北京地鐵明挖車站典型支護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律研究

徐　凌　張頂鋒　張　昊

(1. 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司　北京　100068；　2. 中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司　北京　102600)

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北京地鐵明挖車站典型支護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律研究

徐凌1張頂鋒2張昊1

(1. 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司北京100068；2. 中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司北京102600)

為研究明挖車站典型支護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，對北京地鐵6號線二期7座砂性地層中分別采用圍護樁+錨索、圍護樁+鋼支撐、地下連續(xù)墻+鋼支撐3種支護形式的明挖車站深基坑變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，并與以往類似工程進行對比。研究表明：圍護樁+錨索、圍護樁+鋼支撐形式下的地表沉降在0.15%H以內(nèi)(H為開挖深度)，地下連續(xù)墻+鋼支撐形式下的地表沉降在0.1%H以內(nèi)，3種支護形式下的基坑外地表沉降最大值所在位置與基坑邊的距離大致為0.5～0.7H，且沉降影響范圍約為1.5H；3種支護形式下的樁頂水平位移在0.1%H以內(nèi)；圍護樁+錨索和地下連續(xù)墻+鋼支撐形式下的樁(墻)體水平位移在0.1%H以內(nèi)，圍護樁+鋼支撐形式下的樁(墻)體水平位移在0.15 %H以內(nèi)，3種形式下基坑最大樁(墻)體水平位移所在深度分別為0.3～0.4H、0.4～0.7H及0.5H。

地鐵車站；深基坑；支護結(jié)構(gòu)；變形規(guī)律

明挖法作為地鐵車站的一種主要施工工法，正隨著國內(nèi)地鐵建設(shè)的蓬勃發(fā)展而得到廣泛應(yīng)用，在地鐵明挖基坑工程施工過程中，基坑坍塌的事例多次出現(xiàn)[1-3]，為此，工程參建各方均十分重視基坑開挖后地表沉降、支護結(jié)構(gòu)水平位移等監(jiān)測項 目 的 實 施。目 前，已 有大量針對明挖基坑工程施 工 變 形 規(guī) 律 的 研 究[4-8]，涉及北京地鐵明挖基坑的分析研究也為數(shù)不少，但是結(jié)合地層針對北京地鐵明挖基坑典型支護結(jié)構(gòu)下的變形規(guī)律進行對比的研究較少，同時對近年來在北京地鐵建設(shè)過程中新采用的地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護形式的分析也較少，因此，在地鐵工程建設(shè)大規(guī)模發(fā)展的背景下，筆者將結(jié)合北京地鐵6號線二期工程7座明挖車站在不同支護結(jié)構(gòu)形式下的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究地鐵明挖車站典型支護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。

1　工程概況

已于2014年底通車試運營的北京地鐵6號線二期工程共設(shè)車站8座，其中采用明挖車站7座。這些明挖車站共涉及3種圍護結(jié)構(gòu)形式：圍護樁+錨索、圍護樁+內(nèi)支撐和地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐(以下分別簡稱為樁錨、樁撐和墻撐)，其中郝家府站是北京地鐵首批采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐作為支護體系的工點。這7座明挖車站的基本概況及地質(zhì)情況如表1所示，可以看出，各車站基坑開挖深度和所處地層相近，基坑開挖深度H均為20 m左右，開挖地層主要為粉細(xì)砂、細(xì)中砂和中粗砂，部分夾雜粉質(zhì)黏土夾層，存在一定的層間滯水。

2　各種支護形式的基坑變形對比

7座明挖車站在建設(shè)過程中針對基坑外地表沉降、樁頂水平位移、樁體水平位移等，按要求實施了監(jiān)測，以下對各類型監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。

2.1地表沉降

通過對7座明挖車站基坑外地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯總統(tǒng)計，結(jié)果顯示：樁錨形式下地表沉降累計有97%小于30 mm，且大部分為10～20 mm；樁撐形式下地表沉降累計有77%小于30 mm，且大部分為10～20 mm；墻撐形式下地表沉降均小于30 mm，有97%在20 mm以內(nèi)，且大部分為5～10 mm。北京地鐵明挖基坑支護結(jié)構(gòu)背后土體地表沉降的控制值為≤0.15%H及≤30 mm中的較小值[9]，結(jié)果表明，這3種支護形式下的地表沉降均可控制在要求范圍內(nèi)，且墻撐形式下基坑外的地表沉降更小(≤0.1%H)。

表1　北京地鐵6號線二期工程明挖車站概況

3種支護形式下基坑外地表沉降主測斷面的數(shù)據(jù)如圖1所示(數(shù)值為正代表隆起，數(shù)值為負(fù)代表沉降)。

圖1　3種形式下地表沉降主測斷面數(shù)據(jù)情況

1) 7座車站的基坑外地表沉降均表現(xiàn)為凹槽形沉降曲線，即地表沉降隨測點與基坑側(cè)壁距離呈現(xiàn)先增大而減小的變化，沉降最大處不是在基坑側(cè)壁，而是在離基坑側(cè)壁一定距離處，說明各明挖車站支護結(jié)構(gòu)施作及時、鋼支撐及錨索的預(yù)應(yīng)力施加及時，支護結(jié)構(gòu)體系可正常發(fā)揮作用。

