地铁深基坑变形监测及支护结构设计优化研究.pdf

经纬天地Survey World2023年第3期No.32023地铁深基坑变形监测及支护结构设计优化研究苏治明（广州港工程管理有限公司，广东 广州 510000）摘要:为优化支护结构变形监测效果，以广东省某地铁实际工程项目为例，对施工过程中支护结构的变形进行了监测。支护结构的变形程度随着时间的增加而增加，在工程建设稳定后，其变形速度有所减缓，其中深基坑地表沉降和桩体水平位移量最高分别达到17 mm和3.2 mm。监测结果表明：需要对施工过程中天气和周围环境等因素加强重视，降低突发事件对支护结构变形的影响，提高深基坑施工的安全性。关键词:地铁深基坑；支护结构；变形规律；监测中图分类号:P258文献标识码:A文章编号：2095-7319（2023）03-0020-05Studyondeformationmonitoringandsupportingstructuredesignoptimizationof subway deep foundation pitSU Zhiming(Guangzhou Port Engineering Management Co.,Ltd.,Guangzhou 510000,China)Abstract:In order to optimize the deformation monitoring effect of supporting structure,taking a subway project in GuangdongProvince as an example,the deformation of supporting structure during construction is monitored.With time increasing,thedeformation degree of supporting structure increases and its deformation speed slows down after the stable engineering construction,in which the surface settlement of deep foundation pit and the horizontal displacement of pile reach to 17 mm and 3.2 mmrespectively.The monitoring results show that it is necessary to pay more attention to factors such as weather and surroundingenvironments during construction so as to reduce the influence of unexpected events on the deformation of supporting structure andimprove the safety of deep foundation pit construction.Key words:subway deep foundation pit;support structure;deformation law;monitor收稿日期：2022-07-18作者简介：苏治明（1987），男，广东高州人，本科，工程师，主要从事变形监测、工程测量等工作。E-mail：0引言随着城市化进程的加快，城市人口激增，给城市土地资源带来巨大压力，深基坑工程成为推动城市可持续发展的重要途径1。深基坑工程涉及工程勘察、构建支护体系和土方开挖等，是一项综合性极强的临时工程，具有施工难度大、施工风险高和专业性强等特点，对施工技术和作业环境有着较高的要求2-3。支护结构是在基坑周围采用的加固和保护等措施，承担着挡土、防水和止水等作用，对维护基坑稳定和推动工程实施有着重要意义。其中地铁建设带来了众多基坑工程与隧道开挖项目，基坑工程不仅需要考虑土力学、岩石力学与工程地质学等，还需考虑水、土与围护结构的相互作用，且在基坑开挖中，大量的土体被挖出，这会破坏土体原有的平衡状态，造成地表沉降与坑底土体回弹。