某地铁车站深基坑开挖中支护结构监测分析

GXF360 2017-06-22

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某地铁车站深基坑开挖中支护结构监测分析

杨博1，王东明2，张爽3，周纪军1

(1.中车建设工程有限公司，北京 100078;2.北京通州房地产开发有限责任公司，北京 101100; 3.北京住总集团有限责任公司，北京 100101)

［摘要］以此基坑为例，监测支护结构的位移变形和受力，明确了钢管支撑轴力受气温的影响情况及拆除钢管支撑对深基坑支护结构位移的影响。

［关键词］深基坑;支护结构;钢管支撑;位移

1 工程概况

北京地铁某车站紧邻城市主干道，基坑开挖深度大且地下市政管线密布，该车站为地下2层岛式车站，双柱三跨混凝土结构，车站有效站台中心顶板覆土4.2m，轨面标高27.970m，底板底面标高26.450m，底板埋深约 18.05m。标准段总宽21.10m、总高13.85m，车站总长263.2m，岛式站台宽12m，有效站台长186m，车站两端接盾构区间，设置有4座出入口，并设风亭和紧急疏散口。

采用明挖法进行基坑施工，车站主体结构基坑深度达18m，属于典型的深基坑施工，设计中采用内支撑系统和地下连续墙支护体系。

2 围护结构设计和施工

2.1 围护结构设计

本站主体结构基坑采用内支撑系统+地下连续墙支护体系。地下连续墙厚600mm，墙顶设置800mm×900mm冠梁。

基坑土方开挖时，随土方开挖深度逐层架设钢管撑，车站基坑内支撑采用3道钢管支撑+1道倒撑。第1道支撑采用φ609×12钢管;第2，3道支撑采用φ800×14钢管。第2，3道支撑水平间距一般为3.0m，第1道撑水平间距为第2道撑水平间距的2倍。基坑平面内一般采用对撑，在端部采用斜撑。钢管撑可按设计轴力的30%～70%施加预应力，首先施加一定初始值，随着开挖深度的增加，预应力施加值由初始值逐渐调整至设计值。

2.2 施工步骤

根据实际支护结构设计方案，采用6步进行实际开挖支护，具体施工步骤如下。

1)第1步施工临时围挡，平整场地，做导墙、地下连续墙、冠梁、地表截水沟及挡水墙，开挖土方至第1道钢管支撑处，施工第1道钢管支撑。

2)第2步继续开挖土方至第2道钢管支撑处，施工第2道钢管支撑;开挖土方至第3道钢管支撑处，施工第3道钢管支撑。

3)第3步开挖剩余土方至基坑开挖设计深度以上300mm，人工清底并验槽，先后施工混凝土垫层、底板防水层及保护层、结构底板、第3道支撑下的侧墙及防水层。

4)第4步待底板、侧墙混凝土强度达到设计强度的75%后，拆除第3道钢管支撑，向上施作第2道钢管支撑下的车站侧墙、中板、立柱、防水层及保护层。

5)第5步待中板、侧墙混凝土强度达到设计强度的75%后，拆除第2道支撑，向上施作剩余的车站侧墙、顶板、立柱、防水层及保护层。

6)第6步待顶板、侧墙混凝土强度达到设计强度的90%后，拆除第1道支撑，回填土至规划地面，拆除临时围挡，恢复交通。

2.3 施工中遇到的问题

1)根据现场监测数据结果显示，钢管支撑架设后，在夜间温度降低时，钢管支撑轴力损失较大。

2)工程实践发现，在主体结构施工工序过程中，个别钢管支撑架设位置与侧墙防水、绑筋架设脚手架、大模板及三脚架安装、部分柱施工等容易发生冲突，桩体的侧向变形与开挖后墙面暴露时间和深度密切相关。

3 监测与分析

由于施工中通常会遇到上述问题，有必要进一步研究深基坑支护体系中各结构内力和位移的变化情况，分析其变化规律，为找寻新的施工方法和步骤提供有效依据。针对基坑某一段围护结构的钢管支撑轴力、支护结构墙体斜度、墙顶位移等变化量，收集数据并进行整理分析。

