地鐵深基坑施工動態(tài)監(jiān)測及應用

高勝奎

（中鐵二十二局集團軌道交通有限公司，北京 100043）

1 地鐵深基坑施工動態(tài)監(jiān)測及應用的性質(zhì)及概述

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市的發(fā)展得到了帶動，基礎設施不斷完善，作為城市重要交通設施的地鐵飛速崛起。根據(jù)當前情況來看，大多數(shù)的城市都在建設的地鐵軌道工程，特別是在發(fā)達城市和新興城市，地鐵建設形成了新的高峰期[1]。面對城市復雜的地下環(huán)境，必須采用信息化技術為地鐵項目工程的實施做支撐，而運用信息化技術的重要步驟，就是深基坑施工的動態(tài)監(jiān)測和應用。根據(jù)一般定義來說，深基坑工程是深基坑底部的面積在27m2以內(nèi)，底部的長邊小于3倍的短邊，開挖的深度超過5m（含5m）或者地下室三層以上（含三層），或者雖然開挖的深度沒有超過5m，但是地質(zhì)環(huán)境特別復雜的工程。同時，深基坑工程是地鐵建設的核心工程，深基坑的建設質(zhì)量影響著地鐵工程的進行。在深基坑工程開挖之前，要先根據(jù)設計文件及現(xiàn)場實際情況確定好監(jiān)測點位置，這些監(jiān)測點包括地上的建筑物、地下的管道和線路、地表沉降、支護結構水平及豎向位移、支撐應力等。地鐵深基坑的挖掘過程中，必須做好對深基坑周圍環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測，并同步施工支護結構。除此之外，進行檢測工作的相關部門要及時上報相關的檢測數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)設計相關方案，之后的深基坑施工過程都應該嚴格按照方案實行。隨時對施工過程中的情況進行全方位的監(jiān)測，為地鐵施工項目提供相關的數(shù)據(jù)，使工程能夠根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋實時調(diào)整施工方案和施工工藝，加強深基坑相關防護，盡可能避免重大事故的發(fā)生，減少地鐵建設和城市發(fā)展的損失，從而保證地鐵深基坑工程的順利進行[2]。

2 地鐵深基坑工程水文地質(zhì)概況

2.1 土質(zhì)情況巖土層巖性特征

本文以地鐵大墩站為例。

（1）海陸交互沉積層。淤泥質(zhì)土本層零星分布在場地內(nèi)，多呈透鏡體狀分布在淤泥與粉細砂之間?；液谏?、深褐灰色，流塑狀，主要由黏粒、粉粒組成，含貝殼等，局部夾淤泥，個別鉆孔含多量有機質(zhì)，按有機質(zhì)含量分類該層亦屬泥炭質(zhì)土。

（2）沖洪積層。礫砂層本層呈透鏡體狀分布在場地內(nèi)。淺灰、褐黃色，飽和，松散～中密，級配良好，以石英砂礫為主，含有少量黏粒，磨圓較差，呈次棱角狀。平均層厚為2.48m。

（3）第四系殘積層。軟可塑狀碎屑巖殘積土多數(shù)呈棕色，少量褐紅色，為古近系碎屑巖泥質(zhì)粉砂巖、細砂巖風化殘積土，以粉黏粒為主，含少量粉細砂，呈可塑狀。本層在場地廣泛分布，主要分布在基巖頂部。硬塑狀碎屑巖殘積土呈棕色、褐黃色，褐紅色，為新近系碎屑巖泥質(zhì)粉砂巖、細砂巖風化殘積土，以粉黏粒為主，局部含較多砂粒，呈硬塑狀，韌性及干強度中等，遇水易軟化。

（4）強微風化巖層。強風化巖層巖性主要呈棕紅色、褐紅色、深灰色等色，母巖為新近系碎屑巖泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細砂巖等。本次標準貫入試驗實測擊數(shù)51～58擊，平均54.90擊。本層在個別鉆孔零星有分布。

（5）水文地質(zhì)條件。大墩站地貌上屬于海陸交互相沖洪積平原地貌，所揭露第四系地層為人工填土層，海陸交互相沉積層、沖積～洪積砂層、土層及殘積土層，基巖為古近系碎屑巖，地下水位的變化受地形地貌和地下水補給來源等因素控制，地下水位埋深較淺[3]。松散土層孔隙承壓水第四系含水層主要為沖積～洪積砂層層、海陸交互相砂層，其富水性和透水性與砂土顆粒組成有關，砂質(zhì)顆粒越粗，分選性好，砂質(zhì)純凈，富水性好，徑流通暢，透水性強，反之則差?；鶐r裂隙水本段基巖裂隙潛水主要賦存在基巖強風化帶和中風化帶以及巖體中的節(jié)理裂隙帶之中，地下水的賦存條件不均一，主要與巖性、巖石風化程度、裂隙發(fā)育程度等有關。補給來源主要靠大氣降水和地表水補給以及砂層的越流補給。水文的腐蝕性評價場地地下水對混凝土結構具微腐蝕性，對混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性。