为此，本研究以广东省某地铁实际工程项目为例，对其施工过程中支护结构的变化进行了监测和分析，为地铁深基坑的施工建设提供参考。1地铁深基坑支护结构变形监测方法1.1基于某地铁车站深基坑的地质与水文条件测绘某地铁车站主体线路呈东西走向，车站主体结构为两层岛式结构，总长度为 527.64 m，高度为 14.25 m，标准宽为21.3 m，盾构井段深为 32.7 m，轨面埋深为 16.159 m。车站设置 4 个人行出口和 2 组风亭，其中所有出入口类型为开敞206月式出入口，风亭共 8 个风口，其中 1 号组风亭口为敞口高风亭，2 号组风亭为敞口矮风亭。工程地质概况如表 1 所示。岩土编号1-22-12-234岩土名称填土淤泥粉质黏土强风化页岩中风化页岩层厚/m232.75.83.6渗透系数k/(m/d)6.20.0010.0014.32.8重度r/(kN/m3)17.817.221.32628变形模量E0/MPa14752740内摩擦角k/()124.78123438表 1岩性特征及地基土力学参数由表 1 可知：地铁车站的土体构造由填土、淤泥、粉质黏土、强风化页岩和中风化页岩组成。其中，表层填土的厚度为 2 m，颜色呈灰黄色、黄褐色和杂色，土质松散、微湿，夹杂少量碎砖块和建筑垃圾，渗透性较高，不可作为天然地基层。淤泥层厚 3 m，颜色呈黄褐色、灰褐色和褐灰色，土层较薄，含腐殖物。填土、淤泥和粉质黏土层湿度高、变形模量较高，可增强支护结构的阻力。第三层和第四层为页岩，其层厚分别为 5.8 m 和 3.6 m，颜色呈褐红色，主要矿物成分包括石英、云母和长石等，其中强风化页岩岩芯为碎块状，中风化页岩岩芯为柱状，岩体较完整。强风化页岩层和中风化页岩层的岩体较厚，抗剪强度高，可为支护结构提供支撑。在地铁车站地质条件勘探完成后，还需对地铁车站沿线进行水文测绘。通过水文测绘后的工程具体水文地质条件如下：地表水发育脆弱，主要来源是降水，水面标高和宽度分别为 28.4 m 和 2.2 m，水深和流量分别为 0.6 m 和 358 L/d；地下水主要来源是降水和地表水补给，地下水位埋深为1.25 m14.6 m，水位深度年均变化幅度为 2.8 m3.2 m，水位在降雨季节较高，地下水位高程为 1354 m1698 m。地下水类型有上层滞水和块状基岩裂隙水，上层滞水主要赋存于填土层，富水性较差，渗透性较强；块状基岩裂隙水主要赋存于强风化页岩层，储水性能较好，富水性强。在对地铁车站深基坑地质条件和水文条件完成测绘任务的基础上，根据深基坑的面积大小、开挖深度、设备条件和周边环境保护范围等，制定有效可行的支护结构方案，并通过不同方案之间的优势和劣势对比，对支护结构方案进行调整改进，以确保支护结构的安全性和可靠性，在降低施工成本的同时保证施工进程的稳步推进。深基坑的支护结构是为保证地下结构与基坑周边环境的安全，对周边环境采用的保护措施。该地铁车站基坑开挖深度为 15.6 m18.9 m，基坑宽度为 22.6 m，根据 建筑基坑支护技术规程（JGJ1202012）以及 广州地区建筑基坑支护技术规定（GJB0298）的规定，在经过支护结构方案的改进后，选择地下连续墙维护与内支撑相结合的支护结构方案。地下连续墙通过浇筑方式可分为现浇式与预制式两类，现在工程师运用较多的是现浇式地下连续墙，其槽段形式主要有一字型、L 型、T 型与 型 4 种类型。内支撑根据材料组成分为钢支撑、钢筋混凝土支撑以及钢与混凝土组合支撑的 3 种形式。由于钢与混凝土组合支撑的形式具有施工速度快、工程成本低的特点，本研究选择钢与混凝土组合支撑的形式。连续墙的材料选择钢筋混凝土，连续墙的宽度为 4.8 m7.7 m，厚度为 0.9 m，固嵌深度为 3.2 m8.6 m。内支撑选择一道混凝土和两道钢管支撑，混凝土支撑的材料为 HPB235 钢筋和 HRB335 钢筋，其拉伸强度设计值分别为 210 N/mm2和 310 N/mm2，混凝土支撑的水平间距和竖向间距分别为 6 m 和 3 m；钢支撑材料选择 A3 钢和 Q345 钢，其屈服值分别为 235 MPa 和 345MPa，拉伸强度分别为 375 MPa 460 MPa 和 490 MPa 675MPa，钢管直径均为 16 mm，钢支撑的水平间距和竖向间距分别为 3 m 和 7 m。