地下明挖隧道基坑變形監測與分析

胡雪明

（杭州城投建設有限公司，杭州 310051）

0 引言

近年來，隨著我國地下工程快速發展，城市地鐵、隧道及深基坑開挖工程也越來越多。然而，城市建設的高速發展也造成了城市中地下工程面臨的施工環境越來越復雜。因此，研究地下工程施工對周邊環境影響也成為熱點問題。

在眾多研究方法中現場監測是最直接反映地下隧道開挖對周邊影響的方法。董桂紅等[1]和任城等[2]分別對具體深基坑開挖工程的支護結構側向位移、土體側向位移、周邊地表沉降等監測數據進行分析。李淑等[3]統計分析了北京地鐵30個明挖車站的現場實測數據，得出了北京地區地鐵車站深基坑開挖引起的地表變形規律。徐凌等[4]通過分析典型支護結構下明挖車站的基坑變形監測數據，建立了支護結構形式與變形影響范圍的關系。陳小巍[5]通過分析江蘇某地鐵車站深基坑工程的現場實測數據，發現第一道內支撐對控制基坑變形起關鍵作用，建議基坑設計時要特別重視第一道支撐的強度與剛度設計。李福林[6]通過建立三維有限元模型計算得到，當拆除支撐而不及時施作新梁板結構時，將減弱整體支護剛度，引起地層水平位移與沉降。由此可見，目前大部分研究主要集中于監測項目的規律研究。比如地表變形、內支撐軸力及深層土體位移在不同工況下變形規律，而較少研究圍護結構形式的不同及內支撐拆除過程中的變形規律。

綜上所述，文中結合杭州某地下明挖隧道深基坑工程，結合監測數據，選取3個典型的圍護結構即地連墻、SMW 工法樁、咬合樁，首先對比分析現場實測與設計計算的支撐軸力、地表變形及深層土體位移變化規律，其次分析實測支撐軸力在內支撐拆除過程中的變形規律，最后對SMW 工法樁的適用性進行研究，旨在得出一些規律性的結論從而為類似工程提供一定的參考價值。

1 工程概況

杭州市紫金港路工程02 標南起文一西路，北至紫金港路工程01 標（樁號為K2+804.628～K4+110），全長1305.372m，采用地面道路+隧道形式。工程地處杭州城西，土質較差，基本以軟土為主。工程隧道采用明挖順作法施工，基坑支護結構根據開挖深度、地質條件的不同采用多種支護方案：較深處采用地下連續墻、鉆孔咬合樁、SMW 工法樁、鉆孔灌注樁結合1～4道內支撐的支護圍護體系；U 型槽開挖較淺處采用水泥攪拌樁、重力式擋墻、自然放坡等圍護體系。工程基坑標準段寬度為24.2m，最大基坑寬度為44.5m，開挖深度1.234～18.368m，局部深度達20.776m。現選取圍護結構形式分別為地連墻、SMW 工法樁及鉆孔咬合樁的Q-Q、R-R、T-T 剖面基坑。3個剖面所在地質情況具體如下：

Q-Q 剖面：開挖深度為15.5～16m，從上到下分別為：約2m 厚的換填土層，約4m 厚2-2 淤泥質粘土層，約5m 厚3 號淤泥質粉質粘土層，約2.7m 厚6-1粉質粘土層，約2m 厚6-2 粘土層。

R-R 剖面：開挖深度為14.2～15m，從上到下分別為：約2m 厚的換填土層，約1m 厚2-2 淤泥質粘土層，約2m 厚4-1 粉質粘土層，約7m 厚4-2 砂質粉土層，約2～3m 厚4-3 粉質夾砂層。

T-T 剖面：開挖深度為13～13.5m，從上到下分別為：約2m 厚的換填土層，約1m 厚2-2 淤泥質粘土層，約2m 厚4-1 粉質粘土層，約6.5m 厚4-2 砂質粉土層，約1.5～2m 厚4-3 粉質夾砂層。

2 基坑監測

工程基坑監測的主要內容為：地表沉降、基坑邊坡變形（測斜）、墻頂水平及豎向位移、地下水位、支撐軸力、立柱沉降、地墻鋼筋應力監測、地墻土壓力監測。基坑圍護結構及監測點布置情況見圖1、圖2。其中針對剖面Q-Q、R-R、T-T 的支撐軸力測點ZL19、ZL22、ZL24，地表沉降測點DBW30-1～4、DBW35-1～3、DBW40-1～3，測斜點CX30、CX35、CX40 展開研究。

