地铁深基坑围护结构变形及内力现场监测

池鹏

【摘要】地铁车站深基坑开挖工程是地铁建设中一个重要课题，开展深基坑围护结构变形规律现场监测及其优化研究具有重要的工程应用价值。本文以北京地铁大屯路公交换乘车站为依托，采用理论分析和现场监测结合的方法，对地铁车站深基坑的变形机理及破坏模式进行了分析，得出了影响深基坑稳定的主要因素，给出了地铁车站深基坑围护结构设计方案和施工监测方案，完成现场监测。

【关键词】地铁车站；深基坑；监测；规律

深基坑工程是一个非常复杂的岩土工程问题，涉及到土层性质、围护结构形式、地基处理、地下水防治以及环境影响等多方面，变形机理复杂变形模式多种多样以及受多种因素的综合影响是深基坑工程的一大特点，基坑开挖引起周围地层移动的主要原因是基底土体隆起和围护墙的位移。深基坑变形主要包括三个部分：墙体变形、基坑底部隆起、基坑周围地表及建筑物的沉降。

本文以北京地铁奥运支线大屯路公交换乘车站深基坑为研究背景，设计基坑开挖及围护方案，并以此为基础设计施工监测方案。结合现场监测资料，重点分析了围护桩变形监测数据，研究围护结构变形的基本规律，同时将锚索受力情况和桩体变形相结合分析，研究围护结构各部分的协同作用。

1. 工程概况

大屯路隧道的地下公交车站位于大屯路红线范围内，沿大屯路隧道走向呈东西向布置，大屯路地下车站与奥林匹克公园站位置见图3.1。本站地面为北京城市中轴线延伸至奥林匹克公园后形成的中轴线广场，广场总宽60m，地面高程45.80m。

3.2 深基坑围护结构设计

综合考虑车站站址环境及周边规划情况，本车站采用明挖施工，如图2所示，

图1 大屯路地下车站位置图

图2大屯路公交换乘车站平面及围护结构布置图

基坑围护结构设计方案有以下四种：

（1）K2+222.041～K3+244.963段，该段基坑接

奥林匹克车站北风道，两侧为地下商业区，地下

商业区基坑土方已开挖完毕，属于大屯路共构段，土方也開挖至冠梁顶标高，不需要坡面支护，冠梁以下围护结构采用φ600@1000mm钻孔灌

注桩+锚杆系统围护形式。

（2）K3+244.963～K3+287.891段，现状大屯路公交换乘车站南侧K3+288.979里程北侧之间长度60m的范围内基坑，采用从地面以下两层放坡开挖，第一层开挖深度5.8m左右，坡比为1：1.25，该部分坡面采用人工刷坡处理，东侧采用挂网喷锚支护，西侧采用挂网喷锚加土钉围护形式以保证基坑稳定；第二层开挖深度为2m到冠梁顶标高，坡比为1：1，采用土钉支护，冠梁顶以下围护结构采用φ800@1200mm钻孔灌注桩+锚杆系统围护形式。该段设计剖面如图3.3所示。

图3.3 K3+244.963～K3+287.891段围护结构剖面图

（3）K2+287.891～K2+295.091段，大部分为大屯路公交节点范围内基坑，地下一层采用放坡开挖，开挖深度9.7m左右，挂网喷锚加土钉围护形式，地下二层宽24.9m、深8.5m左右，采用φ800@1200的钻孔灌注桩+锚杆系统。该段设计剖面如图3.4所示。

图3.4 K2+287.891～K2+295.091段围护结构剖面图

K2+295.091～K3+323.141段，该部分为大屯路公交节点与北集散厅基坑，仅在地面下1.5m进行摘帽处理，长为31.350m，宽为33.299m，挂网喷锚围护，以下均采用φ800@1200的钻孔灌注桩，支撑采用锚索和钢支撑系统。该段设计剖面如图3.5所示。

图3.5 K2+295.091～K3+323.141段围护结构剖面图

3.4 地铁深基坑变形现场监测

（3）监测项目与频率

监测频率的制定参考现场情况、设计要求以及有关规定和其他类似工程的监测频率，除非有特殊情况，例如施工中出现事故、仪器故障或者天气变化等原因，否则严格按照表3.3制定的频率进行监测。