2) 劉國彬等認(rèn)為對于基坑外發(fā)生的凹槽形地表沉降，最大沉降值的發(fā)生位置根據(jù)統(tǒng)計的情況一般介于(0.4～0.7)H之間。李淑等對北京地鐵4、5、10號線等30座明挖車站的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析后認(rèn)為，基坑外地表最大沉降發(fā)生處距基坑側(cè)壁10～15 m。而在本工程中，樁錨形式下地表測點大致在距離基坑側(cè)壁10～15 m的位置發(fā)生最大沉降，樁撐形式的對應(yīng)點在距離基坑約不到10 m的位置，墻撐形式的對應(yīng)點在距離基坑10～13 m位置，即3種支護形式下地表沉降最大值所在位置與基坑邊的距離為(0.5～0.7)H。

3) 劉國彬等認(rèn)為地表沉降范圍一般為(1～4)H，李淑等的研究表明距基坑坑壁30 m以外的地表變形微小，張庚濤的研究表明，在砂卵石地層中，開挖深度H約為16.1 m的北京地鐵明挖基坑(樁撐支護體系)，距離基坑邊1H時的地表沉降幾乎為0。而在本工程中，可推知各種支護形式下基坑側(cè)壁外30 m處的地表沉降較小，說明在砂層土體中地表沉降影響范圍較砂卵石地層更大一些，約為1.5H，這也與《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB50911—2013)[10]提出的北京地鐵明挖基坑地表沉降的主、次影響區(qū)為基坑外(0～2)H范圍相吻合。

2.2樁(墻)頂水平位移

3種支護形式下的基坑樁(墻)頂水平位移與對應(yīng)基坑深度的比值分布情況如圖2所示。

由圖2可知，3種支護形式的樁頂(墻)水平位移基本均在0.1%H以內(nèi)(墻撐形式為全部在0.1%H以內(nèi))，其中樁錨形式下樁頂水平位移主要范圍為(0.02～0.07)%H，樁撐形式與墻撐形式下的樁(墻)頂水平位移的分布較為類似，主要范圍為(0.07～0.1)%H，北京地鐵明挖基坑樁頂水平位移的控制值為≤0.15%H及≤30 mm中的較小值，說明3種支護形式下的樁(墻)頂水平位移均可控制在要求范圍內(nèi)。

同時，通過分析李淑等提供的北京地鐵22個明挖工程(支護形式為復(fù)合土釘墻、樁+鋼支撐+錨索、樁+鋼支撐、樁+錨索等)的樁頂水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：有19個工程的樁頂水平位移方向全部向基坑內(nèi)，其中樁頂水平位移最大為23.5 mm，與開挖深度之比最大為0.15%H，平均為0.07%H。張欽喜等[11]通過對北京國貿(mào)中心三期深基坑(深度H約為22 m，總體采用上部土釘墻加下部樁錨的支護形式，局部采用地下連續(xù)墻支護)在開挖過程中監(jiān)測結(jié)果的分析，表明在正常情況下樁錨支護的位移一般不會超過0.1%H，說明本次研究結(jié)果與以往成果是匹配的。

2.3樁(墻)體水平位移

3種支護形式下基坑最大樁(墻)體水平位移與對應(yīng)基坑深度的比值分布情況如圖3所示。

圖2　3種形式下墻頂水平位移與基坑深度比值分布

圖3　3種形式下最大墻體水平位移與基坑深度比值分布

由圖3可知，樁錨和墻撐形式下的樁(墻)體水平位移基本均在0.1%H以內(nèi)，樁撐形式樁體水平位移分部較為離散，(0.04～0.14)%H之間均有分布，樁撐形式樁體水平位移大于0.15%H的有兩個，分別是0.181%H、0.215%H。北京地鐵明挖基坑樁(墻)體水平位移的控制值為≤0.15%H及≤30 mm中的較小值，說明3種支護形式下的樁體水平位移均可控制在要求范圍內(nèi)。

同時，通過分析李淑等提供的北京地鐵22個明挖工程(支護形式為復(fù)合土釘墻、樁+鋼支撐+錨索、樁+鋼支撐、樁+錨索等)的樁體最大水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：樁體最大水平位移方向全部向基坑內(nèi)，位移最大為45.8 mm，與開挖深度H之比最大為0.218%，平均為0.095%，說明本次研究結(jié)果與以往成果是匹配的。

3種支護形式下，基坑最大樁(墻)體水平位移所在深度與對應(yīng)基坑深度的比值分布情況如圖4所示。

由圖4可知,樁錨、樁撐、墻撐結(jié)構(gòu)支護形式下基坑最大樁(墻)體水平位移所在深度與對應(yīng)基坑深度的比值大致在0.3～0.4、0.4～0.7及0.5左右。

