上海天山路地鐵車站深基坑開挖施工監(jiān)測分析

薛 飛 蔣文杰 王天佐 蔡敏鈞

(1.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興 312000；2.浙江省巖石力學與地質災害重點實驗室，浙江 紹興 312000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展和城市化建設進程的不斷加快，城市人口日益增加，給城市交通帶來了巨大的壓力，同時也極大地促進了我國軌道交通建設的發(fā)展[1].伴隨著軌道交通基礎建設的快速增長，出現(xiàn)了越來越多的基坑工程，基坑開挖的深度也越來越大，對施工中基坑的支護和周邊的沉降控制提出了嚴峻的技術挑戰(zhàn)[2].近年發(fā)生了多起基坑塌方事故，北京地鐵M15號線順義地鐵站深基坑鋼支撐脫落、北京地鐵十號線蘇州街站塌方、深圳5.11基坑坍塌和清華附中坍塌等工程事故[3].這些事故從側面表明對基坑穩(wěn)定性研究的重要性.

為了掌握基坑開挖后圍護結構及附近土體的變形規(guī)律和控制措施，國內(nèi)外學者開展了大量的實測及模擬計算研究.王海超等研究得出地下連續(xù)墻+混凝土支撐+鋼支撐的圍護形式對基坑的側向變形有顯著效果，在側向預警部位臨時加裝鋼支撐是可行有效的措施[4].丁智等人對軟土地區(qū)基坑分析得出基坑最大側移和最大沉降量都與開挖深度有密切關系，開挖深度越大，圍護結構水平位移和地表沉降呈線性增長[5-6].童建軍等人把成都地鐵卵石地層和上海軟土地表沉降包絡線進行比較，發(fā)現(xiàn)最大沉降點及突變點距坑壁的距離均約為上海軟土地層深基坑的1/2[7].楊有海等認為鋼支撐的軸力隨開挖深度增加而增加，其大小變化與開挖方式、開挖速度、氣溫以及下層支撐的拆除有關[8].除了現(xiàn)場監(jiān)測外，還有較多學者采用數(shù)值模擬方法對基坑穩(wěn)定性進行了深入分析[9-10].然而，由于不同土質、開挖圍護技術及開挖深度等條件均會對基坑圍護結構和地表變形產(chǎn)生較大影響.因此，以上研究所得出的結論僅適應于特定的工程條件，而不具有普遍適用性.針對具體的工程還需進一步分析其變形規(guī)律，以得出更有針對性的結論.

本文以上海軌道交通15號線天山路站工程為研究背景，對基坑開挖過程中地連墻的水平位移，支撐軸力的變化以及周邊地表沉降進行了現(xiàn)場監(jiān)測研究，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析總結得出基坑圍護結構和地表變形規(guī)律，并提出相應的控制措施和建議，研究結果可以為類似工程提供經(jīng)驗參考.

1 工程概況

1.1 車站基本概況

上海軌道交通15號線天山路站位于長寧區(qū)古北路與天山路十字路口以北，沿古北路呈南北向布置，為地下三層島式站臺車站，基坑平均開挖深度H為28 m，有效站臺寬度為14 m，車站主體規(guī)模(內(nèi)凈)為160.0 m×21.7 m，設置2組風井及3個出入口，其中2、3號出入口分別和1、2號風亭合建.施工方式采用局部蓋挖和順作法相結合.

1.2 支護參數(shù)

基坑圍護結構采用1 200 mm厚地下連續(xù)墻.端頭井挖深29 m，設置八道支撐(第一道和第五道是鋼筋混凝土支撐，二、三、四、六、七、八道為鋼支撐).標準段開挖深度為27 m，設置七道支撐(第一道和第五道是鋼筋混凝土支撐，二、三、四、六、七道為鋼支撐).鋼筋混凝土支撐規(guī)格為Φ800 mm×1 000 mm.鋼支撐規(guī)格為Φ609 mm.每道支撐間距4.5 m.

