地铁深基坑水平位移监测分析

地铁深基坑水平位移监测分析

摘要

在地铁深基坑工程的施工过程中，实际施工的工作状态通常与设计预估的工作状态存在一定的差异，有时差异的程度还相当大。设计预测和预估往往只能够大致描述正常施工条件下，围护结构与相邻环境的变形规律及受力范围。由于差异的存在和不确定，必须在开挖和支护施筑期间开展严密的现场监测，以保证工程的顺利进行。

本文通过对参与的某地铁深基坑监测项目相关工作的认真研究与学习以及查阅相关文献^[7]，总结和分析出了地铁深基坑水平位移的特点及影响因素。

关键词 地铁 水平位移 深基坑 监测

前言

监测基坑稳定和变形情况，可以验证围护结构、支护结构的设计效果，保证基坑稳定、支护结构稳定、地表建筑物和地下管线的安全。支护结构水平位移监测通常是测量基坑边线沿垂直于基坑边的方向的水平位移，如何根据基坑形状、施工现场条件等选择水平位移监测方法具有重要的现实意义。通过监控量测，也了解施工方法和施工手段的科学性和合理性，以便及时调整施工方法，保证施工安全。通过量测数据的分析处理，掌握基坑和坑壁岩土体稳定性的变化规律，修改或确认设计及施工参数，并为今后类似工程的建设提供经验。因此，地铁工程中对基坑围护结构的监测具有重要意义^[1]。

通过在实际监测工程中的经验以及相关文献的查阅，对地铁深基坑水平位移特点、水平位移影响因素、水平位移计算方法等方面的内容进行了具体学习与探究。

 

 

 

 

1地铁深基坑水平位移变形特点分析

1.1水平位移变形形式介绍

龚晓南结合了大量的基坑监测数据和资料总结^[9]，最后将基坑围护结构水平位移变形曲线分为了图1.1共四种类型：(a) 内凸曲线，这种曲线发生在深厚的软土层，而且基坑围护结构的深入坑底以下的深度不大，有支撑。这种情况下，围护结构中部向坑内凸出，且坑底下面没有明显反弯点。(b)复合型曲线，上部分正向弯曲，下部分反向弯曲的曲线形式，这种情况的曲线形式主要发生于围护结构插入坑底埋深较大、有支撑的基坑。在基坑底部附近有一个反弯点，反弯点的上部分是正向弯曲，下部分反向弯曲。围护结构底部微微前倾，位移十分小。(c)悬臂型曲线，这种形式是指没有安装架设支撑的基坑围护结构。围护结构向坑内前倾。(d)踢脚型曲线，如果基坑土层是深厚的淤泥层，而且围护结构插入坑底深度不大。围护结构上部在支撑的限制下位移不大，而坑底附近土体强度不大、抗力较小，所以容易向坑内发生变形^[3][8]。

图1.1  深基坑水平位移变形类型

 

1.2最大水平位移位置分析

基坑围护结构的最大水平位移与土层条件、围护结构种类、支撑形式等很多因素密切相关，这其中很多的国内外学者根据实际工程监测数据，总结了基坑围护结构最大水平位移和开挖深度之间的关系（见表1.1）

 

表1.1  基坑围护结构最大水平位移和开挖深度的关系^[2][11]