圖4　3種形式下最大樁體水平位移所在深度與基坑深度之比

3　結(jié)語

通過分析北京地鐵6號線二期7座開挖深度約為20 m，在砂層地質(zhì)條件下，樁錨、樁撐和墻撐等3種不同支護形式明挖車站基坑變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，可得到以下結(jié)論：

1) 樁錨、樁撐形式下的地表沉降在0.15%H以內(nèi)，墻撐形式下的地表沉降在0.1%H以內(nèi)；3種支護形式下的基坑外地表沉降規(guī)律類似，地表沉降均表現(xiàn)為凹槽形曲線，最大值所在位置與基坑邊的距離大致為(0.5-0.7)H，影響范圍約為1.5H(H為開挖深度)；

2) 3種支護形式下的樁頂水平位移在0.1%H以內(nèi)；

3) 樁錨和墻撐形式下的樁(墻)體水平位移在0.1%H以內(nèi)，樁撐形式下的樁(墻)體水平位移在0.15%H以內(nèi)；樁錨、樁撐、墻撐形式下基坑最大樁(墻)體水平位移所在深度大致為(0.3～0.4)H、(0.4～0.7)H及0.5H。

4) 與樁錨、樁撐形式相比，地下連續(xù)墻+鋼支撐(墻撐)支護形式的控制支護體系變形效果更好，且該種支護形式不必提前在基坑外進行降水，施工安全更有保障，工程質(zhì)量更好，因此在北京地鐵地下水豐富地區(qū)修建明挖車站時具有明顯的優(yōu)越性。

[1] 張曠成, 李繼民.杭州地鐵湘湖站“2008.11.15”基坑坍塌事故分析[J].巖土工程學(xué)報,2010，32(S1)：338-342.

[2] 來杰, 郭利剛.某地鐵出入口基坑坍塌案例分析[J].北京測繪,2015，29(1)：114-118.

[3] 李宏偉, 王國欣.某地鐵站深基坑坍塌事故原因分析與建議[J].施工技術(shù),2010，39(3)：56-58.

[4] 劉國彬.王衛(wèi)東.基坑工程手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2009.

[5] 李志佳. 北京地區(qū)深大地鐵基坑穩(wěn)定性及變形特性研究[D].北京：北京交通大學(xué), 2012.[6] 李淑, 張頂立, 房倩, 等.北京地區(qū)深基坑墻體變形特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2012，31(11)：2344-2353.

[7] 李淑, 張頂立, 房倩, 等.北京地鐵車站深基坑地表變形特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2012，31(1)：189-198.[8] 張庚濤.地鐵車站深基坑變形監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析[J].現(xiàn)代測繪, 2013，36(6)：23-25.

[9] 地鐵工程監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程：DB 11/490—2007[S].北京, 2007.

[10] 城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范：GB 50911—2013[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[11] 張欽喜, 陳鵬, 尹文彪.國貿(mào)中心三期基坑支護工程監(jiān)測研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2012，31(11)：2319-2326.

(編輯：郝京紅)

Deformation Rule of Typical Supporting Structures for Beijing Subway Station with Open-cut Construction Method

Xu Ling1Zhang Dingfeng2Zhang Hao1

(1. Beijing MTR Construction Administration Corp., Beijing 100068;2. China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Beijing 102600)

In order to study the deformation rule of typical supporting structures of the foundation pit of a subway station, the deformation monitoring data of foundation pits are analyzed and compared with previous similar projects for 7 subway stations of Phase II, Beijing Subway Line 6 in the sandy layer, which are supported by pile and anchor support, pile and steel support, underground diaphragm wall and steel support. Some conclusions can be drawn: (1) The ground settlement outside foundation pit for the pile and anchor support, the pile and steel support, underground diaphragm wall and steel support is within 0.15%H, 0.15%H and 0.1%H (H is the excavation depth of foundation pit) respectively. The distance between the location of the maximal ground settlement and the foundation pit is approximately 0.5-0.7H. The influence range of ground settlement is about 1.5H outside foundation pit. (2) The horizontal displacement of the pile top for the three kinds of supporting form is within 0.1%H. (3) The horizontal displacement of the pile body for the pile and anchor support, underground diaphragm wall and steel support is within 0.1% H. The horizontal displacement of the pile body for the pile and steel support is within 0.15%H. The depth of the maximal horizontal displacement of the pile body for pile and anchor support, pile and steel support, underground diaphragm wall and steel support is 0.3-0.4H, 0.4-0.7H and 0.5H. These conclusions can be helpful for future similar constructions.

subway station; deep excavation; supporting structure; deformation rule

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.01.012

2015-08-12

徐凌，男，工學(xué)博士，高級工程師，主要從事地鐵工程建設(shè)技術(shù)與安全管理工作，94550061@qq.com

北京市科技新星計劃資助項目(Z121106002512086)；科技北京百名領(lǐng)軍人才培養(yǎng)工程資助項目(Z121106002612017)

U231

A

1672-6073(2016)01-0047-04