与其他系列的钢材相比，研究选取的钢材韧性更好，钢的综合机械与力学性能也更强，非常适合应用在低温地区，且塑性与焊接性能优秀。“地下连续墙维护+内支撑”的支护结构方案，利用墙体刚度大、渗透性低和不易变形等优势，提高支护结构的防水性能，保证支护结构在施工过程中的稳定性；钢支撑和混凝土支撑具有利用率高、受环境条件限制小等特点，能够降低经济成本，并提高作业环境的安全性。同时这种支护方案能够有效降低工程施工对周围环境的破坏程度，最大程度保护建筑物以及基础设施的使用。1.2支护结构变形监测设计支护结构的变形监测属于需要长期完成的测绘任务，其需要通过项目建设现场的监测与测绘任务，掌握现场基坑土体结构等工作状态信息，以此为依据调整施工方案和进程，并对未来的各项施工要素进行预测，制定施工预警方案，从而主动降低施工的危险系数，促进地铁深基坑施工的顺利开展。同时通过不断总结施工经验，掌握深基坑施工的规律，有利于提高地铁深基坑施工的技术水平。因此，支护结构的变形监测要保证连续性与可靠性，确保监测流程正确和监测数据准确，避免因忽略监测而导致安全事故问题。同时支护结构的变形监测方案需要具备科学性与规范性，严格遵循建筑基坑支护技术等相关规定，对深基坑的整体稳定性进行计算，保证深基坑工程顺利开展。其中深基坑的抗倾覆安全系数的计算式如式（1）所示：苏治明：地铁深基坑变形监测及支护结构设计优化研究21经纬天地Survey World2023年第3期No.32023式中：Mx和 Mq分别为主动土压力和被动土压力对支护桩底的弯矩。只有在深基坑稳定性得到保证后，才可制定相应的监测方案，然后需将该方法送达相关单位进行审核与确认，以确定监测方案的可行性与有效性。支护结构的变形监测对象既包括周边环境变化，也包括支护结构变化，其中周边环境变化的要素具体包括地下水位、土层水平和地表沉降，支护结构变化的要素具体包括支护结构位移、支护结构变形和裂缝、支撑轴力等。针对周边环境变化的监测，采用水位仪对地下水位进行监测，水位观测孔设置在距离基坑外侧 1.5 m 处，水位观测孔位置间隔为30 m，监测精度为 6 mm；利用测斜管对土层水平位移进行监测，采用焊接的方式将其固定在钢筋笼中，并将其置于观测孔中，观测孔之间的间距为 30 m，监测精度为 5 mm；采用水准仪对地表沉降进行监测，在基坑施工线路上设置观测点，每个观测点至少放置两个水准仪，观测点间距为 30 m，监测精度为 1 mm。针对支护结构变化的监测，利用全站仪对支护结构的位移进行监测，在桩顶冠梁处每 23 m 设置一个监测点，检测精度要求为 1 mm。支护结构变形和裂缝的监测仪器为测斜仪，将其用扎绑的方式固定在桩体上，监测点间隔为 30 m，检测精度为 1.5 mm；利用轴力计和钢筋计分别对钢管支撑轴力和混凝土支撑进行监测，在钢支撑边缘每 25 m设置一个轴力计监测点，钢筋计监测点与钢筋捆绑并埋设，检测精度0.01（Fs），支撑轴力的计算如式（2）所示：p=BF+cT+C（2）式中：B 为轴力计的标定系数；F为基准值与轴力计频率测量值之间的差值；T为基准值与轴力计温度测量值之间的差值；c 和 C 分别为轴力计的温度修正系数与计算修正值。所有要素的监测频率根据施工进程进行调整，在深基坑开挖初期，需要每天对支护结构位移情况进行一次监测，在深基坑主体建设完成后和稳定后，监测频率分别调整为一周三次和一周一次。支护结构变形监测流程，如图 1 所示。由图 1 可知：对支护结构的变形监测贯穿于深基坑施工的每一个环节，涉及位移、压力和变形等多种数据，需要将收集到的繁杂数据进行整理与分析，为支护结构的变形监测提供可靠准确的数据支持。支护结构的变形监测具有预见性，并针对检测过程中出现的异常值或异常倾向，及时调整项目方案和施工进度，维护支护结构的稳定性，保证周围环境的安全性。2地铁深基坑支护结构变形监测结果分析对某地铁车站深基坑的支护结构变形进行监测，监测时间从 2020 年 6 月开始，结束时间为 2020 年 8 月，监测对象包括地表沉降、桩顶位移、桩体位移和支撑轴力，其中对地表沉降的监测点有 DL87、DL88、DL89 和 DL90，对桩顶位移的监测点有 ZQC12、ZQC14、ZQC15 和 ZQC20，对支撑轴力的监测点有 ZL1、ZL2 和 ZL3。