1.3 水文地質

擬建場地位于上海市長寧區(qū)，地處長江三角洲入?？冢瑢贋I海平原地貌類型.天山路站地下車站主體位于古北路上，站址布置于古北路紅線范圍內(nèi)，沿古北路南北向布置.擬建場地地勢較為平坦，勘察期間測得地面標高約為+3.21～+3.52 m之間.

根據(jù)詳勘本車站地基土在75.37 m深度范圍內(nèi)均為第四紀晚更新世及全新世沉積物，主要由粘性土、粉性土和砂土組成，一般具有成層分布特點.

場地地層分布具有以下特點(見表1)：

表1 土層物理力學性質指標

(1)淺部地層：天山路站場地內(nèi)分布有②3-1層粉砂，③1層淤泥質粉質粘土，④1層淤泥質粘土夾砂質粉土.車站基坑開挖施工時，需重點防治第②3-1層的成槽塌孔現(xiàn)象.

(2)深部地層：本標段深部土層分布相對較為平穩(wěn)，至地表以下15.0 m以下依次分布有⑤1-1層灰色粘土、⑤1-2層灰色粉質粘土、⑤2層灰色粘質粉土夾粉質粘土、⑤3-1層灰色粉質粘土、⑤4層灰綠色粉質粘土、⑦2層灰色粉砂、⑧1層灰色粉質粘土、⑧2-2層灰色粉砂夾粉質粘土，以上各層分布穩(wěn)定，在本標段范圍內(nèi)地層起伏不大.承壓水主要賦存于⑦2層粉砂層、⑧2-2層粉砂夾粉質粘土中，車站基坑開挖需考慮抗承壓水穩(wěn)定.

1.4 周邊環(huán)境

在二倍基坑開挖深度范圍內(nèi)有：長建公寓七層民宅，距離車站南端頭井基坑最近約12.8 m，距離1號出入口基坑最近距離約5.6 m.古北路371弄五層民宅，距離車站標準段基坑最近約14.5 m.新風小區(qū)六層民 宅，距 離車 站標 準段 基坑最近約14.1 m，距離北端頭井基坑最近約11.6 m.古北泵站二層建筑物，距離車站標準段基坑約7.0 m，距離2號出入口基坑約15.1 m，距離3號出入口基坑約17.3 m.巴黎春天四層建筑物，與天山路站換乘通道合建.2號線區(qū)間距離車站南端頭井基坑約19.8 m，距離1號出入口基坑約3.9 m，距離2號出入口基坑約12.7 m.周圍建筑物較多給工程施工加大了難度，也對現(xiàn)場監(jiān)測分析提出了更高的要求.

1.5 基坑監(jiān)測方案及測點布置

天山路站為三層島式站臺，開挖深度H約28 m(見表2)，深度較大.離周邊居民樓建筑物較近，東側長建公寓、新風小區(qū)以及西側新古北泵站等建筑在一倍基坑開挖范圍內(nèi)，同時東側天山路下有預留的2號線換乘通道.因此主體圍護結構的安全等級為一級， 環(huán)境保護等級為一級，監(jiān)測等級為一級.為了該車站的施工順利和周圍環(huán)境的安全對該基坑開挖的全過程進行嚴密監(jiān)測(如圖1)，把監(jiān)測數(shù)據(jù)和警報值對比并判斷是否滿足下一步施工安全要求.全程掌握基坑圍護體系的安全情況，保證開挖過程中基坑一直處于安全可控的狀態(tài).

表2 基坑主要施工階段

圖1 基坑監(jiān)測布點平面圖(局部)

1.6 施工監(jiān)測頻率及報警值

1)監(jiān)測頻率(見表3)

表3 監(jiān)測頻率

2)基坑監(jiān)測報警值(見表4)

表4 基坑監(jiān)測報警值

2 監(jiān)測結果數(shù)據(jù)分析

由于施工場地環(huán)境復雜導致部分測量數(shù)據(jù)不完整，本文選取標準段兩組地表監(jiān)測點(DB3、DB4)，兩個圍護結構深層水平位移監(jiān)測點(CX7、CX8)，和兩個軸力監(jiān)測點(ZCL-5、ZCL-6)開展分析與討論.

