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摘要
本文針对沈阳地区地铁车站深基坑施工过程中围护结构及周围地表变形特性研究相对薄弱的现状，借鉴前人研究软土基坑变形特性的途径，以沈阳下深沟站地铁车站深基坑工程为依托，通过现场监测手段对基坑的变形特性进行研究。监测数据显示在钻孔灌注桩与钢支撑联合支护条件下基坑的围护结构变形和周围地表沉降能够得到很好的控制，围护结构和周围地表变形具有较强的时间效应，变形量随时间逐渐增大，土方开挖阶段桩体变形不大且成随机性，在开挖完成45天后桩顶至埋深13m侧移大体相等，向下至桩端侧移量逐渐接近为零。
关键词：深基坑工程；基坑变形；支护结构变形 ；桩体变形
中图分类号：TV551文献标识码： A
0引言
21世纪以来，我国现代化进程持续快速发展，城镇化程度不断加强，城市地下空间的开发与利用逐渐成为缓解城市空间资源急缺困境的重要途径。为了减轻城市的巨大交通压力，从20世纪后期我国开始发展地铁建设，但大部分地铁建设多集中在东部沿海地区，由于这些地区为软土，导致我国目前关于地铁建设的相关资料多以软土为主要研究对象[1-3]。近年来，东北地区地铁建设的迅猛发展，哈尔滨、沈阳、大连、旅顺、长春已经或即将进行大规模的地铁建设，已有的资料只具有借鉴意义，没有实际应用可行性，因此迫切需要对东北地区深基坑变形特性进行研究，为地铁建设提供有利的保障[4-6]。这对沈阳地区乃至东北地区地铁车站深基坑及其他类似基坑工程的设计和施工具有重要的指导意义。
1.工程概况
沈阳下深沟站从里程桩号K20+323.600起至里程桩号K20+493.100止，中心里程为K20+390.000，车站总长169.5m，标准段净宽17.3m。本车站为明挖岛式站台车站，车站设置四个出入口（预留两个）、两个风道及一个消防专用通道等附属结构。有效站台宽度10m，双层双跨局部三跨的箱形框架结构，顶板覆土约3.5m，底板埋深约17m，基坑宽度19.5~23.5m。
1.1场地地层及岩性特征
依据区域地质资料以及详细勘察结果，拟建场地地貌单元属浑河新冲积扇。地面基本平坦，钻孔孔口标高45.07m~46.08m。具体的地基组成见表1。
1.2水文地质条件及围护结构设计
拟建场地地下水类型属第四系松散岩类孔隙潜水，下深沟站基坑地下水的补给为侧向迳流。地下水总体流向为由东北向南西。勘察期间水位埋深12.4~14.8m。
基坑采用800@1200mm钻孔灌注桩加内支撑作为支护结构，内支撑为609，t=12钢管支撑，桩顶设800×800mm冠梁，桩间采用挂网喷射混凝土保持桩间土稳定。
表1 场地地基土的组成
Tab.1 site foundation soil composition
地质年代 地层代号 层底标高（m） 岩体名称 岩性
Q4m1 ① 43.39~45.26 粉质粘土 黄褐色~灰褐色，偏松散，稍湿。
Q41al+pl ④1 19.68~23.81 粉质粘土 棕黄色~褐黄色，硬塑局部软塑。
Q41al+pl ④1-1 粉质粘土 深灰色~灰黑色，硬塑局部软塑。
Q41al+pl ④2 粉细砂 浅黄色~灰褐色，中密，稍湿，粘性土含量约为20%
Q41al+pl ④4 砾砂圆砾 浅黄色~黄褐色，中密~密实，含粘性土约15~30%
Q32al+pl ⑤4 10.03~14.49 砾砂圆砾 黄褐色，中密~密实，饱和，含粘性土约为10-20%
Q2gl ⑦1 泥砾 褐黄色，密实,饱和，粘性土含量较大，约为20~25%
2车站变形监测资料
2.1桩体变形监测
测斜是基坑工程中主要量测项目，也是最能够直接反映围护结构安全状况的量测项目[7]。观测点布置时，在车站主体两侧的围护桩中，对称布置观测点，深度与桩长等深，竖向两米一个，长短边中点。其布设示意如下图1所示：
Fig.1 Piles deformation monitoring arrangement
2.2支撑内力监测
采用轴力计来监测其支撑轴力的变化，轴力计安装在钢管支撑两端，有专用的支持器以保证加装了轴力计的钢管支撑的正常工作。
3监测结果分析
3.1 开挖过程中桩体变形
分别取桩体cx4，cx6，cx12在开挖过程至三个不同深度时的桩体横向变形监测资料，及开挖完成后第15、30、45、60、90天的桩体侧向变形实测资料，绘成下图所示变形曲线。
