徐　凌　張頂鋒　張　昊

(1. 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司　北京　100068；　2. 中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司　北京　102600)

?

北京地鐵明挖車站典型支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律研究

徐凌1張頂鋒2張昊1

(1. 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司北京100068；2. 中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司北京102600)

為研究明挖車站典型支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，對(duì)北京地鐵6號(hào)線二期7座砂性地層中分別采用圍護(hù)樁+錨索、圍護(hù)樁+鋼支撐、地下連續(xù)墻+鋼支撐3種支護(hù)形式的明挖車站深基坑變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與以往類似工程進(jìn)行對(duì)比。研究表明：圍護(hù)樁+錨索、圍護(hù)樁+鋼支撐形式下的地表沉降在0.15%H以內(nèi)(H為開(kāi)挖深度)，地下連續(xù)墻+鋼支撐形式下的地表沉降在0.1%H以內(nèi)，3種支護(hù)形式下的基坑外地表沉降最大值所在位置與基坑邊的距離大致為0.5～0.7H，且沉降影響范圍約為1.5H；3種支護(hù)形式下的樁頂水平位移在0.1%H以內(nèi)；圍護(hù)樁+錨索和地下連續(xù)墻+鋼支撐形式下的樁(墻)體水平位移在0.1%H以內(nèi)，圍護(hù)樁+鋼支撐形式下的樁(墻)體水平位移在0.15 %H以內(nèi)，3種形式下基坑最大樁(墻)體水平位移所在深度分別為0.3～0.4H、0.4～0.7H及0.5H。

地鐵車站；深基坑；支護(hù)結(jié)構(gòu)；變形規(guī)律

明挖法作為地鐵車站的一種主要施工工法，正隨著國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)的蓬勃發(fā)展而得到廣泛應(yīng)用，在地鐵明挖基坑工程施工過(guò)程中，基坑坍塌的事例多次出現(xiàn)[1-3]，為此，工程參建各方均十分重視基坑開(kāi)挖后地表沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移等監(jiān)測(cè)項(xiàng) 目 的 實(shí) 施。目 前，已 有大量針對(duì)明挖基坑工程施 工 變 形 規(guī) 律 的 研 究[4-8]，涉及北京地鐵明挖基坑的分析研究也為數(shù)不少，但是結(jié)合地層針對(duì)北京地鐵明挖基坑典型支護(hù)結(jié)構(gòu)下的變形規(guī)律進(jìn)行對(duì)比的研究較少，同時(shí)對(duì)近年來(lái)在北京地鐵建設(shè)過(guò)程中新采用的地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護(hù)形式的分析也較少，因此，在地鐵工程建設(shè)大規(guī)模發(fā)展的背景下，筆者將結(jié)合北京地鐵6號(hào)線二期工程7座明挖車站在不同支護(hù)結(jié)構(gòu)形式下的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究地鐵明挖車站典型支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。

1　工程概況

已于2014年底通車試運(yùn)營(yíng)的北京地鐵6號(hào)線二期工程共設(shè)車站8座，其中采用明挖車站7座。這些明挖車站共涉及3種圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式：圍護(hù)樁+錨索、圍護(hù)樁+內(nèi)支撐和地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐(以下分別簡(jiǎn)稱為樁錨、樁撐和墻撐)，其中郝家府站是北京地鐵首批采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐作為支護(hù)體系的工點(diǎn)。這7座明挖車站的基本概況及地質(zhì)情況如表1所示，可以看出，各車站基坑開(kāi)挖深度和所處地層相近，基坑開(kāi)挖深度H均為20 m左右，開(kāi)挖地層主要為粉細(xì)砂、細(xì)中砂和中粗砂，部分夾雜粉質(zhì)黏土夾層，存在一定的層間滯水。

2　各種支護(hù)形式的基坑變形對(duì)比

7座明挖車站在建設(shè)過(guò)程中針對(duì)基坑外地表沉降、樁頂水平位移、樁體水平位移等，按要求實(shí)施了監(jiān)測(cè)，以下對(duì)各類型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1地表沉降