2.1 地表沉降數(shù)據(jù)分析

地表沉降隨時間變化曲線如圖2和3所示，由于施工環(huán)境限制導致位于基坑邊緣的DB3-1和DB4-1測點在施工過程中損毀，因此在數(shù)據(jù)曲線圖中沒有列出.圖中曲線中負值代表沉降.可以看出基坑在開挖前，土體未受擾動，土體沉降值基本為零.隨著基坑土體的開挖，施工過程中對土體產(chǎn)生了擾動，同時開挖造成地下水位下降帶走大量土體里的顆粒導致地表沉降逐漸變大.在第六層土層開挖到第七層支撐安裝完畢前這段時間地表沉降最快.在七道支撐全部安裝開始澆筑底板沉降的速度有所變緩，這是因為在圍護結構作用下開挖土體受力從不穩(wěn)定狀態(tài)逐漸回到穩(wěn)定階段.在頂板施工養(yǎng)護完成之后土體的沉降曲線基本為走平，沉降趨于穩(wěn)定.施工過程中DB3測點最大沉降值137.1 mm(DB3-4)，DB4測點最大沉降值143.2 mm(DB4-5)，說明地表沉降最大值并不是位于基坑邊緣[11-12].

圖2 DB3-2～5測點基坑周圍地表施工全過程中沉降隨時間變化曲線

圖3 DB-4-2～5測點基坑周圍地表施工全過程中沉降隨時間變化曲線

圖4和圖5分別為DB3-2～5和DB-4-2～5測點在各工況下的沉降發(fā)展曲線，從圖4和圖5可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，基坑周邊地表沉降持續(xù)增大，在開挖第六層土體時沉降速率達到最大(其中下降最快的分別是DB3-4速率1.47 mm/d、DB4-4速率1.72 mm/d，均未超過報警值)，到坑內(nèi)支撐全部安裝完畢開始澆筑底板時才有所變緩，然后隨著支撐的拆除，地表沉降速率又進一步增大，直到施做頂板后沉降才逐漸趨于穩(wěn)定.此外還可以看出地表最大沉降位置不在基坑邊緣而是位于距基坑邊緣8～10 m(0.3～0.36 H)處.同時各測點的最大沉降值都超出了報警值，尤其在開挖過程中沉降數(shù)值變化最快，因此在后續(xù)開挖中需對開挖方法和圍護結構進行優(yōu)化.

圖4 DB3-2～5測點在各工況下的沉降發(fā)展曲線

圖5 DB4-2～5測點在各工況下的沉降發(fā)展曲線

2.2 圍護結構深層水平位移分析

圖6和圖7分別為CX7和CX8測點地連墻不同深度水平位移曲線，由圖6和圖7可以看出基坑開挖前期地連墻位移呈現(xiàn)出前傾式變形，隨著開挖深度的增加地連墻的位移隨之增加，位移曲線呈現(xiàn)出中間凸向坑內(nèi)兩邊尖的特征隨后逐漸演變?yōu)椤肮毙畏植?在基坑深度0～5 m范圍內(nèi)地下連續(xù)墻出現(xiàn)負值或接近負值，這是由于基坑開挖深度較小，主動土壓力較小，加之坑內(nèi)外的降水不均勻導致.此外，向坑內(nèi)位移小也說明了第一道鋼支撐發(fā)揮了較大的作用.隨著開挖深度的增加，主動土壓力逐漸增大，地連墻的位移也逐漸增加.以CX7測點為例最大水平位移位置從一開始的9.5 m逐漸下移最后穩(wěn)定在29 m左右，最大水平位移值為72.9 mm.CX8測點最大位移位置與CX7相似，CX8測點最大位移位置也在30 m深處，最大位移值為69.7 mm.因此可以得出地連墻最大變形位置不在地連墻上部和底部，而在地連墻的中部.這說明上部混凝土支撐及其他圍護結構和地連墻底部嵌固端發(fā)揮了作用， 一定程度上限制了地連墻的側移.在坑內(nèi)支撐全部安裝完成后，底板、頂板強度達到后，地連墻變形出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，表明底板和頂板對地連墻的側移也有很好的限制作用. 此外，CX7、 CX8兩側點的最大位移均超過報警值，說明對于本項目采用的圍護結構其最危險處位于結構中部，圍護結構位移變形較大，應改善施工質量并提高相應位置支撐的剛度，以減少圍護結構的過度變形.

