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北京地铁明挖车站典型支护结构的变形规律研究
发布日期:2018-12-19 14:43:16

徐     凌1 张顶锋2 张     吴1
(1.北京市轨道交通建设管理有限公司    北京   100068;  2.中铁第五勘察设计院集团有限公司    北京   102600)
 

摘    要  :为研究明挖车站典型支护结构的变形规律, 对北京地铁 6 号线二期 7 座砂性地层中分别采用围护 桩 +锚索、围护桩 +钢支撑、地下连续墙 +钢支撑 3 种 支护形式的明挖车站深基坑变形监测数据进行分析, 并与以往类似工程进行对比。  研究表明:围护桩 +锚 索、围护桩 +钢支撑形式下的地表沉降在 0.15%H以 内( H为开挖深度),地下连续墙 +钢支撑形式下的地 表沉降在 0.1%H以内,3 种支护形式下的基坑外地表 沉降最大值所在位置与基坑边的距离大致为 0.5  ~ 0.7H,且沉降影响范围约为 1.5H;3 种支护形式下的桩顶水平位移在 0.1%H以内;围护桩 +锚索和地下连续 墙 +钢支撑形式下的桩( 墙) 体水平位移在 0.1%H以 内,围护桩 +钢 支撑形式下的桩 ( 墙) 体水平位移在 0.15  %H以内,3 种形式下基坑最大桩( 墙) 体水平位 移所在深度分别为 0.3 ~0.4H、0.4 ~0.7H及 0.5H。
关键词 : 地铁车站;深基坑;支护结构;变形规律
中图分类号  :  U231    文献标志码    A
文章编号  :  1672   6073(2016)01   0047   04
 
 
       明挖法作为地铁车站的一种主要施工工法,正随 着国内地铁建设的蓬勃发展而得到广泛应用,在地铁 明挖基坑工程施工过程中, 基坑饵塌的事例多次出 现[1 3] ,为此,工程参建各方均十分重视基坑开挖后地表 沉降、支护结构水平位移等监测项目的实施。 目前,已有 大量针对明挖基坑工程施 工 变 形 规 律 的 研 究[4 8] ,涉及北京地铁明挖基坑的分析 研 究 也 为 数 不 少, 但 是 结合地层 针 对 北 京 地 铁 明 挖 基 坑 典 型 支 护 结 构 下 的变形规律进行对比的研究 较 少, 同 时 对 近 年 来 在 北京地铁 建 设 过 程 中 新 采 用 的 地 下 连 续 墙  +内 支 撑支护形 式 的 分 析 也 较 少, 因 此, 在 地 铁 工 程 建 设 大规模发展的背景下, 笔 者 将 结 合 北 京 地 铁 6  号 线 二期工程 7 座明挖车站在不同支护结构形式下的变 形监测数据,研究地铁明挖车 站 典 型 支 护 结 构 的 变 形规律。


1   工程概况
       已于 2014 年底通车试运营的北京地铁 6 号线二 期工程共设车站 8 座,其中采用明挖车站 7 座。 这些 明挖车站共涉及 3 种围护结构形式:围护桩 +锚索、围 护桩 +内支撑和地下连续墙 +内支撑( 以下分别简称 为桩锚、桩撑和墙撑),其中郝家府站是北京地铁首批 采用地下连续墙 +内 支撑作为支护体系的工点。 这 7 座明挖车站的基本概况及地质情况如表 1 所示,可以 看出,各车站基坑开挖深度和所处地层相近,基坑开挖 深度 H均为 20  m左右,开挖地层主要为粉细砂、细中 砂和中粗砂,部分夹杂粉质蒙土夹层,存在一定的层间 滞水。

2   各种支护形式的基坑变形对比
       7 座明挖车站在建设过程中针对基坑外地表沉降、 桩顶水平位移、桩体水平位移等,按要求实施了监测, 以下对各类型监测数据进行分析。


