摘 要: 研究目的: 城市地铁换乘车站基坑施工难度大，维护结构安全性和稳定性尤为重要。针对某换乘车站工程地质条件、周边建筑环境和工艺特点，选取合适的围护方案和水平支撑体系。采用现场测试方法，分析基坑围护桩水平位移和钢支撑轴力变化规律，得出城市地铁换乘车站基坑支护有益结论，为相类似工程提供借鉴。

          研究结论: 基坑开挖过程中，围护桩的变形随着开挖深度的增加而增大，由于桩顶设置有冠梁，围护桩变形最大值出现在开挖深度的中下部，随着开挖深度的增加，最大位移值的位置也随之下移。支撑轴力值在开始时增加量很大，随着基坑的开挖和下一道支撑的安装，变化幅度不大; 施工过程中各道支撑的实测轴力占设计值百分比均小于 70%。

关键词: 换乘车站; 围护结构; 钢支撑; 现场测试

 

      地铁换乘车站深基坑的设计和施工及支护结构的稳定性研究已成为地铁建设过程中所必须面对的课题，如何合理设计基坑支护和施工方案，做到既安全可靠又经济合理，已成为目前岩土工程界的重要研究课题之一^{［1 －2］}。

 

      站区岩土层自上而下依次为:

      ( 1) 杂填土、素填土———地表为路基层，绿化带内为耕植土，均为黏性土组成，含白灰渣及少量砖瓦碎块，疏密不均。坚硬 ～ 可塑状态，站内地表大量分布，属中压缩性土，整体具湿陷性，厚度为 0． 40 ～3． 20 m。

      ( 2) 新黄土———褐黄色，虫孔发育，见少量蜗牛壳碎片，可塑 ～ 软塑状态，以可塑状态为主，属饱和黄土，站内连续分布，属中压缩性土，厚度为 1． 90 ～6． 50 m。

      ( 3) 粉质黏土———褐黄色，含少量铁质条纹及结核，可塑状态，具微层理，夹 ＜3 －6 ＞ 粉细砂及 ＜3 －7 ＞中砂薄层或透镜体。属中压缩性土，厚度为 15． 70 ～16． 10 m。

      ( 4) 中砂、细砂———灰黄色，长石 － 石英质，可塑状态，级配不良，混少量粉土，局部表层为薄层粉土，见少量云母片，具微层理，饱和，中密 － 密实状态，厚度0． 30 ～ 3． 30 m。

      ( 5) 粉质黏土———灰黄色、灰绿色，含少量铁质条纹及结核，可塑状态，具微层理，中压缩性土，厚度11． 90 ～ 15． 20 m。

      车站周围建筑物较多、管线丰富，主体基坑施工可能对建筑物的影响较大，周边建筑物如表 1 所示。

      根据车站地段的工程地质和水文地质及城市规划要求，结合周围环境并考虑工期等因素，通过对技术、经济、环境影响及施工功能等方面的综合比较，合理选择基坑围护形式和水平支撑体系^［3］。

      车站基坑深度两层车站约为 16． 6 ～17 m，三层车站约为 22． 8 ～ 23 m。施工场地局促，岩层稳定性较差，周边建筑物、构筑物及地下管线较多。基坑侧壁安全等级: 4 号线两层车站为一级，5 号线三层车站及节点为特级。

      按照类似地下工程施工经验，一级基坑的支护形式不宜采用重力式挡土墙、喷锚支护等方案，一般宜采用挖孔桩、钻孔桩、连续墙形式。各种支护形式的适用性及经济性有较大差异，因此支护形式的选用应综合考虑，因地制宜。三种支护形式及其优缺点和经济技术比较如表 2 所示。

      经过分析，鉴于地层中存在流塑状新黄土、砂层，且砂层位于地下水位以下，人工挖孔桩存在一定的施工风险，故不予考虑。鉴于连续墙造价比钻孔桩高且本站地下水富水程度一般，无需采用连续墙，故选择钻孔桩加桩间高压旋喷止水为围护结构推荐方案。围护结构嵌固深度 4 号线暂取 7 m，5 号线暂取 11 m。

      围护结构的水平受力体系有两种形式，分别为锚杆和内支撑。两种方案的比较如表 3 所示。

      基坑周边建筑物较密集，如果采用预应力锚杆，则锚杆施工时可能会遇到建筑物的基础，而且将来车站周边新建建筑物的基础也会受到锚杆的影响，采用内支撑则可以避免这种不利影响，因此支撑拟采用钢管内支撑的方案。支撑体系采用钢管内支撑体系，腰梁采用组合型钢腰梁。钢支撑沿基坑竖向 4 号线设置三道，5 号线设置四道。支撑采用 Ф600 的钢管支撑，钢管内支撑的优点是安装简单，施工速度快，能够根据设计的要求施加所需的预应力，对围护桩迅速地起到支撑作用。并可以根据需要在钢支撑上安装测力仪器，监测其应力变化，实现信息化施工。从经济上看，钢支撑可以租用，从而节省支撑的费用，该方案在地铁等深基坑工程中应用广泛^{［4 －5］}。

      基坑支撑平面布置如图 1 所示。

      根据基坑开挖的深度、支护结构的特点、所处的周边环境条件及设计、招标文件的要求，监测项目包括以下 6 项主要内容: 现场观察( 包括裂缝观测) ; 围护桩水平位移监测( 测斜) ; 钢支撑轴力的监测; 道路路面( 地下管线) 沉降监测; 相邻建筑物沉降、倾斜及裂缝的监测; 坑外地下水位监测。本文只分析前面 2 项。