通過(guò)對(duì)7座明挖車站基坑外地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的匯總統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示：樁錨形式下地表沉降累計(jì)有97%小于30 mm，且大部分為10～20 mm；樁撐形式下地表沉降累計(jì)有77%小于30 mm，且大部分為10～20 mm；墻撐形式下地表沉降均小于30 mm，有97%在20 mm以內(nèi)，且大部分為5～10 mm。北京地鐵明挖基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)背后土體地表沉降的控制值為≤0.15%H及≤30 mm中的較小值[9]，結(jié)果表明，這3種支護(hù)形式下的地表沉降均可控制在要求范圍內(nèi)，且墻撐形式下基坑外的地表沉降更小(≤0.1%H)。

表1　北京地鐵6號(hào)線二期工程明挖車站概況

3種支護(hù)形式下基坑外地表沉降主測(cè)斷面的數(shù)據(jù)如圖1所示(數(shù)值為正代表隆起，數(shù)值為負(fù)代表沉降)。

圖1　3種形式下地表沉降主測(cè)斷面數(shù)據(jù)情況

1) 7座車站的基坑外地表沉降均表現(xiàn)為凹槽形沉降曲線，即地表沉降隨測(cè)點(diǎn)與基坑側(cè)壁距離呈現(xiàn)先增大而減小的變化，沉降最大處不是在基坑側(cè)壁，而是在離基坑側(cè)壁一定距離處，說(shuō)明各明挖車站支護(hù)結(jié)構(gòu)施作及時(shí)、鋼支撐及錨索的預(yù)應(yīng)力施加及時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)體系可正常發(fā)揮作用。

2) 劉國(guó)彬等認(rèn)為對(duì)于基坑外發(fā)生的凹槽形地表沉降，最大沉降值的發(fā)生位置根據(jù)統(tǒng)計(jì)的情況一般介于(0.4～0.7)H之間。李淑等對(duì)北京地鐵4、5、10號(hào)線等30座明挖車站的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后認(rèn)為，基坑外地表最大沉降發(fā)生處距基坑側(cè)壁10～15 m。而在本工程中，樁錨形式下地表測(cè)點(diǎn)大致在距離基坑側(cè)壁10～15 m的位置發(fā)生最大沉降，樁撐形式的對(duì)應(yīng)點(diǎn)在距離基坑約不到10 m的位置，墻撐形式的對(duì)應(yīng)點(diǎn)在距離基坑10～13 m位置，即3種支護(hù)形式下地表沉降最大值所在位置與基坑邊的距離為(0.5～0.7)H。

3) 劉國(guó)彬等認(rèn)為地表沉降范圍一般為(1～4)H，李淑等的研究表明距基坑坑壁30 m以外的地表變形微小，張庚濤的研究表明，在砂卵石地層中，開(kāi)挖深度H約為16.1 m的北京地鐵明挖基坑(樁撐支護(hù)體系)，距離基坑邊1H時(shí)的地表沉降幾乎為0。而在本工程中，可推知各種支護(hù)形式下基坑側(cè)壁外30 m處的地表沉降較小，說(shuō)明在砂層土體中地表沉降影響范圍較砂卵石地層更大一些，約為1.5H，這也與《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB50911—2013)[10]提出的北京地鐵明挖基坑地表沉降的主、次影響區(qū)為基坑外(0～2)H范圍相吻合。

2.2樁(墻)頂水平位移

3種支護(hù)形式下的基坑樁(墻)頂水平位移與對(duì)應(yīng)基坑深度的比值分布情況如圖2所示。

由圖2可知，3種支護(hù)形式的樁頂(墻)水平位移基本均在0.1%H以內(nèi)(墻撐形式為全部在0.1%H以內(nèi))，其中樁錨形式下樁頂水平位移主要范圍為(0.02～0.07)%H，樁撐形式與墻撐形式下的樁(墻)頂水平位移的分布較為類似，主要范圍為(0.07～0.1)%H，北京地鐵明挖基坑樁頂水平位移的控制值為≤0.15%H及≤30 mm中的較小值，說(shuō)明3種支護(hù)形式下的樁(墻)頂水平位移均可控制在要求范圍內(nèi)。