表3.3 监测项目与频率

序号 监测项目 监测方法与仪表 监测范围 测点间距 测试精度 监测

频率

①

基坑内、外观察 现场观察 基坑外地面、基坑地层土质描述围护桩、内支撑 随时进行 —— 1次/1天

②

边坡土体顶部水平位移 经纬仪 边坡顶、底部 长短边中点

且间距<30m 1mm 1次/1天

③

桩体变形 测斜管

测斜仪 桩体全高 长短边中点

竖向间距1m 1mm 1次/1天

④

桩顶位移 经纬仪 桩顶冠梁 长短边中点

且间距<30m 1mm 1次/1天

⑤

锚索拉力 锚索计 锚索端部 长短边中点

且间距<15m <1/100（F，S） 1次/1天

⑥

钢支撑轴力 轴力计 支撑端部或中部 长短边中点

且间距<15m <1/100（F，S） 1次/1天

⑦

桩内钢筋应力 钢筋计 桩体全高 长短边中点竖向间距5m 0.1MPa 1次/1天

⑧

地下水位 水位管

水位仪 基坑周边 基坑四角点长

短边中点 6mm 1次/1天

a.测点位置

桩墙测斜是深基坑位移控制的重要手段。考虑到埋设的难度和量测工作量较大的状况，测点一般布置在围护结构的各边跨跨中。对于较短的边线也可不布设，而对于较大的边线可增至2～3个。

据此，在大屯路公交与地铁换乘车站主体结构基坑长边各选定3根护坡桩作为监测对象见图3.7，图3.8，共6个测点，以了解基坑不同侧壁

的侧向变形情况。

图3.7 监测点布置图

图3.8 围护桩监测仪器安装剖面图

3.5 深基坑现场监测数据分析

基坑监测数据选取具有代表性的位置进行分析，本文选取了CX3以及CX4号围护桩测点和MS1、MS2号锚索测点以及相应位置的钢支撑ZC2-2，ZC3-2的数据进行分析。

3.5.1 围护桩监测数据分析

围护桩关键位置变形图见图3.10。

图3.10 CX3关键位置变形图

由图3.10可见，围护桩在冠梁的位置变形向外倾斜，幅度在整个施工过程中较小，安装了第二

层和第三层钢支撑的位置在施工过程中向基坑内倾斜，并在开挖43天后逐渐增大但是随着工程的进展，趋于稳定。基坑底部在开挖初期变形较大，向基坑外部倾斜，但是在开挖后的43天后逐渐增大但是随着工程的进展，趋于稳定。基坑底部在开挖初期变形较大，向基坑外部倾斜，但是在开挖后的43天开始向基坑内倾斜，并保持稳定。围护桩的桩底在开挖的过程中向基坑内倾斜，但是始终保持稳定。安装了第三层钢支撑的测点，倾斜值在所有测点中是最大的，而且在开挖后的第37天到第46天急剧增大，根据施工记录，此时土方作业进行到第三层钢支撑位置，基坑在这期间开挖到坑底，由于土体的卸载，围护桩在这期间变形增大，由于上部已基本和土体的作用力形成稳定状态，加之第三层钢支撑刚刚安装，所以最大变形便发生在这个位置。在开挖后的第111天，此位置的变形达到最大，约为32mm，考虑到这时刚刚拆除第三层钢支撑，因此变形突然增大是可以理解的。但是随着边墙的浇筑，位移又很快减少，并恢复到安全范围内。

图3.11 围护桩CX3变形曲线

图3.12 围护桩CX4变形曲线

根据图3.11、图3.12反映的信息当基坑开 挖至两米的位置，即安装第一层钢支撑结束时，围护桩最大变形在桩顶，考虑此时锚索和第一层钢支撑均刚刚安装完毕，施加的预应力略有损失，且围护桩大部分还埋在土体中，所以产生这样的变形情况是可以接受的。

CX3、CX4桩身各关键位置位移随施工过程的变化规律分析可知，在有支撑作用的情况下，围护桩体不同深度的水平位移观测可以反映围护桩的实际变形，且其测量受外界影响小，数据结果较稳定，是基坑施工监测的重点项目。因此在工程中应将桩顶水平位移与桩身水平位移的监测结果进行综合分析，测量结果互相校核，可以全面掌握整个基坑的位移状况。另外，围护桩变形最大、最危险的部位不在桩顶，而是出现在基坑中部到2/3基坑深度处。

3.6 小结

深基坑工程的现场监测是深基坑施工中的关键环节，通过现场监测，可以实现深基坑工程的信息化施工。本章完成了地铁车站深基坑工程的现场监测方案，进行了现场监测，研究了围护结构的变形规律，主要结论有：

（1）围护桩桩顶水平变形较大，并在安装了钢支撑的位置有明显的反弯。随着土方开挖的进行，围护桩中部水平变形逐渐增大，而坑底的水平变形较小，基坑的空间效应明显。

（2）钢支撑轴力变化受围护桩水平变形的影响较大，当围护桩水平变形增大时，钢支撑的轴力变化明显。在深基坑施工过程中由于土方开挖以及温度的影响，轴力变化波动较大，钢支撑轴力变化总的趋势是先逐渐增大，而后又逐渐减小。

（3）现场监测结果表明，基坑已经顺利施工完毕，现有的围护结构是可靠的，说明围护结构设计及施工监测方案设计是合理的。

（4）需要指出的是，围护结构变形及应力监测值偏小，说明围护结构设计偏于保守。

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