      监测周期: 从基坑土方开挖到地下室侧壁回填的全过程。

      依据设计和招标文件的要求，监测频率设置原则上做到一日一测，具体监测频率可视监测信息反馈结果进行适当调整。

      沿支护结构每隔 20 m 或 30 m 左右布设一个测点，3 倍开挖深度范围内存在建筑物的区段每隔 20 m左右设一观测点，其余区段每隔 30 m 左右设一观测点。共布置 14 个监测孔。测斜管埋深与支护结构体深度一致，在孔深范围内每隔 1． 0 m 为一测点。

      为了及时掌握支撑轴力随施工工况变化的情况，确保支撑系统安全可靠，在支撑体系上选择布设 7 个支撑轴力监测断面进行 25 个支撑轴力的监测。钢支撑在每个监测点上安装一只钢支撑反力计。

 

      为了利用监测值来判断支护结构以及周围建筑物的安全，必须设置监测管理基准值即施工安全警戒值。一般以设计值或设计者提出的允许值为基准，然后建立绝对值或变化速率的安全系数，并根据安全系数的大小设置不同等级的警戒水平^［3］。支撑轴力达到设计值的 70%需上报监理单位，以进行现场复核、确认。本工程各监测项目的报警值与警戒值如表 4 所示。

      桩体的水平位移是工程监测的一个主要内容，基坑共埋设了 14 个测斜孔。选取其中具有代表性和监测数据较完整的 2 个测斜孔( 4 号线: CX7; 5 号线:CX8) 进行测斜数据分析，监测结果如图 2、图 3 所示，从中可以看出:

      ( 1) 4 号线、5 号线基坑水平位移最大的两桩体CX7、CX8( 图 2 图 3) 的累计最大位移为 5． 0 mm 和6． 4 mm，远小于设计规定的 0． 1% H 或 30 mm 的最小值。

      ( 2) 当基坑土体被开挖后，基坑围护结构由于桩后土体的作用，产生了相应的变形，且支护桩的变形随着开挖深度的增加而增大。开挖深度大的 5 号线两桩体的位移均大于 4 号线桩体的位移。

      ( 3) 由于桩顶设置了冠梁，限制了桩顶的水平位移，所有桩在开挖过程中桩顶不产生向基坑内的位移; 在整个开挖过程中围护桩的位移曲线为“弓形”，最大值出现在开挖深度的中下部，随着开挖深度的增加，最大位移值位置下移，当开挖到设计深度时，4 号线基坑CX7 桩最大值出现在 18． 5 m，5 号线基坑 CX8 桩最大值出现在 12． 5 m。

      设计中 5 号线基坑支撑采用四道钢支撑、4 号线基坑采用三道钢支撑，在 7 个断面中选取 25 个支撑轴力进行监测。

      各支撑轴力变化图如图 4 ～ 图 7 所示，施工进程中各支撑轴力最大、最小值分析如表 5 所示。

      从图 4 ～ 图 7 可以看出: 在基坑的施工过程中，第一道支撑轴力最大，但最大也仅为 452． 3 kN，而当第二道支撑加上后，两道支撑的增加速度明显减慢，曲线变得平缓，趋向稳定。支撑轴力的最大、最小值比值在1． 2 ～ 2． 6 范围内，变化不大。

      整理支撑轴力监测资料，找出各道支撑的最大值，并与本工程的设计轴力进行比较，如表 5 所示。

      可见，施工过程中各道支撑的设计轴力与实测轴力之比在1． 55 ～14． 41 之间，即 F_s= R_设/ R_max＞ 1． 2; 实测轴力与设计轴力的百分比为 6． 85% ～ 64． 61% 之间，均 ＜70%，未达到警戒值，基坑工程处于安全。

 

      ( 1) 基坑开挖过程中，实测到的围护桩的最大水平位移为 6． 4 mm，远小于设计规定的 0． 1% H 或30 mm 的最小值，说明设计方案偏于保守，但本工程的基坑开挖及支护完全满足要求。

      ( 2) 基坑开挖过程中，围护桩的最大位移与开挖深度、时间以及钢支撑的施作有着密切的联系。围护桩的变形随着开挖深度的增加而增大。由于桩顶设置有冠梁，整个开挖过程中围护桩的位移曲线为“弓形”，最大值出现在开挖深度的中下部，随着开挖深度的增加，最大位移值的位置也随之下移。

      ( 3) 各支撑轴力值在开始时增加量很大，随着基坑的开挖和下一道支撑的安装，变化幅度不大; 开挖施工过程中各道支撑的实测轴力与设计轴力的百分比在6． 85% ～ 64． 61% 之间，均小于 70% ，未达到警戒值。

 

［1］ 黄强． 深基坑支护工程设计技术［M］． 北京: 中国建材工业出版社，1995．

Huang Qiang． Design of Deep Foundation Pit SupportEngineering Technology［M］． Beijing: China BuildingMaterials Industry Press，1995．

［2］ 刘建航，侯学渊． 基坑工程手册［M］． 北京: 中国建筑工业出版社，1997．

Liu Jianhang，Hou Xueyuan． Foundation EngineeringHandbook ［M］． Beijing: China Building IndustryPress，1997．

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［4］ 霍润科，颜明圆，宋战平． 地铁车站深基坑开挖监测与数值分析［J］． 铁道工程学报，2011( 5) : 81 －85．

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［5］ 陈军． 基坑围护工程的设计、施工与监测［J］． 湖南大学学报，2002( 3) : 117 －121．

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