1. 研究目的与意义（文献综述）

随着城市现代化建设的不断发展，城市建设用地日益减少，并且越来越多的人涌入城市，有限的城市地面空间己不能满足人们日益增长的生活和工作需要，使得我们更多地向高度上寻找发展空间。目前，各类地下工程诸如越江隧道、地铁车站和区间隧道、地下车库、地下商场、地下街道、地下医院、地下仓库、地下民防工事及包括地下车道的高架、立交交通网已到处可见。国外著名的地下工程有法国巴黎的中央商场，美国明尼苏达大学土木与采矿工程系的办公大楼和实验室，日本东京八重洲的地下街等。这些工程的共同特点之一是都需进行大规模地下开挖，其中主要手段之一是基坑工程施工。

20世纪是地上工程发展的世纪，而21世纪则是地下工程的世纪。随着生产力的发展和技术理论的日趋建立与成熟，地下工程的发展也日新月异。无论是在国内还是国外，特别是在近10年中，基坑工程工程发展步伐更是加快。例如天津和黄地铁广场工程建筑物总高度240.6m，建筑面积32.52万平方米，是天津市南京路沿线上的地标建筑。基坑开挖长度为180m，宽90m，深度20m。该工程基坑支护形式采用地下连续墙，与结构楼板内连接。连续墙施工厚度为1000mm，施工深度为34.4m，施工长度567.987m，共98槽。轨道交通亦庄线肖村桥车站基坑开挖深度16.7m，基坑长192.4，宽19.7，总建筑面积10200平方米。国外深基坑工程多采用地下连续墙，其技术成熟可靠，能挡土阻水，并可作为永久性承重结构，其厚度1.0m--1.5m，深40m--50m。

意大利成功研制出一种名为romill的碾磨机，依靠传感器的数据采集系统对施工过程实时反馈并指导施工。同时利用废土处理技术实现文明施工。国外注重对施工过程实时监测，利用电脑数据采集系统跟踪反馈相关技术参数变化，不断完善设计或施工方案。近年来，复合锚喷支护、smw工法、双（多）排桩、围筒支护、高压喷射注浆法等施工技术都取得了重大发展。基坑工程是为保证基坑施工、主体地下结构的安全和周围环境不受损害而采取的支护结构、降水和上方开挖与回填，包括勘察，设计、施工、监测和检测等。基坑工程是一个综合性的岩土工程，既涉及土力学中典型的强度、稳定与变形问题，又涉及土与支护结构的相互作用问题。

2. 研究的基本内容与方案

湖北省武汉市于2016年开始动工建设武汉轨道交通5号线项目，武汉轨道交通5号线从武汉火车站至青菱南三环站，全长35.57 km，设站25座。该线路位于长江南岸，南北向贯穿武昌全镇，沟通顺江方向的重要客运交通走廊，连接了青菱白沙组团、司门口商圈、武昌滨江活动区、徐东商圈、杨园生活组团、青山滨江商务区、武钢厂前片区、武汉火车站等诸多城市热点区域，是一条服务于武昌内的轨道交通骨架线路，同时也是武汉轨道交通网中的重要干线。

本文主要对武汉市地铁五号线建设二路站建造过程中基坑开挖的施工方法和监控监测进行研究，通过对过去与当前以及国内外基坑设计开挖的施工技术方法的比较，不断对比优化，在安全与经济上取得相对平衡，得到最优的基坑施工方法与监控监测方法。

建设二路站为5号线工程第19座车站，位于武汉市青山区。和平大道规划道路红线宽60m，建设二路规划道路红线宽20m，均属于城市干道，人流、车流量较大。车站周边建筑环境良好，东南象限有四十七街坊（青山区政府已经规划拆除），武汉冶金建筑研究院，砖混1--4层结构，条形基础埋深0.5--1.0m，距离基坑约50m；东北象限有武商众圆广场，距离基坑约19.5m；西北象限有武商建二商场、青江小区，建二商场附楼为砖混2--4层结构，天然地基，青江小区为4--6层砖混结构，天然地基，距离基坑约16m；西南象限有冶勘金地花园、中国冶金地质总局中南局,距离基坑约40m，冶勘金地花园为4--5层砖混结构，条形基础埋深约1.0m。

武汉市地铁五号线建设二路站基坑施工的主要监测内容及监测方法如下：

现场安全巡视

1.主要巡视内容如下：

①车站周边建筑开裂、变形；②车站周边地表开裂、沉陷；③墩台或梁体开裂、剥落情况，包括裂缝宽度、深度、数量、走向、剥落体大小、发生位置、发展趋势等；④地下管线管体或接口破损、渗漏，以及检查井等附属设计的开裂及进水。