2.1 地表沉降
       通过对 7 座明挖车站基坑外地表沉降监测数据的 汇总统计,结果显示:桩锚形式下地表沉降累计有 97% 小于 30  mm,且大部分为 10 ~20  mm;桩撑形式下地表 沉降累计有 77%小于 30  mm,且大部分为 10 ~20  mm;墙撑形式下地表沉降均小于 30  mm,有 97% 在 20  mm 以内,且大部分为 5 ~10  mm。  北京地铁明挖基坑支护 结构 背 后 土 体 地 表 沉 降 的 控 制 值 为 三 0.15% H及三30  mm中的较小值[9] ,结果表明,这 3 种支护形式下 的地表沉降均可控制在要求范围内,且墙撑形式下基 坑外的地表沉降更小( 三0.1%H) 。
3   种支护形式下基坑外地表沉降主测断面的数据如图 1 所示( 数值为正代表隆起,数值为负代表沉降)。

       1) 7 座车站的基坑外地表沉降均表现为凹槽形沉 降曲线,即地表沉降随测点与基坑侧壁距离呈现先增 大而减小的变化,沉降最大处不是在基坑侧壁,而是在 离基坑侧壁一定距离处,说明各明挖车站支护结构施 作及时、钢支撑及锚索的预应力施加及时,支护结构体系可正常发挥作用。
       2)  刘国彬等认为对于基坑外发生的凹槽形地表 沉降,最大沉降值的发生位置根据统计的情况一般介 于(0.4 ~0.7) H之间。  李淑等对北京地铁 4、5、10 号线等 30 座明挖车站的现场实测数据进行统计分析后认为, 基坑外地表最大沉降发生处距基坑侧壁 10 ~15 m。  而在 本工程中,桩锚形式下地表测点大致在距离基坑侧壁 10 ~15 m的位置发生最大沉降,桩撑形式的对应点在距离 基坑约不到 10  m的位置,墙撑形式的对应点在距离基 坑10 ~13  m位置,即 3 种支护形式下地表沉降最大值 所在位置与基坑边的距离为(0.5 ~0.7) H。
       3)  刘国彬等认为地表沉降范围一般为(1 ~4) H,李 淑等的研究表明距基坑坑壁 30 m以外的地表变形微小, 张庚涛的研究表明,在砂卵石地层中,开挖深度 H约为 16.1 m的北京地铁明挖基坑(桩撑支护体系),距离基坑 边 1H时的地表沉降几乎为 0。  而在本工程中,可推知各 种支护形式下基坑侧壁外 30 m处的地表沉降较小,说明 在砂层土体中地表沉降影响范围较砂卵石地层更大一 些,约为 1.5 H,这也与《 城市轨道交通工程监测技术规 范》(GB50911 2013)[10] 提出的北京地铁明挖基坑地表 沉降的主、次影响区为基坑外(0 ~2)H范围相吻合。


2.2  桩( 墙) 顶水平位移
3 种支护形式下的基坑桩( 墙) 顶水平位移与对应

       基坑深度的比值分布情况如图 2 所示。
       由图 2 可知,3 种支护形式的桩顶( 墙) 水平位移 基本均在 0.1%  H以内( 墙撑形式为全部在 0.1%  H 以内), 其 中 桩 锚 形 式 下 桩 顶 水 平 位 移 主 要 范 围 为(0.02 ~0.07) % H,桩撑形式与墙撑形式下的桩 ( 墙) 顶水平位 移 的 分 布 较 为 类 似, 主 要 范 围 为 ( 0.07  ~ 0.1) %H,北京地铁明挖基坑桩顶水平位移的控制值为三0.15%H及三30 mm中的较小值,说明 3 种支护形式 下的桩( 墙) 顶水平位移均可控制在要求范围内。
      同时,通过分析李淑等提供的北京地铁 22 个明挖工程( 支护形式为复合土钉墙、桩 +钢支撑 +锚索、桩+钢支撑、桩 +锚索等) 的桩顶水平位移监测数据,结 果显示:有 19 个工程的桩顶水平位移方向全部向基坑 内,其中桩顶水平位移最大为 23.5  mm,与开挖深度之 比最大为 0.15%H,平均为 0.07%H。  张钦喜等[11] 通 过对北京国贸中心三期深基坑( 深度 H约为 22  m,总 体采用上部土钉墙加下部桩锚的支护形式,局部采用 地下连续墙支护) 在开挖过程中监测结果的分析,表明 在正常情况下桩锚支护的位移一般不会超过 0.1%H, 说明本次研究结果与以往成果是匹配的。
2.3  桩( 墙) 体水平位移3 种支护形式下基坑最大桩( 墙) 体水平位移与对 应基坑深度的比值分布情况如图 3 所示。