（a）开挖阶段（b）开挖后
图2 桩体cx4在不同阶段的变形
Fig.2 Pile cx4 deformation at various stages
（a）开挖阶段（b）开挖后
图3 桩体cx6在土方开挖不同阶段的变形
Fig.3 Pile cx6 deformation at various stages
（a）开挖阶段 （b）开挖后
图4 桩体cx12在土方开挖不同阶段的变形
Fig.4 Pile cx12 deformation at various stages
桩体变形实测表明：在基坑开挖阶段，桩体侧向变形基本能够控制在1mm以内，绝大部分在0.5mm以内，并且桩体变形呈现出向基坑内外交替变换的特征[8-9]。
当开挖完成约45天左右后，受土体流变性及应力重分配的影响，桩体变形得到充分发展，具体表现出：桩顶至桩埋深13m左右，变形大体相等；桩埋深在13m以下至桩端侧向变形逐渐接近为零。
当开挖完成后2个月后桩体变形速度明显降低，变形量趋于稳定。
(a) 测点2075 (b) 测点2077
(c) 20584测点(d) 2078测点
图5轴力监测
Fig.5 axial force monitoring
3.2 钢支撑轴力变化
本基坑预应力施加为设计轴力的50%，根据深基坑工程施工过程中轴力计监测轴力数据，绘出不同支撑轴力变化曲线，试图分析钢支撑轴力变化规律。图5分别选取典型轴力监测数据描述了钢支撑预应力施加后轴力计的轴力变化曲线：
轴力监测数据显示，钢支撑轴力设计值与实际监测值有较大的偏差，钢支撑实际所受轴力约为设计轴力的1/3~1/5左右。
4 结论
（1）通过对桩体变形曲线的表明，在开挖最初阶段桩体变形呈现出随机性，而后随着一段时间的变形累加在大约45天左右桩体变形表现出：桩顶至桩埋深13m左右，桩体变形大体相等；桩埋深在13m以下至桩端侧向变形逐渐接近为零。当开挖完成后2个月后桩体变形速度出现明显降低，其变形量逐渐趋于稳定，此段时间桩体最大侧移量控制在5mm范围内。
（2）轴力监测数据显示，钢支撑轴力设计值与实际监测值有较大的偏差，钢支撑实际所受轴力约为设计轴力的1/3~1/5左右。对今后同类问题具有一定借鉴意义。
[1] 刘兴旺,施祖元,益德清,等.软土地区基坑开挖变形性状研究[J]. 岩土工程学报,1999,21(4):456-460.
[2] 高盟,高广运,冯世进,等.基坑开挖引起紧贴运营地铁车站的变形控制研究[J].岩土工程学报,2008,30(6):818-823.
[3] Yu-Geng Tang,Gordon Tung-chin Kung.Investigating the effect of soil models on deformations caused by braced excavations through an inverse-analysis technique[J].Computers and Geotechincs,2010,37:769-780.
[4] 高翠玲,宋德文,袁茂才.沈阳地铁岩土工程条件分析[J]. 资源环境与工程.2007,21(5):678-682.
[5] 付艳斌,杨骏,王铁行.深基坑开挖及被动区土体应力分析[J].广西大学学报:自然科学版,2009,34(3):301-304.
[6] 俞建霖,龚晓南,基坑工程变形性状研究,土木工程学报[J].2002,35(4):86~90
[7] 宰金氓，梅国雄.全过程的沉降量预测方法.岩土力学[J],2000(4).322-325.
[8] 唐孟雄,陈如桂,陈伟.基坑工程变形控制[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2006.
[9] 李征,杨罗沙,炊鹏飞.西安某地铁车站超深基坑支护变形监测与分析[J]. 西部探矿工程,2011,1(10): 182-189.
[10] Li Zheng, Yang Rocha，Chui Pengfei Xi'an a metro station deep excavation deformation monitoring and analysis [J]. EXPLORATION Engineering, 2011,1 (10): 182-189.