2.2 圍護結構設計及施工簡述

地鐵深基坑結構標準段采用三道支撐：第一道混凝土八字撐，第二道撐、第三道支撐為鋼支撐；兩端盾構擴大頭及一、二期施工分界處處采用三道混凝土支撐：第一道混凝土支撐，第二道、第三道支撐。

3 數(shù)值模擬分析及數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.1 三維數(shù)值模型

基坑支護體系由單排鉆孔灌注樁和3道支撐組成，單排鉆孔灌注樁的直徑為1.0m，中心間距為1.5m；第1道內(nèi)支撐為鋼筋混凝土支撐，截面寬高為0.8m×1.0m，支撐間距為9.0m；第2道、第3道內(nèi)支撐為?609mm鋼支撐，管壁厚度為16mm，間距為3.0m。采用等厚度板結構對鉆孔灌注樁進行模擬，經(jīng)過換算得到等效厚度為730mm，深度為24m，鋼筋混凝土支撐和等厚度板結構的容重均按25kN/m3取值，剪切模量為12.85MPa，彈性模量為30MPa，泊松比為0.25；鋼支撐的容重按78.5kN/m3取值，剪切模量為8100GPa，彈性模量為210MPa，泊松比為0.30；土層采用摩爾-庫倫模型進行模擬。建立三維數(shù)值模型時，為了進行合理的模擬計算，根據(jù)圣維南原理和平面應變，可沿基坑縱向截取1倍基坑開挖深度范圍進行計算；為了消除邊界效應，模型的水平方向尺度一般為基坑開挖深度的5倍，垂直方向尺度一般為基坑開挖深度的4倍。為了更好地模擬支護段圍護結構應力及基坑變形，將模擬過程與施工順序相結合，每個開挖階段模擬為一個工況。具體工作條件如下：工況1，激活圍護樁和周邊荷載，開挖基坑至3m，澆筑第1道鋼筋混凝土；工況2，繼續(xù)開挖基坑，直至挖至第2道鋼支撐以下0.5m，設置第2道鋼支撐并施加預應力約400kN；工況3，開挖基坑至第3道鋼支撐以下0.5m，設置第3道鋼支撐并施加預應力約450kN；工況4，開挖深度至16.64m，并施作封底混凝土[4]。

3.2 動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

（1）樁頂水平位移和豎向位移。受基坑開挖影響，且前期開挖過程中施做支撐的速度較慢，基坑內(nèi)外壓力差增大，導致墻頂水平位移及豎向位移受土壓力變形較大；隨著基坑底板完成，變形速率明顯緩和，變形趨于穩(wěn)定收斂狀態(tài)。

（2）深層水平位移。連續(xù)墻深40m，而測點深度為30m，受基坑開挖影響，測點底部起算點受到變形，從而改用頂部管口起算，隨著基坑開挖，變形數(shù)據(jù)分析得知開挖深度以下17.5m為變形最大部位，變形一直持續(xù)增大，直到底板完成后，變形得到控制，變形速率穩(wěn)定，變形逐步收斂。

（3）支撐軸力。受基坑開挖影響，且前期開挖過程中施做支撐的速度較慢，基坑內(nèi)外壓力差增大，隨著基坑開挖，現(xiàn)場未及時施做支撐，導致相鄰的部位結構受力明顯增大；測點ZCL5-1、ZCL10-1達到紅色預警，測點ZCL12-1達到黃色預警；隨支撐的架設以及基坑底板完成，變形收斂并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）地下水位?；娱_挖到基坑完成整個過程，由于現(xiàn)場處于河涌邊，地下水資源豐富，沒有出現(xiàn)開挖水位下降枯水的情況，開挖期并處于雨季漲潮期，造成開挖過程中甚至有稍微水位上升，整體看地下水位較為穩(wěn)定，并未受到基坑開挖的影響。

（5）地表沉降。基坑開挖及施工過程中，交通疏道上的監(jiān)測點均受到重型車的碾壓均已發(fā)生下沉累計最大-148.2mm，隨基坑內(nèi)降水開挖影響，基坑內(nèi)外土壓力差增大，變形持續(xù)增大，在完成第一道支撐后，變形速率得到緩慢，然而隨著第三層土方開挖，變形繼續(xù)增大，直到底板完成后，變形收斂并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

（6）基坑巡視情況。基坑開挖前周邊環(huán)境巡視，周邊環(huán)境局部有凹陷，現(xiàn)場施工路面有裂痕；隨著基坑開挖，連續(xù)墻出現(xiàn)輕微滲水，現(xiàn)場施工路面裂痕增多增大，擋土墻后土體出現(xiàn)輕微沉陷，圍蔽出現(xiàn)細小裂痕，其余尚無明顯變化。