2.地表沉降

1）监测目的

地下工程开挖后，地层中的应力扰动区延伸至地表，围岩力学形态的变化在很大程度上反映于地表沉降，且地表沉降可以反映结构施工过程中围岩变形的全过程。尤其是对于城市浅埋地下工程，若在其地表有建筑物时就必须对地表沉降情况进行严格的监测和控制。

2）监测仪器

水准仪。

3）监测实施

(1) 基点埋设

首先，基点应埋设在沉降影响范围以外的稳定区域内；其次应埋设至少3个以上，以便基点互相校核；基点的埋设要牢固可靠，应和附近水准点联测取得原始高程。

基坑地表测点埋设是沿基坑围护结构外侧开始布点，测点间距不大于20m。基坑地表沉降点布设示意图如下图1所示：

图1 基坑地表沉降点布设示意图

图2地表测点埋设示意图及实物照片

本项目的基准点采用附近的高程基准点，并与施工单位采用的基准点进行联测，采用武汉城市高程系统。

(2) 观测计算

采用高精度水准测量，测定监测点的高程；埋设水准基准点，组成独立基点网，定期对基点网进行监测。观测时采用重力水准的方法，联测各垂直位移监测点，测得本次变量和累计变量。

3.地下管线沉降

1）监测目的

为了保证施工过程中周边居民的正常生活起居，掌握地下管线因工程施工影响产生的变形，对工程施工有着指导性的意义。

2）监测仪器

水准仪。

3）测点布设

应根据基坑周围地下管线的功能、管材、接头形式、埋深等条件，在基坑开挖前布设好管线沉降、位移监测点。监测点分直接监测点和间接监测点。布点原则是对位于基坑施工影响范围内的管线作为重点监测保护对象，一般情况按管线单位要求布设在管线设备上（管道、井盖、阀门、抽气孔等，见图3-1）；间接测点是将管线测点做在靠近管线底面的土体中（见图3-2）。

图3-1 抱箍式管线测点示意图

图3-2 模拟式管线测点示意图

4）监测实施

在地下管线沉降测点设计和设置前，应对地铁施工影响范围内的重要地下管线进行实地调查，其中特别应了解有压管线的结构、材料情况和雨污水管的接头和渗漏状况，在调查的基础上作出本施工标段管线平、断面图和管线状况报告。

管线监测点具体的布设数量根据管线具体情况，需通过召开管线协调会，征求有关专家及管线单位意见后确定。

4．围护墙顶水平位移及竖向沉降

1）墙顶沉降，水平位移量测

沉降量测采用水准仪进行量测，水平位移采用全站仪进行量测。

2）围护体系水平位移的产生原因及其不利的影响

a） 围护结构顶水平位移主要指围护结构向基坑内的水平位移；

b） 围护结构顶水平位移主要由支撑施筑前挖土引起的变形和支撑杆件压缩带来的变形两部分组成。前者引起的变形位移量主要取决于围护结构本身的钢度和支撑施筑前的挖土深度，后者引起的变形位移量取决于作用在围护结构上的水土压力和支撑材料的刚度。围护结构过大的水平位移会影响到基坑内主体结构的施工空间及周围环境安全。

3）围护体系水平位移监测的目的

a） 及时了解围护结构的最大水平位移量，必要时调整基坑开挖顺序和速度，确保基坑和周围环境的安全；

b） 验算支护结构的变形量，反算地层的水土压力；

c） 作为测斜观测计算的起始依据。

4）测点布置和埋设

水平位移监测点分为基准点、工作基点、变形监测点3种。基准点和工作基点均为变形监测的控制点。基准点一般距离施工场地较远，应设在影响范围以外，用于检查和恢复工作基点的可靠性；工作基点则布设在基坑周围较稳定的地方，直接在工作基点上架设仪器对水平变形监测点进行观测。监测点应按要求布设，并要反映围护体系变形特征。根据这一原则，施工单位将地连墙顶垂直、水平位移监测点和地连墙测斜孔布置在同一部位。

监测基准点和工作基点在有条件的情况下采用强制对中设备，以减少对中误差对观测结果的影响。

5）平面控制网的建立和初始值的观测

水平位移监测控制网宜按两级布设，由控制点（基准点、工作基点）组成首级网，由观测点及所联测的控制点组成扩展网。对于单个目标的位移监测，可将控制点同观测点按一级布设。

监测埋设的监测点稳定后，应在基坑开挖前进行初始值观测，初始值一般应独立观测2次，2次观测时间间隔尽可能的短，2次观测值较差满足有关限差值要求后，取2次观测值的平均值作为初始值。水平位移监测以初始值为观测值比较基准，水平位移变形监测应视基坑开挖情况即时开始实施。