深基坑地表沉降变化如图 2 所示。由图 2 可知：深基坑地表沉降量整体变化呈下降趋势，在 7 月 30 日时，各观测点的沉降量均达到最低，其中 DL90观测点的深基坑沉降量最大，达到 17 mm。在开挖初期，深基坑地表沉降量下降较快，在 6 月 29 日至 7 月 9 日期间，地表沉降量有所减少，在 7 月底时地表沉降速度减缓。实验结果显示：该区域沉降最大值为 17 mm，且最后趋于稳定，全程数据均小于预警值 30 mm。可以看出：在开挖初期，由于支护结构建设不及时等原因，导致深基坑地表沉降速度较快，在后期支护结构稳定时，地表沉降速度有所减缓。桩顶位移变化如图 3 所示。由图 3 可知：ZQC20 测点的整体向基坑内侧位移量最大，其位移量保持在 1，15 区间内，ZQC15 测点向基坑内侧监测时间/（m/d）沉降量/mm监测时间/（m/d）位移/mm图 1支护结构变形监测流程K=MqMx（1）图 2深基坑地表沉降变化图 3桩顶位移变化226月位移量最大为 3 mm，向基坑外侧位移量最大为 10 mm，向基坑外侧位移量最大的是 ZQC20 测点，最大位移量为 15 mm。可以看出，在施工过程中桩顶位移变化频繁，这是由于开挖导致基坑周围环境变化，基坑受力不均导致的。桩体位移变化如图 4 所示。由图 4 可知：随着基坑的开挖，桩体水平位移量逐渐增大，在 7 月 30 日时，深基坑支护桩体位移量达到最大，从具体的桩深来看，在桩深 15 m 时水平位移量达到最高，为 3.2mm。在 6 月 1 日时，深基坑支护桩体位移量最小，整体保持在小于 1.0 mm 范围。同时出现最大位移量的位置呈下降趋势，7 月 15 日最大位移量的位置约为基坑深度 13 mm 处，相较于 6 月 15 日降低了 2.7 mm。实验结果表明：该地铁车站在基坑开挖的整个过程中，桩体水平位移变化较为缓慢，位移值逐渐增大，且并未产生突变。此外随着基坑开挖工作的开展，到基坑中部时，桩体水平位移呈现两头小中间大的抛物线型，这表明围护桩体上下两端变形受到了强有力的约束。可以看出，相较于桩体的位移量，桩顶的位移量变化较小，这意味着内支撑效果较好。支撑轴力变化如图 5 所示。由图 5 可知：第 1 道支撑轴力的最大值出现在 7 月 20日，达到 300 kN，第 2 道和第 3 道支撑轴力的最大值分别为120 kN 和 160 kN，总体来看，在开挖初期，3 道支撑轴力迅速增加；随着施工的进行，3 道支撑轴力均呈现出上升趋势，上升速度相较于施工初期有所减缓；在后期深基坑建设稳定时，3 道支撑轴力逐渐趋于稳定水平。同时 3 道支撑轴力出现反复起伏现象，这是天气和施工进程等因素影响导致的。3地铁深基坑支护结构设计结果探讨研究对某地铁车站深基坑的支护结构变形监测结果分析主要为地表沉降、桩顶位移、桩体位移和支撑轴力 4 个部分。首先是深基坑地表沉降随时间的变化情况分析，从整体角度观察，研究区域的地表沉降最大值为 17 mm，且不同观测点的监测会随着时间的变化趋于稳定，整体数据均未超过预警值 30 mm。这种变化是由于随着基坑的开挖，开挖面位置处的土体会存在潜在滑动的趋势，位移增大，进而产生垂直方向的位移。深基坑周围的土体变化情况表现为下降上升再下降的趋势，这是由于在深基坑开挖过程中，随着挖得越来越深，支护桩向坑内位移，深基坑周围的土体的应力状态改变，因而产生沉降变化。在施工中支护结构的增加，桩和桩后土体会受到向外的压力影响，土体就会产生向上的位移，但在内支撑预应力损失后，最后会再次转变为沉降。其次是桩顶位移随时间的变化情况分析，ZQC20 测点的整体向基坑内侧位移量最大，其位移量保持在 1，15 区间内，ZQC15 测点向基坑内侧位移量最大为 3 mm，向基坑外侧位移量最大为 10 mm，向基坑外侧位移量最大的是 ZQC20测点，最大位移量为 15 mm。桩顶位移频繁变化是因基坑开挖过程中桩顶会在外力作用下向基坑内发生位移。从整体角度分析，各观测点的位移量均未超过设定的阈值，这说明研究提出的支护结构优化设计对桩顶位移约束作用显著并具有显著的空间效应。