3.1 监测内容

此明挖车站工程监测主要采用3种仪器，墙体倾斜监测采用型号CX－901F的测斜仪，墙顶位移监测采用莱卡TCRA1101全站仪，轴力监测采用轴力计和609A频率仪。

地下连续墙墙体倾斜和墙顶位移监测点的间距为10m，按照基坑形状布置测点，在有建筑物的部位、基坑各边中部及地质条件较差部位增设测点。其中墙体倾斜监测采用预埋φ70mm测斜管与墙体同时施工，墙顶位移监测在冠梁顶部预埋φ22mm螺栓。钢管支撑轴力设置间距一般为20m，其中在集中受力、截面变化等代表位置增设采集点位，异截面斜撑处同时增设数据采集点。

选取本车站典型断面中监测点进行分析，监测点布置如图1所示。此断面主要布置2条测斜管、2个墙顶水平位移测点和3对轴力监测点。

3.2 监测结果及分析

选取监测时间8月21日8:00至8月23日20:00的60h作为分析段，主要针对释放钢管支撑前后支护结构变形受力变化，在底板混凝土浇筑前后，对钢管支撑轴力、墙顶位移、墙体内位移进行监测。

图1 基坑监测点布置

实际施工时，待底板浇筑完成且强度达到设计强度75%后，释放第3道钢管支撑轴力，同时加强监测此段基坑轴力(第1，2道钢管支撑)、墙顶位移、墙体位移;墙顶和墙体位移监测频率为每4h/次，分析监测时间为60h。8:00到16:00，共8h，混凝土底板及第3道钢管支撑以下侧墙浇筑前;16:00到次日4:00，共12h，混凝土浇筑中，4:00到次日8:00，共28h，混凝土浇筑后;8:00到20:00，共12h，第3道钢管支撑卸力后。

选取断面的第1～3道钢管支撑的测点分别为轴力测点1、2和3，具体数据如图2所示。

图2 钢管支撑轴力曲线

由图2可知，钢管支撑设计轴力从基坑由上到下逐渐降低，各钢管支撑轴力随时间变化趋势大致相同。

3道支撑轴力随着气温变化会有周期性的变化，轴力最大值基本出现在白天12点，轴力最小值出现在下午至夜晚，但不固定，轴力最大值、最小值与气温呈正向关系，但轴力变化的整体趋势是逐渐增大的。在深基坑开挖及主体结构施工过程中，需要根据监测结果对钢管支撑的轴力损失及时进行补偿，尤其气温变化幅度较大区域，以保证轴力日变化幅度在正常范围内。

同样由图2可看出，第1，2道支撑受气温影响较大，第1道支撑因气温变化在1d内轴力最大差值为105.34kN，第2道支撑1d变化轴力最大差值为70.92kN。第3道支撑受气温影响较小，这与第3道支撑位于基坑下约16m，气温相比较稳定，变化小，所以轴力变化幅度小。

随着底板和第3道钢管支撑以下侧墙混凝土浇筑完成，达到设计强度之后拆除第3道支撑，第1，2道支撑轴力迅速上升，上升值分别为60.31和45.32kN。其后中板及以下剩余侧墙的浇筑施工，随着混凝土强度的提高，第1，2道钢管支撑所受侧压力逐渐减小。由此可见，第3道支撑拆除明显影响第1，2道支撑轴力。

选取断面地下连续墙墙顶水平位移累计变形曲线如图3所示。

图3 墙顶水平位移累加值随时间变化曲线

从图3可看出，随着时间推移，墙顶水平位移累加值逐渐增大，之后随着侧墙和中板等结构的构筑完成，将会逐渐稳定下来。地下连续墙墙顶水平位移最大值为1.98mm，围护结构墙顶位移较小，远小于设计允许值。

选取拆撑前后60h监测数据，从支护结构内水平位移累计量沿深度的变化曲线可看出，在第3道支撑拆除前后的60h内，支护结构内水平位移累加值由浅到深，大致呈现逐渐增大趋势，即越接近基坑深部(除底板附近)，支护结构向坑内的位移越大。有一侧墙体位移变化较大，另一侧变化较小，测得墙体最大的水平位移值为3.3mm，出现在第3道支撑位置附近，可见钢管支撑的拆除对周围支护结构的位移影响较明显。

在第3道支撑附近的支护结构，因拆除等原因向坑内的位移量明显偏大，接近底板位置的支护结构因结构底板的约束则相对位移累加量则相对偏小。