6）监测方法

围护结构水平位移监测主要使用全站仪等进行观测。水平位移的观测方法很多，根据现场情况，拟采用：视准线法或控制网法。下面就分别介绍：

a) 视准线法

该方法适用于基坑直线边及直线支撑杆件的水平位移的观测。如下图4所示。

图4 视准线法观测示意图

式中：A、B——基坑两端的工作基点；a、b、c、d——位移观测点。

如场地有条件的话，可沿基坑某一测量边向后2倍开挖距离外设置测站（工作基点）。场地如果狭小的话，可将测站（工作基点）设在基坑围护结构的转角上，所测得的位移值是相对基坑转角处的位移值。经纬仪架设调平后，照准与基坑相反方向的一工作基点作为后视方向，用带有刻划的读数站牌或T型尺，设置在观测点上，读取数值。一般用经纬仪正倒镜读数4次，取中数作为一次观测值。初始值观测时要观测两遍，以保证无误。以后每次观测结果与初始值比较，求得测点的水平位移量。

b) 极坐标法

若视准线无法实施的情况下，拟使用极坐标法直接在工作基点上观测变形点到测站的距离和该方向与某一基准方向的夹角，直接计算变形点的坐标。通过坐标变化量来反映监测点的位移量。极坐标法对现场条件的要求比较低，工作基点选取比较灵活，更容易实施。

7）注意事项

a) 测区的基准点不应少于3个，工作基点多少视监测情况而定；

b) 对埋设后的监测标志点，应采取适当的保护措施，防止受到毁坏；使用仪器进行观测时，要尽量减少仪器的对中误差、照准误差和调焦误差影响。

5.墙体深层水平位移

测点布置：在基坑围护结构内安装测斜管，沿基坑纵向每20-30m布设。深度等同围护结构长度。测斜管在钢筋笼制作完成后开始布设。测斜管材料为ф70PVC管，管内设有测量槽，管外设有连接槽和连接件。将测斜管拼接后放入钢筋笼迎土侧，并按0.5m左右间距用扎丝或者扎带固定，顶底用盖子封堵，并保证测量槽与基坑边垂直。

量测原理与计算：测斜仪量测的原理：根据探头下滑动轮作用点相对于上滑动轮作用点的水平偏差可以通过仪器测得的倾角φ计算得到，计算公式为：

式中Δδ_i——第i量测段的相对水平偏差增量值；

L_i——第i量测段的垂直长度，通常取为0.5m，1.0m等整数；

Δφ_i——第i量测段的相对倾角增量值。

将每段间隔L_i取为常数，则水平偏差总量与水平位移δ仅为Δδ_i的函数，同时计入管端水平位移量值δ₀，即，这样就可以求出每个深度的位移量。

图6测斜仪

图7测斜仪工作原理

测量仪器及精度：测斜仪器采用CX-06A型测斜仪，测斜装置有三部分组成：测斜管、测斜仪和数字式测读仪。其中测斜管埋设在围护结构或者土体中，量测时将测斜仪沿管壁上的导槽滑入到测斜管内，并由引出导线将测斜管的水平位移量值瞬时反映在测读仪上。监测时将测斜仪探头置入测斜管底后，待探头接近管内温度时再量测，竖向每1m量测一个点，每个监测点正反观测2次。测斜仪的观测数据利用软件CX-06A测斜仪数据处理程序进行数据处理，计算出各点的位移量，并绘制测斜曲线图。

图8测斜曲线图

测斜孔安装完成后，应测定初始值，初始值连续测定2次，取稳定平均值作为初始值。每次观测完毕后，应将测斜管口密封，防止泥沙和异物进入。如果测斜管内有泥沙异物堵塞，应及时清理。测量精度每500mm测管±0.02mm。

数据分析：以地连墙深层侧向位移为基础来分析地连墙的变形情况。深层位移图能够客观反映地连墙从地面到地下整个纵向状态，如果整个图形以均匀离散分布在位移0左右，且绝对位移较小，说明地连墙变形较小，属于受控状态；如果整个图形某一个深度的位移偏移较大，且图形呈现两头小，中间鼓起的形状，说明该深度的地连墙位移较大，应重点分析引起该变形的原因，比如：支撑的安装时间、土质、降水等环境因素，同时也要查看地连墙的内力大小、土压力大小以及支撑受力情况，综合起来给出变形的原因，以便更好指导施工。