本文針对沈阳地区地铁车站深基坑施工过程中围护结构及周围地表变形特性研究相对薄弱的现状，借鉴前人研究软土基坑变形特性的途径，以沈阳下深沟站地铁车站深基坑工程为依托，通过现场监测手段对基坑的变形特性进行研究。监测数据显示在钻孔灌注桩与钢支撑联合支护条件下基坑的围护结构变形和周围地表沉降能够得到很好的控制，围护结构和周围地表变形具有较强的时间效应，变形量随时间逐渐增大，土方开挖阶段桩体变形不大且成随机性，在开挖完成45天后桩顶至埋深13m侧移大体相等，向下至桩端侧移量逐渐接近为零。
关键词：深基坑工程；基坑变形；支护结构变形 ；桩体变形
中图分类号：TV551文献标识码： A
0引言
21世纪以来，我国现代化进程持续快速发展，城镇化程度不断加强，城市地下空间的开发与利用逐渐成为缓解城市空间资源急缺困境的重要途径。为了减轻城市的巨大交通压力，从20世纪后期我国开始发展地铁建设，但大部分地铁建设多集中在东部沿海地区，由于这些地区为软土，导致我国目前关于地铁建设的相关资料多以软土为主要研究对象[1-3]。近年来，东北地区地铁建设的迅猛发展，哈尔滨、沈阳、大连、旅顺、长春已经或即将进行大规模的地铁建设，已有的资料只具有借鉴意义，没有实际应用可行性，因此迫切需要对东北地区深基坑变形特性进行研究，为地铁建设提供有利的保障[4-6]。这对沈阳地区乃至东北地区地铁车站深基坑及其他类似基坑工程的设计和施工具有重要的指导意义。
1.工程概况
沈阳下深沟站从里程桩号K20+323.600起至里程桩号K20+493.100止，中心里程为K20+390.000，车站总长169.5m，标准段净宽17.3m。本车站为明挖岛式站台车站，车站设置四个出入口（预留两个）、两个风道及一个消防专用通道等附属结构。有效站台宽度10m，双层双跨局部三跨的箱形框架结构，顶板覆土约3.5m，底板埋深约17m，基坑宽度19.5~23.5m。
1.1场地地层及岩性特征
依据区域地质资料以及详细勘察结果，拟建场地地貌单元属浑河新冲积扇。地面基本平坦，钻孔孔口标高45.07m~46.08m。具体的地基组成见表1。
1.2水文地质条件及围护结构设计
拟建场地地下水类型属第四系松散岩类孔隙潜水，下深沟站基坑地下水的补给为侧向迳流。地下水总体流向为由东北向南西。勘察期间水位埋深12.4~14.8m。
基坑采用800@1200mm钻孔灌注桩加内支撑作为支护结构，内支撑为609，t=12钢管支撑，桩顶设800×800mm冠梁，桩间采用挂网喷射混凝土保持桩间土稳定。
表1 场地地基土的组成
Tab.1 site foundation soil composition
地质年代 地层代号 层底标高（m） 岩体名称 岩性
Q4m1 ① 43.39~45.26 粉质粘土 黄褐色~灰褐色，偏松散，稍湿。
Q41al+pl ④1 19.68~23.81 粉质粘土 棕黄色~褐黄色，硬塑局部软塑。
Q41al+pl ④1-1 粉质粘土 深灰色~灰黑色，硬塑局部软塑。
Q41al+pl ④2 粉细砂 浅黄色~灰褐色，中密，稍湿，粘性土含量约为20%
Q41al+pl ④4 砾砂圆砾 浅黄色~黄褐色，中密~密实，含粘性土约15~30%
Q32al+pl ⑤4 10.03~14.49 砾砂圆砾 黄褐色，中密~密实，饱和，含粘性土约为10-20%
Q2gl ⑦1 泥砾 褐黄色，密实,饱和，粘性土含量较大，约为20~25%
2车站变形监测资料
2.1桩体变形监测
测斜是基坑工程中主要量测项目，也是最能够直接反映围护结构安全状况的量测项目[7]。观测点布置时，在车站主体两侧的围护桩中，对称布置观测点，深度与桩长等深，竖向两米一个，长短边中点。其布设示意如下图1所示：
Fig.1 Piles deformation monitoring arrangement
2.2支撑内力监测
采用轴力计来监测其支撑轴力的变化，轴力计安装在钢管支撑两端，有专用的支持器以保证加装了轴力计的钢管支撑的正常工作。
3监测结果分析
3.1 开挖过程中桩体变形
分别取桩体cx4，cx6，cx12在开挖过程至三个不同深度时的桩体横向变形监测资料，及开挖完成后第15、30、45、60、90天的桩体侧向变形实测资料，绘成下图所示变形曲线。
（a）开挖阶段（b）开挖后