圖1 典型基坑剖面圖（單位：m）

圖2 基坑支護結構及監測點平面圖

3個典型剖面Q-Q、R-R、T-T 的主要工序施工時間見表1。

表1 主要工序施工時間

3 監測數據分析

3.1 支撐軸力

基坑的支撐分別布設1個支撐軸力測點，其中剖面Q-Q、剖面R-R 及剖面T-T 的支撐測點分別為ZL19、ZL22、ZL24，軸力監測數據如圖3 所示。

從圖3 可知，剖面Q-Q 的最大支撐軸力發生在底板墊層混凝土澆筑（工況4），位于第三道支撐，為2504.67kN。同樣也可以發現，第一道支撐的支撐軸力在第二道支撐澆混凝土（工況2）后，隨著基坑繼續開挖至第三道支撐澆混凝土（工況3），逐漸增大，但增長量較小；在基坑繼續開挖至底板時，逐漸減小并在底板墊層混凝土澆筑時趨于零；隨著支撐逐步拆除（工況5～6），反向增加，并在頂板混凝土澆筑（工況7）后趨于穩定，呈受拉狀態。第二道支撐的支撐軸力在第三道支撐澆混凝土后，隨著基坑繼續開挖至底板時，逐漸增大；隨著第三道支撐拆除，有少許降低。

圖3 施工段軸力變化

剖面R-R 支撐軸力變化規律與剖面Q-Q 類似，但是剖面R-R 的最大支撐軸力發生在基坑開挖至坑底時，位于第二道支撐，為2322.27kN。且兩者支撐軸力數值相比，剖面R-R 第一道、第二道支撐軸力均比剖面Q-Q 大，而且剖面R-R 第一道支撐軸力沒有受拉段。

剖面T-T 僅兩道支撐，軸力變化曲線與剖面R-R和剖面Q-Q 存在一定差距，第一道支撐軸力隨著基坑開挖，逐漸增大，且在第二道支撐拆除時達到最大值，為2079.64 kN。第二道支撐軸力最大值比第一道支撐軸力最大值小。這是由于第二道支撐至坑底的距離小于第一道支撐至第二道支撐的距離。

圖3 僅給出底板墊層混凝土澆筑時第三道支撐的軸力值，為了進一步分析第三道支撐軸力的變化特性，著重監測工況3 和工況4 之間土方開挖前后第三道支撐軸力的數值。如圖4 所示，剖面Q-Q 和剖面R-R 的第三道支撐軸力在基坑開挖至坑底過程中，土方開挖的第1d 變化量最大，之后是隨開挖深度增加逐漸增大，但增加幅度逐漸減小。

圖4 支撐軸力隨土方開挖變化曲線

在支撐拆除前后，如圖5 所示，在第三道支撐拆除后，第一道和第二道支撐梁軸力不是立刻增大的而是逐漸增大，峰值出現在下一道支撐梁拆除后的第4～5d。從圖中還可以看出在底板墊層混凝土澆筑完成及第三道支撐拆除后，Q-Q 剖面第一道支撐梁的軸力變為負值（表示受拉），而R-R 剖面第一道支撐梁軸力為正值（表示受壓）且第一道、第二道支撐梁軸力在第三道支撐拆后第一天存在減小的情況，之后逐漸增大。這主要是由于Q-Q 剖面施工段的圍護墻為800mm厚地連墻，整體剛度大，拆撐后，開挖深度內圍護墻的中下部位移比上部增大較多，但在底板及第二道支撐的作用下，從而使第一道支撐變為受拉。而R-R 剖面施工段圍護墻為SMW 工法樁，相對來說整體剛度小，在拆撐后開挖深度內圍護墻的上、中、下部位移變化量相差不大，因此第一道支撐軸力與未拆撐前變化不大。

圖5 支撐軸力隨支撐拆除變化曲線

總結來說，第一道支撐軸力均未超過控制值7000kN，第二及第三道支撐軸力均未超過控制值10000kN；但是對于整體剛度較大的圍護結構需要關注第一道支撐的受拉軸力值。

3.2 地表沉降

Q-Q 剖面沉降監測點距離圍護結構由近及遠分別 為DBW30-1、DBW30-2、DBW30-3 及DBW30-4。如圖6（a）所示，Q-Q 剖面最大沉降位于DBW30-2，為-26.27mm，最遠測點DBW30-4 沉降最小，BW30-1 與DBW30-3 沉降值較接近。從圖中還可以看出，2012 年7 月11 日之前即基坑施工至第三道支撐澆混凝土時，地表沉降增長緩慢；2012 年7 月11 日～2012 年8 月17 日即基坑施工從第三道支撐澆混凝土至底板墊層混凝土澆筑過程中，地表沉降增長較快，其中DBW30-2 增長速率為0.34mm/d；基坑繼續施工，沉降增長緩慢逐步趨于穩定，達到最大值。