6.围护墙钢筋应力监测

1）原理

采用钢弦式钢筋应力计来测量。应力计应预埋在围护墙（桩）钢筋中指定位置处，随钢筋笼一起就位。

2）仪器

振弦式钢筋测力计，量程：100Mpa（压），200Mpa（拉）；分辨率：0.05%FS。频率读数仪；分辨率：±0.1Hz。

3）布点方法

在围护墙内安装钢筋应力计。

在绑扎钢筋笼之前，将钢筋计搭焊在主筋上，确定焊接牢固。记下钢筋计型号，并将钢筋计编号，用透明胶布将写在纸上的编号紧密粘结在导线上。注意将导线集结成束保护好。

4）量测原理及计算

量测原理及计算：围护墙（桩）钢筋应力量测使用频率计，根据钢筋计的频率——轴力标定曲线可将量测数据来直接换算出相应的轴力值，根据钢筋的直径可换算出钢筋应力，并可根据截面形状等用钢筋混凝土理论算出所测截面的内力。

图9钢筋应力计埋设平面图

7.钢支撑轴力

钢支撑轴力监测通过钢弦应变计进行测试。

1）监测目的

支护结构的支撑轴力受力情况及趋势，是否在设计允许和安全范围内。

2）钢支撑轴力测试

钢支撑轴力监测传感器在安装横撑时由承包商埋设，在车站基坑施工时，在车站端头井的钢支撑上放置反力计。具体见下图10。

图10钢支撑轴力测点布设示意图

图11钢支撑轴力计

钢支撑轴力计算可按下面公式进行：

式中：N_C——钢支撑轴力值；K——传感器的标定系数；f₀——传感器在支撑受力前的初始自振频率；f——轴力计在某一荷载时测量的自振频率。

3）安全判断条件

式中：[N]——支撑杆件设计轴力。

4）支撑轴力监测数据整理

支撑轴力在每次量测后，除提交被监测支撑轴力报表外，主要是绘制被监测支撑轴力的历程曲线，并指明施工工况，分析其轴力走势，是否在设计允许和安全范围内。

8.砼支撑应力

1）原理

采用钢弦式钢筋应力计来测量。应力计应预埋在砼支撑钢筋中指定位置处，随钢筋笼一起就位。为最终计算弯矩提供原始数据。

2）仪器

振弦式钢筋测力计，量程：100MPa（压），200MPa（拉）；分辨率：0.05%FS。频率读数仪；分辨率：±0.1Hz。

3）布点方法

在围护桩主动区及被动区均安装钢筋应力计，

在绑扎钢筋笼之前，将一根主筋截成2段，然后用对焊机把钢筋计连接杆焊在原部位，代替截去的一部分。对接完成后将钢筋计安装到位。记下钢筋计型号，并将钢筋计编号，用透明胶布将写在纸上的编号紧密粘结在导线上。注意将导线集结成束保护好。

图12砼支撑钢筋计安装示意图

4）量测原理及计算

量测原理及计算：砼支撑钢筋应力量测使用频率计，根据钢筋计的频率——轴力标定曲线可将量测数据来直接换算出相应的轴力值，根据钢筋的直径可换算出钢筋应力，并可根据截面形状等用钢筋混凝土理论算出所测截面的内力。

9.立柱沉降

立柱沉降监测方法与墙顶沉降监测方法相同。

10.地下水位量测

1）监测目的

基坑取土、降水对周遍地下水的影响程度，根据水位变化值绘制水位-随时间的变化曲线，以及水位随基坑开挖的变化曲线图，判断基坑及周边环境的稳定，预测土体变形和基坑稳定，指导施工、降水。

2）监测仪器

电测水位计、PVC塑料管、电缆线。

图13 水位孔布设示意图

3）水位管埋设

埋设水位管时，底部2m长范围内的测管每隔20cm打一小孔，共三排，便于地下水进入管中；同时用沙布包裹该段管子以免管外土粒进入管中。管子下入孔底后以中粗砂封孔，地表下2m长范围内管外孔隙用粘性土封堵，以免地表水流入管中。

4）精度要求

水位计的标尺最小读数为0.5cm。

5）地下水位监测要求

(1) 水位管的埋设深度应在允许最低水位以下或根据不透水层的位置而定。

(2) 埋设时应注意水位管周围良好的透水性，并防止地表水进入孔内。

(3) 水位孔宜埋设在渗透系数大于10-4cm/s的土层中。

(4) 严禁雨天或雨天后1～2天测试初始值。

6）地下水位管布设

地下水位管易尽量利用现有的降水井作为观测水位的水位管。

7）水位数据分析

利用同一断面上点（如距离基坑距离为5米、10米、20米等监测点）的沉降累计值比较，同时收集坑内外水位变化情况，具体分析沉降变化规律，正常降水对地表沉降的影响呈现U型，即距离基坑越近变形越大，距离基坑越远变形越小，坑外地基土沉降主要受开挖深度控制，并受坑外降水严重影响，由于坑外大量、持续的降水，导致地基土固结而地基沉降。

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）