，可以看出，基坑兩側地面的豎向變形表現出不同的特征。對于基坑的兩端和明挖側，地面的變形主要表現為沉降，并且呈現出比較明顯的“雙凹槽形”特征。距離墻體最近的點沉降值較小，可能是地連墻與土體之間的摩阻力限制了土體的沉降值[12-17]，第1個“凹槽”出現的位置較為一致，大致位于距墻6?m處，相當于0.24H；第2個“凹槽”位于距墻16?m處，相當于0.63H；總體沉降影響范圍超過21?m。位于蓋挖側的DBC-17和DBC-24號測點地面沉降值很小或者表現出隆起特征，說明蓋板的剛度對地面沉降具有抑制作用。

圖8 地連墻外側地面沉降隨距離的變化

4.5 周圍建筑沉降分析

圖9 建筑1沉降時程曲線

圖10 建筑2沉降時程曲線

在基坑東北象限的建筑1（靠近基坑明挖側）和西南象限的建筑物2（靠近基坑蓋挖側）沉降時程曲線如圖9和圖10所示，由圖9、圖10可見，建筑2的沉降值小于建筑1，說明蓋挖頂板的剛度對周邊沉降具有一定的抑制作用，對建筑起到保護的效果。從2座建筑沉降曲線的形狀上看，具有相似的變化特征，前期各測點沉降曲線上下起伏明顯，到后期變化特征一致，各條線基本上平行，對于建筑1，這一變化發生于4月28日以后，建筑2出現在5月27日以后。對應于車站的施工階段，4月28日與建筑1較近的基坑東端擴大端開始施工結構頂板，而西端擴大端結構頂板施工是從5月27日開始，由此可以說明，從結構頂板開始施工時，周邊的建筑沉降已達到穩定狀態。總體上，在基坑開挖和地下結構施工過程中，建筑沉降在±8?mm以內，滿足沉降控制值不超過±10?mm要求。

5 結論

洛陽武漢路基坑首次采用地連墻加內支撐的基坑支護形式，采用半幅蓋挖法施工，該基坑的開挖能夠安全順利進行的原因在于嚴格按設計和規范施作地連墻等圍護結構，保證了地連墻等圍護結構的剛度和強度，從而有效控制了結構的側向位移，最大限度減小了基坑開挖所引起的結構、地面變形，保證了重要歷史建筑及周邊其他建筑物的安全性。通過本文的研究，得出以下結論。

（1）施工過程中混凝土支撐軸力最大值超過設計值1倍左右，其他監測指標均正常，遠小于控制值，說明僅僅混凝土支撐軸力超過設計值，不能判定基坑存在安全問題；混凝土支撐軸力的影響因素復雜，鋼管支撐的拆除以及坑邊超載對其大小的影響程度還需進一步研究。

（2）從地連墻水平位移的變化特征來看，明挖側的變形較為一致，蓋挖側的變形較明挖側復雜，不宜用統一的變化規律來表述，這說明半幅蓋挖法施工會引起基坑兩側不對稱的變形，進而在圍護結構中產生不對稱的內力，在該土層中的影響規律還需要更多工程實例來驗證。

（3）地連墻最大水平位移均處于基坑開挖底面以上，約為0.22～0.42H，未出現處于底板或者底板以下深度的情況，與有關文獻對比結果表明洛陽地區的土層性質與南方軟土不同，與西安地區更為接近。

（4）半幅蓋挖法施工過程中，蓋挖側與明挖側地連墻外側地表沉降變化規律不同，蓋挖側地面沉降小于明挖側；鄰近蓋挖側的建筑沉降小于明挖側建筑沉降，說明蓋挖側頂板對周邊地面沉降有抑制作用，地下結構頂板施工完成后，其鄰近建筑的沉降才逐漸趨于穩定。