然后是对桩体位移随时间的变化情况分析，在基坑开挖的开始阶段，桩体侧移较小，但随着施工的进行，桩体逐渐向基坑方向产生侧向位移。在钢支撑安装前就已发生一定的先期变形，因此在钢支撑安装后，水平位移得到有效控制。最后是支撑轴力随时间的变化情况分析，从整体角度看，3 道支撑轴力均表现出随开挖面积的增大而增大的趋势，且整体变化曲线较为平滑，偶尔有变化较强的现象出现，可能是受到施工进度或天气等因素的影响。第 1 道支撑轴力的增速较慢，第 2 道支撑轴力随基坑开挖的进程表现出快速增长的趋势，第 3 道支撑轴力最大为 160 kN，且均未超过设定的阈值。综合上述结果分析可得：研究提出的监测方法与支护结构设计均有较好的表现力，能为其他基坑设计提供一定程度的参考价值。4结语支护结构的变形监测有利于提高深基坑施工的安全性，降低经济损失和人员伤亡。研究以广东省某地铁实际工程项目为例，对其支护结构的变形进行了监测。监测时间/（m/d）支撑轴力/kN图 5支撑轴力变化图 4桩体位移变化桩身水平移动/mm桩深/m（下转第35页）苏治明：地铁深基坑变形监测及支护结构设计优化研究236月图 4新田村测量底图在完成新田村土地开发整理项目的外业测量作业后，作业人员还需对外业完成的工作底图进行内业编辑、绘制。一般会使用 AutoCAD 软件来编辑图形，使其形成复核图。在绘制复核图的过程中，需要按照实测比例尺和布局将外业数据展点。通过 AutoCAD 软件进行编辑处理后会产生大量的数据点，对照新田村外业测量时记录的点和编号，将测区内的沟渠、道路以及地界等进行实地连线，从而生成最终的工程复核图。依据相关规范要求，还需要将绘制好的复核图输出，并在实测图的固定位置上标明名称、编号以及外形轮廓和规模，实测点所在的具体坐标信息等。对于一些特殊的指令和标识符，还需要标清楚其所要表达的内容。同时，还要对复核图内的各地类面积进行计算，一般可采用已经测到的界址点坐标进行计算，并制作相关表格标注于复核图上，为新田村土地开发整理项目验收提供强有力的决策依据。新田村界线复核图如图 5 所示。3结语通过对博罗县新田村实例分析发现，将 RKT 技术应用于该工程地块复核中，可以省去复杂繁琐的测量流程，使作业人员在进行外业测量时可以连续作业完成全部测图，提升外业测量效率。同时，在内业处理中采用 RTK 技术，能够查清土地开发整理项目所涉及地块的数量、质量是否与竣工图一致，提高土地开发整理项目的测量精度。由此可见，在新田村土地开发整理项目验收工作中应用 RTK 技术能够满足获取数据的需求，不仅大大降低测绘人员的劳动强度，还提高复核数据的精度与准确性，为土地开发整理项目验收顺利完成提供精准的数据支持。参考文献：1韩兴辉,冯翠芹.GPS-RTK技术在土地确权测量中的应用J.安徽农业科学,2016(6):242-243,247.2柴莹莹.浅析测绘新技术在地质工程测量中的应用J.中国金属通报,2022(3):84-86.3商红波,杨秀德.一种基于作业流的农经权多源数据质量检查方法J.北京测绘,2019(2):216-221.图 5新田村界线复核图监测结果中，深基坑地表沉降最大达到 17 mm，桩顶位移向基坑外侧位移量最大为 18 mm，向基坑内侧位移量最大为 15mm，桩顶位移变化较为频繁；桩体水平位移量最高为 3.2 mm。随着施工进度的推进，最大位移量的桩体位置呈下降趋势；3道支撑轴力的最大值分别为 300 kN、120 kN 和 160 kN。可以看出，支护结构在施工初期变形明显，随着施工进程的推进，支护结构逐渐稳定。在施工过程中，由于天气和周围环境等因素变化，导致支护结构变形频率较高，因此在深基坑的支护结构变形中，需要提高对突发事件因素的重视度，实现安全作业。参考文献：1王峰,高月新,周勋,等.砂卵石地层深基坑围护结构变形监测与模拟J.科技通报,2020(2):74-79.2俞晓,宋雷.空间效应下不规则深基坑的支护体系变形分析J.武汉科技大学学报,2020(5):384-389.3李篷,王红梅,王若锋,等.基于优化的BP神经网络算法的深基坑沉降预测J.经纬天地,2020(3):101-104.（上接第23页）任文勇：RTK 技术在新田村土地开发项目中的应用35