研究学者	土质及支护特点						最大位移和开挖深度之比（%）
崔江余等（1999）	重力式挡墙	良好地基			边长≦30m		0.5-1.0
					30-50m		1.0-1.5
					>50m		>1.5
		一般地基			边长≦30m		1.5-2.0
					30-50m		2.0-2.5
					>50m		>2.5
		软弱地基			边长≦30m		2.5-3.5
					30-50m		3.5-4.5
					>50m		>4.5
Long(2001)	开挖深度内软土层厚度<0.6H				内支撑		0.13
					锚杆		0.14
					逆作法		0.16
	开挖深度内软土层厚度>0.6H						0.21
	悬臂墙						0.36
Yoo(2001)	上覆硬土层、残积土、砂土，下卧风化岩石、软岩、硬岩			围护墙		排桩	0.15
						搅拌桩墙	0.13
						灌注桩	0.14
						地连墙	0.05
				支撑		内支撑	0.13
						锚杆	0.11
Moormann(2004)	极软到软粘土（Cu<75kN/m2）						0.87	>1.0(27%)
								0.5-1.0(40%)
								<0.5(33%)
	硬粘土（Cu≥75kN/m2）						0.25	>1.0（8%）
								≦1.0（92%）
	非粘性土						0.27	>0.25（35%）
								≦0.25（65%）
	成层土						0.27
	岩石						<0.25
徐中华等（2009）	上海地区饱和软黏土		逆作法，方形基坑				0.1-0.6（0.25）
			逆作法，圆形基坑				0-0.1（0.05）
			连续墙，灌注桩				0.1-1.0（0.44）
			钢板桩				0.3-3.5（1.50）
			SMW工法				0.15-0.75（0.41）
			水泥土搅拌桩				0.3-2.5（0.91）
			复合土钉				0.2-0.9（0.55）

由于不同地区的统计结果差别较大。针对具体某个地区的基坑工程，其围护结构的最大水平位移可以参考总结的工程经验，对基坑的变形进行初步的预测。

2地铁深基坑水平位移影响因素分析

2.1工程地质条件影响因素

基坑的水平位移和土层条件有直接的关系。基坑各土层的强度、类别等物理力学参数的好坏对基坑围护结构受到的作用力有直接影响，进而影响基坑围护结构水平位移大小。此外，基坑地下水的分布情况，渗流情况等也会直接影响基坑围护结构的受力，进而影响其水平位移大小。

施工荷载、基坑周边建筑物和构筑物荷载、交通荷载等对基坑的应力状态产生直接影响，所以会影响基坑的水平位移^[4]。

2.2其他影响因素

基坑的开挖深度和尺寸也会对基坑的水平位移产生重要影响。基坑的几何形状对基坑变形的影响主要是体现在基坑的空间效应，这里的空间效应主要指坑角

效应。

图2.1  坑角效应示意图

此外，围护结构的刚度及插入深度、支撑的横向间距和竖向间距、基坑开挖选择的分段分步开挖方式是否合理等都是直接影响基坑变形的因素。

 

 

 

3地铁深基坑水平位移计算方法

3.1弹性地基梁法

当围护结构的边长较长时，在距坑角一定距离外的墙体中部区域，空间效应影响可以忽略，该区域内围护结构的变形可以视为平面应变状态进行计算，一般情况下采用平面弹性地基梁法计算。

平面弹性地基梁法的基本原理是：假定基坑围护结构处于平面应变受力状态，计算时取单位宽度的墙体作为研究对象作为竖向放置的弹性地基梁^[6]，其支座均视为弹簧支座，其中，支撑和锚杆简化为弹簧支座，坑内开挖面以下的土体的水土压力则视为外部荷载施加于地基梁上，从而通过杆系有限元的方法即可计算弹性地基梁的内力和变形。

3.2有限元数值模拟法

当基坑围护结构边长较短，或计算点位于基坑的角部区域，此时墙体的变形需要考虑基坑的三维空间效应，平面弹性地基梁法往往会高估围护墙的变形，此时可以采用三维有限元法进行计算^[5]。采用三维数值分析法充分考虑了基坑的空间效应和基坑支护系统和坑内外土体的相互作用。为了保证三维数值分析方法能得到较为合理的计算结果，需要注意系下几个方面：（1）本构关系的选取和模型计算参数准确性。在本构模型的选取上，应根据土体自身的变形特性，选择合乎其变形特点的本构关系。除了选择合适的本构关系外，需要通过有效的室内外实验，得到模型所需要的参数。（2）施工过程简化模拟的合理性。（3）空间效应考虑的必要性。在三维计算的过程中，为了减小计算量，缩短计算时间，一般考虑了基坑的对称性，仅取基坑的四分之一或二分之一模型进行计算，这样即可取得较为合理的计算结果。

测量深基坑水平位移也可采用熊春宝等介绍了的基坑水平位移监测四种方法：视准线法、小角度法、极坐标法和前方交会法。^[10]传统的基坑水平位移监测，一般是采用经纬仪进行观测。近年来，大多采用的是全站仪自由设站的观测方法，这个方法可以克服视准线法在基坑周围环境恶劣而不能设置基准点的缺点。