       由图 3 可知,桩锚和墙撑形式下的桩( 墙) 体水平位移 基本均在 0.1%H以内,桩撑形式桩体水平位移分部较 为离散,(0.04 ~0.14) %H之间均有分布,桩撑形式桩 体水平位移大于 0.15%H的有两个,分别是0.181%H、 0.215%H。  北京地铁明挖基坑桩( 墙) 体水平位移的 控制值为三0.15%H及三30 mm中的较小值,说明 3 种 支护形式下的桩体水平位移均可控制在要求范围内。
       同时,通过分析李淑等提供的北京地铁 22 个明挖工程( 支护形式为复合土钉墙、桩 +钢支撑 +锚索、桩+钢支撑、桩 +锚 索等) 的桩体最大水平位移监测数 据,结果显示:桩体最大水平位移方向全部向基坑内,位移最 大 为 45.8  mm, 与 开 挖 深 度  H之 比 最 大 为 0.218%,平均为 0.095%,说明本次研究结果与以往成 果是匹配的。
       3 种支护形式下,基坑最大桩( 墙) 体水平位移所在深度与对应基坑深度的比值分布情况如图 4 所示。
       由图 4 可知,桩锚、桩撑、墙撑结构支护形式下基坑最大桩( 墙) 体水平位移所在深度与对应基坑深度的比值大致在 0.3 ~0.4、0.4 ~0.7 及 0.5 左右。

3   结语
       通过分析北京地铁 6 号线二期 7 座开挖深度约为20 m,在砂层地质条件下,桩锚、桩撑和墙撑等 3 种不同支护形式明挖车站基坑变形监测数据,可得到以下结论:
      1)  桩锚、 桩撑形式下的地表沉降在 0.15% H以 内,墙撑形式下的地表沉降在 0.1% H以内;3 种支护 形式下的基坑外地表沉降规律类似,地表沉降均表现 为凹槽形曲线,最大值所在位置与基坑边的距离大致 为(0.5   0.7) H,影响范围约为 1.5H( H为开挖深度);
       2) 3  种 支 护 形 式 下 的 桩 顶 水 平 位 移 在 0.1% H以内;
       3) 桩锚和墙撑形式下的桩(墙)体水平位移在0.1%H 以内,桩撑形式下的桩(墙)体水平位移在0.15%H以内;桩 锚、桩撑、墙撑形式下基坑最大桩( 墙) 体水平位移所在深 度大致为(0.3 ~0.4)H、(0.4 ~0.7)H及 0.5H。
       4)  与桩锚、桩撑形式相比,地下连续墙 +钢 支撑( 墙撑) 支护形式的控制支护体系变形效果更好,且该 种支护形式不必提前在基坑外进行降水,施工安全更 有保障,工程质量更好,因此在北京地铁地下水丰富地 区修建明挖车站时具有明显的优越性。






收稿日期, 2015 08 12
作者简介, 徐凌,男,工学博士,高级工程师,主要从事地铁工程建设 技术与安全管理工作,94550061@qq com
基金项目, 北京市科技新星计划资助项目( Z121106002512086} ;
科 技 北 京 百 名 领 军 人 才 培 养 工 程 资 助 项 目( Z121106002612017}

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