同時(shí)，通過(guò)分析李淑等提供的北京地鐵22個(gè)明挖工程(支護(hù)形式為復(fù)合土釘墻、樁+鋼支撐+錨索、樁+鋼支撐、樁+錨索等)的樁頂水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：有19個(gè)工程的樁頂水平位移方向全部向基坑內(nèi)，其中樁頂水平位移最大為23.5 mm，與開(kāi)挖深度之比最大為0.15%H，平均為0.07%H。張欽喜等[11]通過(guò)對(duì)北京國(guó)貿(mào)中心三期深基坑(深度H約為22 m，總體采用上部土釘墻加下部樁錨的支護(hù)形式，局部采用地下連續(xù)墻支護(hù))在開(kāi)挖過(guò)程中監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，表明在正常情況下樁錨支護(hù)的位移一般不會(huì)超過(guò)0.1%H，說(shuō)明本次研究結(jié)果與以往成果是匹配的。

2.3樁(墻)體水平位移

3種支護(hù)形式下基坑最大樁(墻)體水平位移與對(duì)應(yīng)基坑深度的比值分布情況如圖3所示。

圖2　3種形式下墻頂水平位移與基坑深度比值分布

圖3　3種形式下最大墻體水平位移與基坑深度比值分布

由圖3可知，樁錨和墻撐形式下的樁(墻)體水平位移基本均在0.1%H以內(nèi)，樁撐形式樁體水平位移分部較為離散，(0.04～0.14)%H之間均有分布，樁撐形式樁體水平位移大于0.15%H的有兩個(gè)，分別是0.181%H、0.215%H。北京地鐵明挖基坑樁(墻)體水平位移的控制值為≤0.15%H及≤30 mm中的較小值，說(shuō)明3種支護(hù)形式下的樁體水平位移均可控制在要求范圍內(nèi)。

同時(shí)，通過(guò)分析李淑等提供的北京地鐵22個(gè)明挖工程(支護(hù)形式為復(fù)合土釘墻、樁+鋼支撐+錨索、樁+鋼支撐、樁+錨索等)的樁體最大水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：樁體最大水平位移方向全部向基坑內(nèi)，位移最大為45.8 mm，與開(kāi)挖深度H之比最大為0.218%，平均為0.095%，說(shuō)明本次研究結(jié)果與以往成果是匹配的。

3種支護(hù)形式下，基坑最大樁(墻)體水平位移所在深度與對(duì)應(yīng)基坑深度的比值分布情況如圖4所示。

由圖4可知,樁錨、樁撐、墻撐結(jié)構(gòu)支護(hù)形式下基坑最大樁(墻)體水平位移所在深度與對(duì)應(yīng)基坑深度的比值大致在0.3～0.4、0.4～0.7及0.5左右。

圖4　3種形式下最大樁體水平位移所在深度與基坑深度之比

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析北京地鐵6號(hào)線二期7座開(kāi)挖深度約為20 m，在砂層地質(zhì)條件下，樁錨、樁撐和墻撐等3種不同支護(hù)形式明挖車站基坑變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可得到以下結(jié)論：

1) 樁錨、樁撐形式下的地表沉降在0.15%H以內(nèi)，墻撐形式下的地表沉降在0.1%H以內(nèi)；3種支護(hù)形式下的基坑外地表沉降規(guī)律類似，地表沉降均表現(xiàn)為凹槽形曲線，最大值所在位置與基坑邊的距離大致為(0.5-0.7)H，影響范圍約為1.5H(H為開(kāi)挖深度)；

2) 3種支護(hù)形式下的樁頂水平位移在0.1%H以內(nèi)；

3) 樁錨和墻撐形式下的樁(墻)體水平位移在0.1%H以內(nèi)，樁撐形式下的樁(墻)體水平位移在0.15%H以內(nèi)；樁錨、樁撐、墻撐形式下基坑最大樁(墻)體水平位移所在深度大致為(0.3～0.4)H、(0.4～0.7)H及0.5H。

