摘  要：以深圳地铁 5 号线民治站基坑工程为依托，通过对基坑连续墙水平位移及内力的实测分析，系统研究偏压基坑围护结构位移和内力特征，对围护结构稳定性进行评价。测试结果表明：基坑开挖较浅时，两侧墙体上部发生向基坑内的变形，但受列车及路基偏压影响，紧邻铁路侧墙体位移比远离铁路侧墙体位移大，基坑挖至一定深度后，远离铁路侧墙体上部向基坑外移动，且基坑开挖越深，向基坑外变形越大；相同工序、相同深度条件下，紧邻铁路侧墙体弯矩较远离铁路侧大，紧邻铁路侧墙体弯矩最大值位置比远离铁路侧墙体深；根据偏压基坑位移及受力模式，设计上应对基坑两侧支护参数区别考虑。测试结论可为偏压基坑设计施工提供参考。

关键词：地下工程；偏压基坑；连续墙；内力；位移；稳定性

 

      随着我国建设的发展，基坑工程越来越多，由于多种原因引起的偏压基坑也渐为常见。所谓紧邻铁路偏压基坑，是指基坑一侧穿越铁路路堤，造成基坑两侧出现偏压，偏压荷载将导致基坑变形与受力模式发生改变。目前，仍缺少针对偏压基坑设计相关规定^[1-3]。为保证基坑安全，设计往往采取地层加固，围护结构增厚，增加支撑等措施。由于缺少针对偏压基坑围护结构内力的现场测试，进一步细化设计存在困难。因此对偏压基坑围护结构变形与内  力进行现场测试，对偏压基坑设计施工有重要意义。

      基坑施工过程中监测作为必不可少的一个环节，已有大量的实测结果。在基坑围护结构内力现场测试方面，国内外学者采用钢筋计对连续墙钢筋应力进行了测试，根据钢筋应力对连续墙内力进行计算，得出对称条件下连续墙受力模式^[4-5]，但针对偏压基坑围护结构内力测试则尚未见报道。近几年来，林 刚等^[6-7]采用数值方法对偏压基坑进行研究，得出一些不平衡堆载条件下基坑围护结构变形与受力的相关结论。

      本文以深圳地铁 5 号线民治站基坑工程为背景，选取典型断面，进行偏压基坑围护结构位移与内力测试，获得围护结构变形与受力特征，可供类似工程设计及施工参考。

 

      深圳地铁 5 号线民治站，紧邻平南铁路，平行铁路长度 310 m。采用明挖施作，基坑北侧围护结构进入铁路坡脚 2 m，南侧为平地，平面示意图如图 1 所示。

      铁路路基顶部高于基坑开挖地面 7～9 m，不但存在较大偏压，而且还受到列车动荷载的影响。基坑底板埋深 16.9 m，标准断面基坑宽度 19.6 m。车站主体围护结构采用地下连续墙，北侧和南侧连续墙厚度分别为 1.2，1.0 m，嵌入深度分别为 8.0，6.5 m。为保证平南铁路行车安全，基坑开挖前采用钢管桩和预应力锚索对铁路进行加固。连续墙外侧地层注浆加固，北侧连续墙中部设 2 排预应力锚索。支撑共设 4 道，第一道为 0.8 m×1.0 m(宽×高)的混凝土支撑，第二、三、四道支撑分别为钢撑 1，2，3，采用直径 600 mm，厚 16 mm 钢管^[8]。车站范围内土层依次为素填土、砾质黏性土和全风化花岗岩、中风化花岗岩，基坑断面图如图 2 所示。

      结合现场施工，针对 1–1 和 2–2 断面进行连续墙的水平位移、内力和支撑轴力监测。连续墙水平位移采用测斜管进行。根据现场列车振动对于基坑围护结构的影响测试结果，在实际采用列车限速60 km/h 条件下，列车动载的影响不明显^[9]，连续墙内力通过墙体中预埋混凝土应变计测得，采用JMZX–215 型埋入式混凝土应变计，自动温度补偿，未采用动态应变计。内力测试应变计固定在钢筋笼的主筋上(保护层约 12 cm)，具体布置如图 3 所示。为详细掌握偏压基坑连续墙受力情况，1–1 断面北侧墙中比南侧墙多布置 3 对应变计，连续墙中部受力相对较大，因此中部测点布置较两端密集。混凝土支撑与连续墙冠梁刚接，在 3 个不同位置上、下缘分别布置应变计 HS1，HS2，HS3 和HX1，HX2，HX3。钢支撑表面上、下缘各布置一对 JMZX–212型表面应变计(GS1，GS2，GS3 和 GX1，GX2，GX3)。与 1–1 断面相比，2–2 断面测点适当减少。图 4为连续墙内测斜管和混凝土应变计现场布置照片。