基坑水平位移的方法有很多，精度高低也不相同，实际工程中测量方法的精度是人们普遍关心的问题，能够达到合适的精度是保证施工安全的重要条件，所以开展相关的研究是非常有必要的。

 

4地铁深基坑水平位移监测分析

4.1监测原理

（1）测点埋设。沿本站主体长边方向墙身内埋设测斜管。测斜管拼装时应注意导槽对接，埋设时将测斜管两端封闭并牢固绑扎在钢筋笼背土面一侧，同钢筋笼一同放入地下连续墙基槽内，灌注混凝土。测斜管长应为墙深加冠梁高并露出冠梁10cm。埋设时，应保证让一组导槽垂直于围护体，另一组平行于基坑墙体，注意在钢筋笼放入孔内砼浇注前一定要校正测斜管的方向。

（2）监测方法。将测斜仪放入与基坑边墙垂直方向的测斜管导槽中。沿导槽缓慢下滑，滑至管底时开始测读，按0.5米间隔测读一次，徐徐提升测斜仪，直至测斜管顶。同时用光学仪器测量管顶位移作为控制值。在基坑开挖前，分二次对每一测斜孔测量各深度点的倾斜值，取其平均值作为原始偏移值。“＋”值表示向基坑内位移，“－”值表示向基坑外位移。

测试原理见下图：

计算公式：

式中： △X_i 为i深度的累计位移(计算结果精确至0.1mm )

        X_i 为i深度的本次坐标(mm)

        X_i0 为i深度的初始坐标(mm)

        A_j为仪器在0°方向的读数

        B_j为仪器在180°方向上的读数

        C为探头标定系数

        L为探头长度(mm)

        α_j为倾角

（3）监测控制标准和预警值

监测报警指标一般以总变化量和变化速率两个量指标，累计变化量的报警指标一般不宜超过设计限制。本工程主要监测项目报警指标初步拟定为：

表2.1监测项目报警指标

项目	报警指标
围护结构水平位移	32mm或连续三天变形速率超过3mm/d

4.2监测分析

监测数据分析与反馈，用于修正设计支护参数及指导施工、调整施工措施等。

将现场监测数据绘制成u（位移）-t（时间）时态曲线和空间关系曲线，一般选用这种方法中的其中一种，当位移与时间关系趋于平缓时，进行数据处理和回归分析，以推算最终位移和掌握位移变化规律；当位移-时间关系曲线出现反弯点时，则表明地层和支护已呈不稳定状态，此时应密切监视地层动态，并加强支护，必要时应立即暂停开挖，采取停工加固并进行支护处理。

施工中监测的数据应及时进行分析处理和信息反馈，以确保岩土体、围护结构及地面建筑物的稳定和安全。根据施工具体情况，会同设计、监理及有关专家设定变形值及变化速率警戒值。当发现异常情况时，及时报告主管工程师和监理工程师。并将情况通报给业主和有关部门，共同研究控制措施。

4.3报警后及紧急情况处理

一旦发现检测数据出现异常时，首先及时向施工方主管工程师及监理单位进行预报通知，同时对异常情况复测，复测确认后向施工方及监理单位进行正式通报，并将情况通报给业主和有关部门，共同研究控制措施。在此期间，需主动调整监测频率，保证监测数据处于受控状态。

雨季时工程施工的不利情况，也给监理工作带来一定的困难。因此雨季在保证正常的监测频率情况下，应加强一些受雨季影响较大项目的监测频率，同时，根据监测的结果，加强一些不利区域的监测，以保证整个工程施工始终处于监控状态。

5地铁深基坑工程实例分析

5.1工程概况

本文以苏州市轨道交通6号线某站区间为例，分析基坑在开挖后的水平位移检测。该地区规划道路红线宽50m，现状道路宽24.2m，双向6个机动车道及2个人非混行车道，现状交通流量大。两侧建筑物密集，紧贴红线。车站总长为369m，标准段宽29.25m，地铁采用地下连续墙做为支护结构，墙厚1m，平均深度30m左右，桥在车站范围内采用钢门架墩的方式上跨地铁车站，基础部分为钻孔桩，直径1.5m与1.2m两种，每个墩台下设置6根桩，桩距离地下连续墙1.2-2m不等。墩与横梁均为尺寸为2×3m矩型结构。地铁平面及剖面关系详见图5-1

