某地铁车站深基坑施工期围护结构及邻近建筑变形监测与分析

1工程概况

某地铁站为内框架箱形结构岛式车站，采用明挖顺作法施工，车站长度为150.2m，车站标准段宽度22.7m，中心线位置开挖深度约为24.5m，覆土厚度3.5m。车站主体围护结构采用钻孔灌注桩+旋喷桩止水帷幕+内支撑方案，支撑系统采用Φ600钢管与钢筋混凝土支撑相结合的内支撑方式。
基坑内从冠梁顶至基坑底共设5道支撑。第1道支撑除端头井及节点段斜撑采用混凝土支撑外，其余均采用Φ600钢管(t=16mm)支撑，车站基坑保护等级为特级。车站场地土层从上至下分别为:全新统人工填土，上更新统风积新黄土、饱和软黄土及残积古土壤、中更新统风积老黄土、冲积粉质黏土、中砂等。场地地下水属潜水类型，稳定水位埋深8.60～12.50m，水位年变化幅度2m左右。潜水赋存于上更新统残积古土壤、中更新世风积黄土和残积粉质黏土及其夹砂层中。主要含水层为中更新统冲积粉质黏土②层中砂夹层，该层透水性好，赋水性强。
该车站三面临近城市道路，基坑边缘与道路距离较远，一面临近某砖混结构家属楼，与车站有关的地下管线在基坑开挖前均已改迁，由于家属楼建于20世纪80年代初，主楼为7层钢筋混凝土框架结构，基础形式为钢筋混凝土条形基础，主楼距基坑最近处为5.1m。因此，车站开挖对家属楼的影响较大，施工过程中，将该楼作为车站深基坑施工过程中的重点监测对象，全程监测基坑开挖及回填过程中的建筑物变形情况。车站及建筑物平面位置如图1所示。


2监测方案
2.1监测内容及分析工况
在基坑开挖过程中，为确保安全，按照相关规范对基坑进行了系统的安全监测，在家属楼周围设置建筑物沉降观测点7个(A1～A7)，桩体变形监测点1个(B1)，地表沉降监测断面1个，其中包括5个监测点(C1～C5)，钢支撑轴力监测点1个(D1)，监测分析工况如表1所示，监测点布置如图1所示。


2.2测点埋设
1)桩体变形测点布设
桩体测斜管深度与桩深度保持一致。在灌注桩钢筋笼内埋设测斜管时，需先将一段测斜管牢固绑扎在灌注桩钢筋笼内，另一段测斜管上端用绳子将测斜管与钢筋笼绑扎。钢筋笼在孔口主筋焊接完毕后，将上下两段测斜管连接，并牢固绑扎在钢筋笼上，最后焊接箍筋。管体与桩体钢筋笼迎土面钢筋绑扎牢固，绑扎间距2m;管内有一对十字槽必须与基坑边线垂直，上下端管口用专用盖子封好，接头处用防水胶带密封。
2)地面沉降测点布设
在监测断面上沿监测断面方向距灌注桩外3m处设1个监测点，再隔5m分别布设第2～4个点位，最后隔10m布设第5个点位，每个孔位须用打孔钻钻穿上部沥青路面，在空内埋设1根0.6m长的Φ16钢筋，钢筋上端头低于地表面10～20mm。埋设好的沉降监测点须标注点号。
3)钢支撑轴力测点布设
布设轴力测点时，在钢支撑活动端部焊接一块250mm×250mm×25mm加强垫板，然后将轴力计托架与加强垫板焊接牢固，须保证轴力计中心与钢支撑中心大致在同一中心线上。最后将轴力计放入托架用固定螺栓拧紧，固定牢固即可，同时将数据电缆保护好。
4)建筑物沉降测点布设
监测点埋设于车站基坑周边家属楼的角点及部分拐点，共计7个。埋设时，在建筑物稳固结构混凝土上钻Φ18的小孔，在预先加工好的短钢棒(一端平直，一端弯起)一端均匀涂抹石胶，然后将短钢棒塞入混凝土上的小孔，孔口用石胶封严。待稳固后，方可测量。
3监测结果与分析
3.1基坑变形监测结果与分析
车站监测系统中，与该建筑物相关的监测点只包括建筑物临近的桩体变形监测、与桩体变形监测点对应的钢支撑内力监测及其所在基坑剖面的地表沉降和家属楼的整体沉降情况，由于篇幅所限，本文只针对上述监测点进行分析。
1)桩体变形
从开始施工到基坑完工，对临近家属楼的桩体位移进行了监测。测斜孔的顶部与桩的顶部是齐平的，测斜孔孔深都设为26m。不同工况下桩体变形规律如图2所示，其中，桩体变形曲线图中正数表示桩体向基坑内侧偏移。