      应变计预埋后，采用综合测试仪测出各点应变初值，开挖期间记录各点变化值，根据各点应变变化值计算各点内力。2 个断面连续墙内各点元件先后于 2009 年 1～3 月预埋完成，4 月底开始测试，11 月中旬结束。

      1–1 和 2–2 断面基坑施工状况如表 1 所示。

      图 5 为测斜仪所测得 1–1，2–2 断面基坑墙体水平位移图，向基坑内方向为正，基坑外方向为负。

      从图 5(a)中可知，墙体变形整体规律为中间大两头小。随着基坑开挖，连续墙水平位移逐渐增大，挖至基坑底后，变形基本稳定。北侧墙整体向基坑内侧运动，且位移量随基坑开挖深度增大而增大。施加钢撑 1 后，0～6 m 段墙体位移增长减缓，埋深6～15 m 段位移仍有较明显增大。开挖 10～14 m 段期间，10～15 m 段墙体位移增长尤其明显。施加钢撑 2 到挖至坑底期间，墙体位移变化很小。北墙最大位移为 26.2 mm，位于埋深约 14 m，处于钢撑 3和底板之间。南侧墙上端随着基坑开挖逐渐呈现向基坑外侧运动，中、下端向基坑内侧运动。向基坑外侧运动的最大位移为－7.5 mm，位于冠梁顶，向基坑内侧运动最大位移为 8.5 mm，位于深度 11 m，处于钢撑 2 和 3 之间。说明路基偏压对基坑围护结构变形影响明显，使基坑围护结构向远离铁路侧偏转。

      由图 5(b)可知，2–2 断面北墙水平位移趋势和1–1 断面一致，最大值为 50.9 mm，位于深度 11 m处。基坑开挖 6 m 后，断面南墙上部出现向基坑外侧的变形，随着基坑开挖深度增大，墙体上部向基坑外变形趋势增大，最大值达 40 mm，下部向基坑内侧位移，最大值达 14.3 mm。变形稳定后，南墙9 m 以上墙体向基坑外侧移动。

      1–1，2–2 断面测试结果表明，紧邻铁路偏压基坑连续墙变形模式为：受铁路路堤偏压影响，相同工序及深度情况下，紧邻铁路侧墙体水平位移比远离铁路侧墙体水平位移大。基坑挖至深度约 5 m 后，远离铁路侧墙体上部向基坑外侧移动，随着基坑开挖深度增大，向外移动的趋势增大。而对称基坑变形模式为两侧墙体变形对称分布，如图 6^[1]所示。

      这里主要给出 1–1 断面各测点应变随时间的变化情况如图 7 所示，图中正值为拉应变，负值为压应变。

      由图 7 可见，总体上墙体内侧受拉外侧受压，各点应变随基坑的开挖不断增大。北墙各点应变变化规律为：受压侧，位于墙体中部的 W5 测点压应变最大，增长较快；受拉侧，N5，N6 点拉应变大小相当，比其余各点增长快，其余各点应变为－73～181 με，随基坑开挖变化较小。南墙规律类似，位于墙体中部的 W11，W12，N11，N12 应变比其余各点大，增长较快；其余各点的应变在－130～56 με，增长速度比上述各点小(突变数据除外)。

      综合分析可知，各点应变随基坑开挖不断增大，不同测点增长速率不同，连续墙中部测点增长速率明显大于两端测点。基坑开挖到底部之后，多数测点应变基本稳定，同时段相同埋深测点北墙应变大于南墙应变。

      混凝土支撑各点应变随时间变化曲线见图 8(a)。测试结果显示，HS1，HX3 测点在基坑挖至 10 m(2009 年 6 月 19 日)之前受压，且应变很小。基坑挖至 10 m 后，应变向拉应变发展。HS2 测点受压，随基坑开挖增长，开挖 6～10 m 段，该点应变基本稳定，架设钢撑 2 后，向拉应变发展。HS3，HX1，HX2 测点压应变随基坑开挖不断增长，中板施作(2009 年 10 月 16 日)后应变有所减小，最大压应变为－738 με，位于 HS3 测点处。