4 地鐵深基坑工程的相關施工方案

在地鐵的深基坑工程開挖之前，必須對周圍復雜的環(huán)境、土質(zhì)結構以及深基坑的內(nèi)部情況進行監(jiān)測，之后根據(jù)監(jiān)測的結果來設計方案，方案的主要內(nèi)容包括：坑壁支護、坑邊負荷、排水措施、上下通道、土方挖掘、作業(yè)環(huán)境等。在坑壁支護方面，基坑深度和周圍施工的環(huán)境不同，采取的支護體系方案也就會不同，根據(jù)基坑的深度來進行原狀土放坡，當深基坑的深度小于3m時，可以采取一次性放坡的方式。當深基坑的深度在4～5m時，可以采用分級放坡的方式。為了保證邊坡的穩(wěn)定，必須明挖放坡，根據(jù)地質(zhì)情況也可以使用支護樁、土釘墻或者在地下連續(xù)墻的方式為邊坡的穩(wěn)定作保障。在坑邊負荷方面，在坑邊堆放土方材料和施工設施時，必須嚴格按照監(jiān)測結果進行擺放，避免造成坍塌或者高空墜物而發(fā)生危險，超過坑邊負載而引起的后果將難以設想。通常情況下，堆置的土方材料和施工設施距離坑槽的上部邊緣不得低于1.2m，高度不得高于1.5m。在排水措施方面，由于降雨或者在發(fā)掘過程中挖出地下水，深基坑常常發(fā)生積水的情況。深基坑積水不僅會影響作業(yè)，嚴重情況下甚至會導致坍塌和地面沉降，因此，做好深基坑的排水措施至關重要。對深基坑積水的控制方式通常有排水和降水。通過建造集水井，將水匯集于集水井中，之后采用水泵將水抽走，最終達到排水和降水的目的。在上下通道方面，必須根據(jù)地下的情況，建造班組人員專用通道。在地鐵項目施工過程中，禁止班組人員隨意攀爬手架，按照要求從專用通道通過。專用通道的攀登設施可以搭建專門的梯子來保證可視條件，并且應當符合高處作業(yè)規(guī)范中關于攀登方面的要求，最大限度保障班組人員的安全。在土方挖掘方面，所有施工機械必須按照相關要求按順序進入施工現(xiàn)場，并且經(jīng)過有關部門的檢查確保機械合格[5]。

5 動態(tài)監(jiān)測產(chǎn)生的結果以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的應用

在對復雜環(huán)境下地鐵深基坑工程進行動態(tài)監(jiān)測時，必須按照監(jiān)測方案中的監(jiān)測頻率對工程自身及周邊環(huán)境進行監(jiān)測，及時向相關部門上報超出監(jiān)測預警值的情況，并發(fā)布預警警報。各部門對監(jiān)測結果進行調(diào)查和分析，提前做好防護措施，從而通過運用動態(tài)監(jiān)測來減少基坑危險的發(fā)生，保證班組人員的安全，維護地鐵施工項目的正常進行。動態(tài)監(jiān)測可能會產(chǎn)生多種多樣的結果。對周圍建筑物的動態(tài)監(jiān)測來說，通常情況下，建筑物會隨著深基坑的施工發(fā)生不同程度的沉降，因此，需要加大對沉降程度的關注。相關的勘察人員要時刻關注地表的變化，一旦出現(xiàn)地表裂縫等情況時，必須加固地下的防護。對于土質(zhì)結構的動態(tài)監(jiān)測來說，要對土質(zhì)的疏松程度、土質(zhì)中的水分含量以及土體變化進行監(jiān)測。也可以根據(jù)土體的變形方向繪制曲線圖，更加宏觀地反應土質(zhì)結構的變化，為深基坑工程提供客觀的數(shù)據(jù)。關于水位的動態(tài)監(jiān)測方面，應當在深基坑外設置一定的水位監(jiān)測監(jiān)測點，實時反映地下水位深度變化，據(jù)此來進行之后工程的實施方向。關于深基坑的支護體系的動態(tài)監(jiān)測方面，因為基層坑挖掘過程必然伴隨著樁體的移動，所以必須隨時對支護體系進行監(jiān)測，從而保障支護體系的穩(wěn)定性。除此之外，還有多種方面都在動態(tài)監(jiān)測的考量范圍之內(nèi)，必須盡可能地做好全面對地鐵深基坑過程周圍環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測，避免疏忽和遺落。全面的運用監(jiān)測結果和數(shù)據(jù)，對各項的監(jiān)測結果進行比較和分析，對可能發(fā)生的事故做好對應的解決措施，在科學的控制下保證地鐵深基坑工程的實施。

6 結語

地鐵工程是建筑工程中施工占地面積廣、施工技術復雜、深基坑挖掘難度大的項目。并且伴隨著城市的快速發(fā)展，城市地鐵工程所處的環(huán)境日益復雜，所以作為其重點的深基坑工程成為地鐵工程項目是否能夠順利實施的關鍵。因此，在工程進行的過程中，必須正確運用深基坑的動態(tài)監(jiān)測技術，為地鐵施工項目進行提供保障。施工團隊應當加大對深基坑的科研投入，提高深基坑的動態(tài)監(jiān)測技術，從而提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準度。同時進行深基坑的動態(tài)監(jiān)測時，要選擇恰當?shù)谋O(jiān)測點，全方位的監(jiān)測各個周圍環(huán)境，促進未來地鐵工程的可持續(xù)發(fā)展。