图2 桩体cx4在不同阶段的变形
Fig.2 Pile cx4 deformation at various stages
（a）开挖阶段（b）开挖后
图3 桩体cx6在土方开挖不同阶段的变形
Fig.3 Pile cx6 deformation at various stages
（a）开挖阶段 （b）开挖后
图4 桩体cx12在土方开挖不同阶段的变形
Fig.4 Pile cx12 deformation at various stages
桩体变形实测表明：在基坑开挖阶段，桩体侧向变形基本能够控制在1mm以内，绝大部分在0.5mm以内，并且桩体变形呈现出向基坑内外交替变换的特征[8-9]。
当开挖完成约45天左右后，受土体流变性及应力重分配的影响，桩体变形得到充分发展，具体表现出：桩顶至桩埋深13m左右，变形大体相等；桩埋深在13m以下至桩端侧向变形逐渐接近为零。
当开挖完成后2个月后桩体变形速度明显降低，变形量趋于稳定。
(a) 测点2075 (b) 测点2077
(c) 20584测点(d) 2078测点
图5轴力监测
Fig.5 axial force monitoring
3.2 钢支撑轴力变化
本基坑预应力施加为设计轴力的50%，根据深基坑工程施工过程中轴力计监测轴力数据，绘出不同支撑轴力变化曲线，试图分析钢支撑轴力变化规律。图5分别选取典型轴力监测数据描述了钢支撑预应力施加后轴力计的轴力变化曲线：
轴力监测数据显示，钢支撑轴力设计值与实际监测值有较大的偏差，钢支撑实际所受轴力约为设计轴力的1/3~1/5左右。
4 结论
（1）通过对桩体变形曲线的表明，在开挖最初阶段桩体变形呈现出随机性，而后随着一段时间的变形累加在大约45天左右桩体变形表现出：桩顶至桩埋深13m左右，桩体变形大体相等；桩埋深在13m以下至桩端侧向变形逐渐接近为零。当开挖完成后2个月后桩体变形速度出现明显降低，其变形量逐渐趋于稳定，此段时间桩体最大侧移量控制在5mm范围内。
（2）轴力监测数据显示，钢支撑轴力设计值与实际监测值有较大的偏差，钢支撑实际所受轴力约为设计轴力的1/3~1/5左右。对今后同类问题具有一定借鉴意义。
[1] 刘兴旺,施祖元,益德清,等.软土地区基坑开挖变形性状研究[J]. 岩土工程学报,1999,21(4):456-460.
[2] 高盟,高广运,冯世进,等.基坑开挖引起紧贴运营地铁车站的变形控制研究[J].岩土工程学报,2008,30(6):818-823.
[3] Yu-Geng Tang,Gordon Tung-chin Kung.Investigating the effect of soil models on deformations caused by braced excavations through an inverse-analysis technique[J].Computers and Geotechincs,2010,37:769-780.
[4] 高翠玲,宋德文,袁茂才.沈阳地铁岩土工程条件分析[J]. 资源环境与工程.2007,21(5):678-682.
[5] 付艳斌,杨骏,王铁行.深基坑开挖及被动区土体应力分析[J].广西大学学报:自然科学版,2009,34(3):301-304.
[6] 俞建霖,龚晓南,基坑工程变形性状研究,土木工程学报[J].2002,35(4):86~90
[7] 宰金氓，梅国雄.全过程的沉降量预测方法.岩土力学[J],2000(4).322-325.
[8] 唐孟雄,陈如桂,陈伟.基坑工程变形控制[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2006.
[9] 李征,杨罗沙,炊鹏飞.西安某地铁车站超深基坑支护变形监测与分析[J]. 西部探矿工程,2011,1(10): 182-189.
[10] Li Zheng, Yang Rocha，Chui Pengfei Xi'an a metro station deep excavation deformation monitoring and analysis [J]. EXPLORATION Engineering, 2011,1 (10): 182-189.