      综合分析可知，混凝土支撑内各点应变随基坑开挖不断增大，且出现较大拉应变。

      图 8(b)为钢撑上各点应变随时间变化曲线。钢支撑应变数据显示，GS1 应变为负(受压)，GX1 应变为正(受拉)。挖至坑底(2009 年 8 月 31 日)前，GS1 应变增至 57 με，且增长平缓。GX1 点压应变在挖至坑底后最大增至－127 με，在主体结构施工期间基本不变。钢撑 2 应变很小，如图 8(b)所示。

      根据测得应变数值，计算连续墙弯矩，如图 9所示，图中规定使墙体内侧受拉弯矩为负。

      由图 9(a)可见，开挖 6 m 时，北墙中最大弯矩位于 2^#测点处，南墙最大弯矩位于 10^#测点处，北墙最大值位置较南墙深。开挖至 10 m 时，北墙弯矩增长明显，南墙弯矩增长不大。设钢撑 1 后，连续墙弯矩继续增长，但 4^#测点处弯矩增长不大，南墙埋深 5～10 m 段弯矩大幅增长。基坑挖至 14 m，北墙 5～10 m 段弯矩稍有增长，10～15 m 段弯矩增长明显，南墙规律亦然。设钢支撑 2 后，各测点弯矩仍有不同程度增大，北墙中位于钢支撑处的 2^#，4^#测点受支撑约束弯矩基本不变。当挖至坑底时，南墙 10～15 m 段弯矩剧增，最大值达－1.116 MN·m。2–2 断面弯矩计算结果如图 9(b)所示。比较图 9(a)，(b)可知，2–2 断面弯矩随基坑开挖变化规律和 1–1 断面类似。相同工序、相同深度条件下，2–2 断面北墙弯矩较 1–1 断面北墙弯矩小，南墙弯矩大小相当。

      图 10 为 2–2 断面主体结构施工阶段墙体弯矩图。由图 10 可知，南墙 10～15 m 段弯矩在施作底板前稍有增长，此外，弯矩在主体施工过程中基本稳定，随底板、中板、顶板的施作以及支撑的拆除，有微小波动。

      紧邻铁路偏压基坑连续墙弯矩规律可总结为：随着基坑开挖，墙体弯矩不断增大，主体结构施工期间，墙体弯矩基本稳定。相同工序、相同深度条件，紧邻铁路侧墙体弯矩较远离铁路侧大，两侧墙体弯矩最大值之比为 2～3。结合变形模式，应对两侧墙体强度单独考虑，远离铁路侧出现被动区应考虑对其加固。

      应变测试结果表明，受偏压影响，支撑为偏心受压，与连续墙冠梁刚接的混凝土支撑承受弯矩。对 1–1 断面混凝土支撑各测点的轴力和弯矩进行计算分析，如表 2 所示。

      由表 2 可知：(1) 基坑挖至 6 m 时混凝土支撑平均轴力达 3 443 kN，基坑挖至 10 m 时，轴力增大至 4 815 kN，说明混凝土支撑受力较大。钢支撑 1，2 测试轴力不大，随工序变化很小，平均轴力分别为 903，681 kN。(2) 各点弯矩随基坑开挖深度增大而增大。位于中间的 H2 断面弯矩比两端的 H1，H3断面小，说明偏压使得混凝土支撑在其与连续墙接点位置产生较大弯矩。

      综合分析支撑内力可知，随着基坑的开挖混凝土支撑轴力增长明显，钢支撑轴力比混凝土支撑轴力小，随基坑开挖深度增长变化不大。第一道支撑采用混凝土支撑，有较大承载能力且可将两侧墙体连成整体提高围护结构的整体稳定性。

 

      采用规范^[10]配筋截面计算墙体抗弯承载力，可得极限弯矩为 4 695 kN·m，基坑开挖完成后墙体安全系数如表 3 所示。

      由表 3 可见，1–1 断面北墙测点最小安全系数为 1.6，南墙测点最小安全系数为 4.2。2–2 断面北墙测点最小安全系数为 1.2，南墙测点最小安全系数为 3.9。结合施工过程监测结果可知，围护结构稳定性得以保证。