4) 與樁錨、樁撐形式相比，地下連續(xù)墻+鋼支撐(墻撐)支護(hù)形式的控制支護(hù)體系變形效果更好，且該種支護(hù)形式不必提前在基坑外進(jìn)行降水，施工安全更有保障，工程質(zhì)量更好，因此在北京地鐵地下水豐富地區(qū)修建明挖車站時(shí)具有明顯的優(yōu)越性。

[1] 張曠成, 李繼民.杭州地鐵湘湖站“2008.11.15”基坑坍塌事故分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2010，32(S1)：338-342.

[2] 來(lái)杰, 郭利剛.某地鐵出入口基坑坍塌案例分析[J].北京測(cè)繪,2015，29(1)：114-118.

[3] 李宏偉, 王國(guó)欣.某地鐵站深基坑坍塌事故原因分析與建議[J].施工技術(shù),2010，39(3)：56-58.

[4] 劉國(guó)彬.王衛(wèi)東.基坑工程手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2009.

[5] 李志佳. 北京地區(qū)深大地鐵基坑穩(wěn)定性及變形特性研究[D].北京：北京交通大學(xué), 2012.[6] 李淑, 張頂立, 房倩, 等.北京地區(qū)深基坑墻體變形特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2012，31(11)：2344-2353.

[7] 李淑, 張頂立, 房倩, 等.北京地鐵車站深基坑地表變形特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012，31(1)：189-198.[8] 張庚濤.地鐵車站深基坑變形監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析[J].現(xiàn)代測(cè)繪, 2013，36(6)：23-25.

[9] 地鐵工程監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程：DB 11/490—2007[S].北京, 2007.

[10] 城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范：GB 50911—2013[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

[11] 張欽喜, 陳鵬, 尹文彪.國(guó)貿(mào)中心三期基坑支護(hù)工程監(jiān)測(cè)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012，31(11)：2319-2326.

(編輯：郝京紅)

Deformation Rule of Typical Supporting Structures for Beijing Subway Station with Open-cut Construction Method

Xu Ling1Zhang Dingfeng2Zhang Hao1

(1. Beijing MTR Construction Administration Corp., Beijing 100068;2. China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Beijing 102600)

In order to study the deformation rule of typical supporting structures of the foundation pit of a subway station, the deformation monitoring data of foundation pits are analyzed and compared with previous similar projects for 7 subway stations of Phase II, Beijing Subway Line 6 in the sandy layer, which are supported by pile and anchor support, pile and steel support, underground diaphragm wall and steel support. Some conclusions can be drawn: (1) The ground settlement outside foundation pit for the pile and anchor support, the pile and steel support, underground diaphragm wall and steel support is within 0.15%H, 0.15%H and 0.1%H (H is the excavation depth of foundation pit) respectively. The distance between the location of the maximal ground settlement and the foundation pit is approximately 0.5-0.7H. The influence range of ground settlement is about 1.5H outside foundation pit. (2) The horizontal displacement of the pile top for the three kinds of supporting form is within 0.1%H. (3) The horizontal displacement of the pile body for the pile and anchor support, underground diaphragm wall and steel support is within 0.1% H. The horizontal displacement of the pile body for the pile and steel support is within 0.15%H. The depth of the maximal horizontal displacement of the pile body for pile and anchor support, pile and steel support, underground diaphragm wall and steel support is 0.3-0.4H, 0.4-0.7H and 0.5H. These conclusions can be helpful for future similar constructions.

subway station; deep excavation; supporting structure; deformation rule

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.01.012

2015-08-12

徐凌，男，工學(xué)博士，高級(jí)工程師，主要從事地鐵工程建設(shè)技術(shù)與安全管理工作，94550061@qq.com

北京市科技新星計(jì)劃資助項(xiàng)目(Z121106002512086)；科技北京百名領(lǐng)軍人才培養(yǎng)工程資助項(xiàng)目(Z121106002612017)

U231

A

1672-6073(2016)01-0047-04