R-R 剖面沉降監測點距離圍護結構由近及遠分別為DBW35-1、DBW35-2 及DBW35-3。如圖6（b）所示，R-R 剖面最大沉降位于DBW35-2，為-27.31mm，最遠測點DBW35-3 沉降最小，DBW35-1 與DBW35-2 沉降值較接近。從圖中還可以看出，2012 年6 月29日之前即基坑施工至第二道支撐澆混凝土時，地表沉降增長緩慢；基坑從第二道支撐澆混凝土至底板墊層混凝土澆筑過程中，地表沉降增長較快，其中DBW35-2 增長速率為0.31mm/d；基坑繼續施工，沉降增長緩慢，在第三道支撐拆除時達到峰值，隨后逐步減小。

T-T 剖面沉降監測點距離圍護結構由近及遠分別為DBW40-1、DBW40-2 及DBW40-3。如圖6（c）所示，T-T 剖面最大沉降位于DBW40-1，為-19.88mm，最遠測點DBW35-3 沉降最小。從圖中還可以看出，基坑施工從第二道支撐澆混凝土至底板墊層混凝土澆筑過程中，地表沉降增長較快，其中DBW40-1 增長速率為0.25mm/d；基坑繼續施工，沉降增長緩慢逐步趨于穩定，達到最大值。

圖6 地表沉降變化曲線

經過以上分析可知，地表沉降增長較快的是最后一道支撐開挖至坑底的過程中，所以在開挖時應著重監測這一階段的地表沉降，地表沉降均未超過控制值30mm，滿足施工要求。且地表沉降最大點大致位于距離基坑圍護結構2～4m 范圍內。

3.3 深層土體位移

圖7 給出了圍護墻外部土體深層土體位移變化規律。位移正值表示向坑內，負值表示向坑外。針對Q-Q 剖面，基坑開挖過程中，圍護墻向坑內移動，位移曲線呈現出中間大，兩頭小的特征，側移的最大值隨著開挖深度的加大而逐漸增大，最大側移的位置也緩慢下移，其中基坑施工至底板墊層混凝土澆筑時土體側移增量最大。從圖中還可以看出，最大側移發生在第二道支撐水平線處，由此可以解釋圖3 第二道支撐受壓最大即支撐軸力最大。從而也說明了在此階段圍護墻上部往坑內變形減小，下部增大，特別是在中部處變形最大，但變形增大也是隨開挖深度增加逐漸增大的。

圖7 深層土體位移時程曲線

分析可知，Q-Q 剖面最大土體水平位移約為21mm，R-R 剖面最大土體水平位移約為28mm，T-T剖面最大土體水平位移約為16mm，均為超出控制值0.5%h（h 為測點處基坑深度）。

3.4 理論值與實測值對比分析

由前文實測結果可知，在整個基坑施工過程中，基坑變形的變化量最大值在基坑施工至底板墊層混凝土澆筑時，其中支撐軸力、土體深層位移、地表沉降都在此階段出現變化量最大，而這一情況與設計理論計算工況相符，只是現場實測數據基本上小于設計計算值。

從3個剖面實測的土體深層位移變化圖與設計理論計算的土體位移圖見圖8，通過進行比較后，可以發現實測的土體深層位移變化規律與設計理論計算的基本相符，只是每個施工工況的實測值都要小于設計值，約是設計值的1/3 左右，在底板完成后后續變化量較小。但設計理論計算土體深層位移最大值是在結構底板上一道（在文中剖面Q-Q 剖面、R-R 剖面的第三道及剖面T-T 的第二道）支撐梁拆除后，而工程現場實測值是在結構完成后，也就是說現場土體深層位移在拆撐后還是繼續增大的，但其最大均未超過設計理論計算的最大值。

圖8 設計理論計算基坑的變形曲線

3.5 SMW 工法樁支護應用

從圖2 中可以看出在R-R 剖面所在施工段內規劃地鐵5 號線將從隧道下穿過，為了便于地鐵施工時盾構穿過工程的圍護墻，故在此段圍護墻采用了SMW 工法樁結合三道鋼筋混凝土支撐，在此段主體結構完成后，全部拔除工法樁內的型鋼。

圖9 盾構穿過圍護墻布置圖（單位：mm）

4 結語

對工程的3 種不同圍護結構施工段中現場監測數據的分析以及與設計理論計算的對比，得出以下結論，可為類似工程提供參考。

（1）工程基坑施工過程中安全可控，現場實際施工工況符合設計與規范要求。

（2）在整個基坑施工過程中，最危險工況是在基坑開挖至底板和拆支撐時，此時深層土體位移及地表變形達到最大值。支撐軸力在土方開挖的第一天變化量最大，而在支撐拆除時則在下一道支撐梁拆除后的第4～5d 達到峰值。對于整體剛度較大的圍護結構如地連墻形式的圍護結構第一道支撐可能出現受拉情況。

（3）當存在規劃地鐵下穿擬建隧道的情況時，隧道基坑的圍護結構可采用SMW 工法樁拔除型鋼的做法。該方法在文中依托工程中成功應用，為后期地鐵5 號線盾構順利施工奠定了基礎。