从图2可看出，在整个基坑开挖过程中，围护桩水平位移总体变化不大，在所统计的测点中，围护桩水平位移的最大值仅有1.14mm，与桩体测斜报警值24mm还相差很大，这充分反映出了黄土深基坑不同与软土地区的显著特点，黄土由于本身的结构性，侧向变形较软土地区要小得多。
在基坑开挖的初始阶段，由于黄土的结构性，支护桩的位移很小，从监测数据可以看出:钢支撑的架设很大程度上控制了桩体的变形，其预加轴力使得桩体发生反向位移，初始监测围护桩位移出现向基坑外侧偏移，最大值达到－1.79mm，因此，施工中除监测桩后地表沉降外，还应重视桩体反位移可能造成的地表隆起。
2)钢支撑轴力
由于基坑围护结构承受着基坑开挖卸荷所产生的土压力和水压力，并将此压力传递到支撑上。因此，支撑系统的安全是关系基坑稳定的重要因素。对于支撑体系的内力监测可以有效地监控支撑体系的受力状态，预示危险信息，考虑到基坑开挖深度较大，在支撑上会产生较大的轴力，通过对支撑轴力的监测可以指导施工，防止由于轴力过大使支护结构发生破坏。由于深基坑失稳而引发的工程事故非常多，所以这项监测的意义很大。同时通过对监测结果的分析，还可以优化调整支撑的位置，甚至减少支撑层数，提高支撑效果。本工程钢支撑轴力监测结果如图3所示。
从图3可以看出，在黄土深基坑中有多道支撑时，每道支撑的轴力随时间的变化规律不尽相同，在每层中不同段支撑轴力的变化规律却又基本相同，该工程中支撑轴力最大处出现在第3道支撑，约在地表以下15m处，该深度处也是桩体水平位移较大处。在整个基坑开挖过程中，随着时间的推移，第1道支撑从预加轴力施加后就逐渐出现应力松弛现象，第2道支撑从开始也出现了一定的应力松弛，而后逐渐增大，最后趋于平缓，第3，4道支撑轴力都有逐渐增大而后平缓或者降低的趋势，第5道支撑轴力变化较缓和。支撑轴力较大为第3，4道支撑，第2道支撑次之。后续主体结构完成后，基坑约束作用增大，支撑的轴力变化曲线均开始平缓或者下降。


在整个基坑施工过程中，支撑轴力并不是单调递增或者递减的，其变化存在一定的波动，出现这种现象的原因是由于气温变化、外部荷载，及现场施工情况等造成的，因此在支撑轴力的监测过程中，应尽量在每天同一时间进行监测，可以在很大程度上减少人为因素的影响。
在施工中，随着基坑土体的卸载，应尽快按照钢支撑的设计轴力施加预应力，同时应选用合理且牢固的锁定方法以减小预应力的损失，基坑施工过程中每层土开挖完毕到施加该层钢支撑这段时间以及钢支撑拆除过程是最不利时期，为保证基坑稳定，应尽量减少基坑无支撑暴露时间，从而及时改善围护桩的受力条件，减小桩体的水平位移和由桩体位移带来的地表沉降。
在基坑施工过程中，钢支撑的轴力最大值未达到设计轴力，实测轴力与设计轴力的百分比为7.81%～70.66%，表明钢支撑是安全可靠的，同时说明了黄土深基坑的设计按照现有的方法过于保守，钢支撑轴力还有相当大的空间可以利用，应对设计理论及方案进行优化。
3.2邻近基坑建筑物沉降
邻近基坑家属楼主楼距基坑的最近处为5.1m。由于地基的差异沉降可能导致该家属楼在基坑施工期间出现裂缝，要求基坑施工期基坑外地表沉降控制在30mm以内。该家属楼监测结果如图4所示。


从图4中可以看出，家属楼的沉降大致可分为3个阶段，第1阶段为均匀沉降阶段，该阶段整栋建筑物几乎均匀下沉，累积沉降最大的测点是A1测点，该部分沉降主要是由于基坑开挖引起的。第2阶段为差异沉降阶段，该阶段各测点的沉降已不像第1阶段那样均匀下沉，而是发生明显的差异沉降，7个测点中沉降最大的仍然是位于基坑较近的A1测点，沉降较小的是位于基坑较远的A4测点，基坑开挖使建筑物靠近基坑一侧的沉降比远离基坑一侧的沉降大，沿基坑长度方向最大沉降差为1.1mm，沿基坑宽度方向最大沉降差为2.6mm，均在安全允许的范围内。第3阶段为沉降稳定阶段，各测点测得的沉降速率出现明显的减缓趋势，建筑物的沉降开始趋于稳定，沿基坑长度方向最大沉降差为0.5mm，沿基坑宽度方向最大沉降差1.6mm，最终差异沉降控制在设计范围内，未引起建筑物出现裂缝。
3.3地表沉降
地表沉降测点(C1～C5)距离基坑边缘的垂直距离分别为4，10，16，22，28m。地表沉降监测结果如图5所示。


从图5中可以看出，在基坑开挖过程中，最大沉降点并不是距离基坑边缘，而是始终发生在距基坑边缘一定距离处，基坑的最大沉降点位于距离基坑边缘13～15m的位置上，整体沉降形状类似于勺形，且随着基坑开挖深度增加，沉降峰值逐渐向基坑边缘靠近。在整个基坑开挖过程中，最大的地面沉降值达到了17.5mm。每开挖一步，坑后地表都有一定量的沉降的增加，增加量逐渐减小。每步形成的沉降分布曲线形状相似。
4结语
1)黄土深基坑变形与软土地区深基坑相比，相似之处在于基坑变形趋势大致相同，不同之处在于黄土由于本身结构性的存在，其支护结构侧向变形较软土地区要小得多，黄土深基坑施工对周围环境的影响较小。在黄土深基坑周边无复杂环境时，可对支护结构进行优化。
2)轴力监测结果受监测条件的影响较大，监测过程中应减少人为因素对监测结果的影响。黄土地区支撑普遍存在应力松弛现象，在施工中，应尽快按照钢支撑的设计轴力施加预应力，同时应选用合理且牢固的锁定方法以减小预应力的损失。
3)基坑开挖过程中，地面最大沉降点始终发生在距基坑边缘一定距离处。整体沉降形状类似于勺形。邻近家属楼整体呈现出向基坑倾斜的趋势，但最终差异沉降控制在设计要求范围内，且未出现裂缝。