圖6 CX7測點在不同工況下不同深度水平位移曲線

圖7 CX8測點在不同工況下不同深度水平位移曲線

2.3 支撐軸力分析

因施工原因軸力監(jiān)測部分選取了基坑標準端具有代表性的兩個截面軸力ZCL-5、ZCL-6，共有七層支撐監(jiān)測數(shù)據(jù).第一和五層為混凝土支撐，二、三、四、六、七層為鋼支撐.兩截面支撐軸力隨時間變化曲線見圖8和圖9所示，軸力變化曲線呈波動性，下一層支撐安裝完畢時上一層支撐軸力就會出現(xiàn)趨于穩(wěn)定或下降的趨勢.第一層鋼筋混凝土支撐基本上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，二、三、四層鋼支撐施加初始預應力后發(fā)生快速損失，進行預應力補充后仍出現(xiàn)損失較大的情況，說明預加應力沒有起到較有效的作用.第五層鋼筋混凝土支撐軸力出現(xiàn)快速增長，這是由于此時基坑開挖到中下部，圍護結構向坑內(nèi)發(fā)生較大位移，因而支撐軸力迅速增加.這一階段與地表沉降也能相互對應，地表沉降在此階段沉降速率最大.第六、七層軸力明顯高于其他層且最大值達到4 575 kN，這是因為這兩層支撐最接近地連墻變形的最大位置.當坑內(nèi)支撐全部撐好，開始修筑底板和頂板時各層軸力都逐漸趨于穩(wěn)定.最后，由下至上逐漸拆除各層支撐時，第一層混凝土支撐軸力又再次增大.因此在支撐拆除時需要對基坑加大監(jiān)測，防止基坑發(fā)生較大變形影響基坑結構安全.

圖8 ZCL-4測點各道支撐的軸力時程曲線

圖9 ZCL-5測點各道支撐的軸力時程曲線

3 結論

本文以上海軌道交通15號線天山路車站基坑施工項目為例，通過對地表沉降、地連墻的水平位移、支撐軸力的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得出以下結論.

(1)基坑標準段周圍的地表沉降最大值不在基坑邊緣， 而是在距基坑邊緣8～10 m(0.3～0.4 H)處.基坑周圍土體沉降在開挖前期持續(xù)增大，在開挖至第六層土體時沉降速率最大，到坑內(nèi)支撐全部安裝完畢開始澆筑底板時才有所變緩，然后隨著支撐的拆除，地表沉降速率又進一步增大，直到施做頂板后沉降才逐漸趨于穩(wěn)定.表明在基坑開挖深度到基坑中下部及支撐拆除時，對附近土體的擾動最大，此階段應要加大監(jiān)測頻率，保證基坑施工安全.

(2)地連墻變形與基坑開挖深度、支撐安裝的工藝以及底板和頂板的修筑時間有顯著關系.當開挖深度較淺時，土壓力較小，坑內(nèi)外降水不均勻導致地連墻呈前傾式變形，隨著基坑開挖深度的增加，地連墻的最大位移位置逐漸下移，從一開始的9.5 m下降到最終的29～30 m，維持在地連墻中部，整體變形呈“中間鼓，兩頭小”弓字形狀.

(3)支撐軸力變化與基坑開挖深度、安裝支撐的工序、地連墻變形以及最大位移處的位置有較大關系.在下一層支撐安裝完畢時上一層支撐軸力就會出現(xiàn)趨于穩(wěn)定或下降的趨勢.受底板作用，軸力測點最大軸力都不在最后一層而在第六層.為防止支撐和圍護結構的分離在安裝支撐時要增加監(jiān)測頻率，保證施工安全.鋼筋混凝土支撐在支撐體系中起到了重要作用，底板和頂板的及時施做對基坑的變形也起到抑制作用.