5.2 水平位移监测分析

本文通过对现场施工的了解，现场是实行预埋测点进行基坑水平位移的监测，经过调研，时沿本站主体长边方向墙身内埋设测斜管通过获取监测数据，对不同开挖深度下的基坑的位移变化进行汇总，将不同桩测点的水平位移数据提取出来进行分析，近似的来模拟反应基坑的水平位移。共选取三个不同围护结构桩顶水平位移最危险断面的进行监测，基坑开挖初期，在基坑开挖深度还不大时，围护结构呈线性变形的趋势。随着基坑开挖深度的逐渐增加，开始施工第一道锚杆，围护结构深层水平位移最大值位置开始向下移动，这时围护结构变形曲线呈抛物线变化。结合分析得出，此线性为水平位移变形介绍中的复合型曲线。

同时，考虑到地层的岩性，根据监测数据得到基坑的最大水平位移与开挖深度比为3.7，造成这样的原因是该区间的土层为粉土与粉砂土，岩性较差，同时考虑到基坑支护与基坑的边角效应，与上文所研究的最大位移与开挖深度比较吻合。同时，

对于现场监测数据处理，绘制出了位移—时间散点图，由图上的线性变化规律可以看出，随着基坑的开挖与支护的实施，不同阶段水平位移发生不同的变化，比如，在还没有施加锚杆的时候，随着开挖深度的增加，基坑位移随着开挖时间与深度的增加不断增大，近似呈现线性的变化规律；接着第二阶段，施加第一层支护后，由于支护的作用，基坑的水平位移变化逐渐趋于稳定；第二层支护施加后，基坑的水平位移不断增加，原因在于第一层支护施加稳定后，第二层的支护造成额外的附加应力，造成位移的增大；之后随着各层支护的施加，基坑的水平位移也继续增大。总体来说，位移-时间曲线呈现增长的趋势，只不过每个阶段增长的速率不同。

6结论

在地铁深基坑工程的设计和施工过程中，首先要保证基坑工程不跨不塌，即要保证基坑工程的稳定性，然而由于地铁深基坑工程多位于城市繁华地段，基坑周围多密集建筑物，所以对基坑变形所造成的环境影响更要严格的要求。影响基坑变形的因素很多，大体归类为设计因素、施工因素和自然土因素。其中，由于设计因素造成的基坑事故据统计比例占到46%，由此可见从设计本身出发研究设计参数对基坑变形的影响是十分必要的。

（1）基坑围护结构的变形形式是多种变形形式的组合，和土体性质、围护结构和支撑刚度、施工工序等因素有关。一般来说基坑围护结构最大水平位移随开挖深度不断变化，在开挖面附近，具体位置受到土层、围护结构、支撑刚度等因素影响。可以根据工程经验总结的基坑围护结构最大水平位移和基坑抗隆起安全系数、围护墙厚度、开挖深度等的关系来推断基坑最大水平位移的大小。

（2）基坑围护结构的水平位移影响因素主要包括土层特点及地下水条件、基坑的尺寸和几何形、围护结构和支、基坑荷载、施工工艺、土体固结和土体流变、降水。

（3）基坑围护结构的水平位移计算方法视实际工程的具体情况选择。平面应变状态下一般采用平面弹性地基梁法，考虑基坑空间效应时可用三维有限元法计算。

（4）实际工程案例发现，基坑坑底土体的暴露时间对该期间的墙体变形也有显著影响，所以为了防止土体继续受到扰动，底板垫层和底板的施工要及时跟上施工进度。基坑周围土方的堆载和施工荷载对基坑的影响较大，对基坑中上部具有较大的挤压作用。在基坑开挖过程中，基坑周围尽量不要有过多土体堆载，开挖堆载的土体要及时运走。

 

参考文献

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