賀虎,王志強(qiáng),李巖,周宏,馬勇杰
(1.國家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司,北京市100052;2.華東電力設(shè)計(jì)院,上海市200063)
“皖電東送”1000kV滬西變電站工程位于上海市青浦區(qū)練塘鎮(zhèn),圍墻內(nèi)占地面積9.8萬m2。站址原貌為瀉湖沼澤平原,地質(zhì)情況較復(fù)雜。站區(qū)原地表水系發(fā)達(dá),有成片人工開挖的魚塘和貫穿南北的河道。場(chǎng)地進(jìn)行了大面積回填,魚塘區(qū)域回填深度達(dá)3~4m。根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)情況,站址區(qū)地基土上部分布有灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,該土層厚度達(dá)7.5~13.6m,透水性能差,承載力非常軟弱。站區(qū)地下水位非常高,一般埋深在0.50m左右,且受雨季影響大。
滬西變電站樁基工程共3種樁型,總樁數(shù)約16 200根,施工周期長達(dá)6個(gè)月。其中:1000kV設(shè)備、設(shè)備支架及建筑物基礎(chǔ)下方布置φ400 mm的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土(prestressed high-intensity concrete,PHC)管樁;1000kV構(gòu)架基礎(chǔ)下方布置φ600 mm的PHC管樁;110kV設(shè)備及支架基礎(chǔ)下方布置鉆孔灌注樁;全站道路及電纜溝底部布置水泥土攪拌樁。PHC管樁采取靜壓沉樁,布置密集,主變區(qū)域間距為2.0m×2.4m,總樁數(shù)約1 200根,1000kV氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear,GIS)區(qū)域間距為2.4m×2.4m,總樁數(shù)約為1 000根。滬西變電站地基處理工程是一個(gè)大型、復(fù)雜、密集樁群的施工項(xiàng)目[1-4]。
國家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司組織設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工、監(jiān)測(cè)等單位及專家團(tuán)隊(duì),針對(duì)滬西變電站地基工程的特點(diǎn)、難點(diǎn),進(jìn)行全面深入的研討論證。為確保地基處理工程質(zhì)量和臨近運(yùn)行站安全,在滬西變電站工程中應(yīng)用了樁基監(jiān)測(cè)法。
樁基施工監(jiān)測(cè)是在預(yù)制樁施工過程中(含施工完成后的一定時(shí)間內(nèi)),對(duì)由于樁基施工而引起的超孔隙水壓力變化、深層土體位移、土體抬升等實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的有效手段。
雖然樁基檢測(cè)與樁基監(jiān)測(cè)都是進(jìn)行樁基質(zhì)量控制的有效手段,但兩者有著不同的作用。樁基檢測(cè),是在樁基施工完成后,通過對(duì)樁體進(jìn)行高應(yīng)變、低應(yīng)變檢測(cè),以此判斷樁體完整性的方法,是一種“事后”檢測(cè)措施。而樁基施工監(jiān)測(cè)則是在樁基施工過程中對(duì)由于施工引起的土體孔隙水壓力變化、深層土體側(cè)向位移、周圍土體縱向擠壓抬升(反映為鄰近樁體抬升)、地面位移(反映為運(yùn)行站圍墻位移)等進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方法,是一種“過程”監(jiān)測(cè)措施。樁基監(jiān)測(cè)能為樁基施工過程中的施工質(zhì)量控制提供依據(jù),達(dá)到信息化施工的要求。
按DL/T 5024—2005《電力工程地基處理技術(shù)規(guī)程》第14.3.1(21)項(xiàng)要求,“在軟土地區(qū),為減少后續(xù)施工樁對(duì)已施工樁的影響并確保鄰近建(構(gòu))筑物、地下管線的安全,以及確定基坑開挖合理時(shí)間,必須進(jìn)行巖土工程監(jiān)測(cè)”。滬西變電站工程地處軟土地區(qū)、樁群布置密集,PHC管樁與運(yùn)行的500kV練塘變電站最近距離約為90m,符合該標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍。
雖然樁基施工具有成熟的經(jīng)驗(yàn),比如:在一定范圍內(nèi),先施工PHC管樁,后施工鉆孔灌注樁和水泥土攪拌樁;在PHC管樁密布區(qū)域,應(yīng)先施工中部PHC管樁,后施工四周PHC管樁等,但上述施工經(jīng)驗(yàn)缺少定量控制指標(biāo)。而樁基監(jiān)測(cè)所采取的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)手段,均能通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和報(bào)警值設(shè)置,量化指導(dǎo)樁基施工的施工速率、施工工序、休止時(shí)間、開挖間隔、檢測(cè)重點(diǎn)抽檢部位等。另外,1000kV GIS基礎(chǔ)不均勻沉降控制標(biāo)準(zhǔn)要求高(不超過2‰),需要從樁基施工源頭開始量化控制。
滬西變電站站址地質(zhì)情況復(fù)雜,土體穩(wěn)定性極差,樁基工程樁型多、樁數(shù)多、布置集中、施工工期緊,且東側(cè)臨近運(yùn)行的500kV練塘變電站,南側(cè)和西側(cè)臨近新開挖的河道。特殊的地質(zhì)地理環(huán)境和復(fù)雜的設(shè)計(jì)方案,導(dǎo)致集中樁群施工質(zhì)量缺陷、圍墻擋土墻及河道護(hù)坡位移、運(yùn)行站圍墻及基礎(chǔ)位移的可能性大、風(fēng)險(xiǎn)高,必須實(shí)施量化監(jiān)測(cè)手段,確保建設(shè)安全。
上海地區(qū)處于沿海軟土地區(qū),地基土中分布有深厚的淤泥質(zhì)土,含水率高,滲透性低。對(duì)于飽和軟粘土,孔隙中充滿水,這些水在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)有一個(gè)平衡的壓力,這是孔隙水壓力。當(dāng)集中打入PHC管樁時(shí),由于PHC管樁為擠土樁,土體會(huì)受到樁基施工的外力擠壓,土體中的孔隙水也因受到擠壓而無法快速滲透,導(dǎo)致土中原有水壓力上升,由此產(chǎn)生超孔隙水壓力。
超孔隙水壓力監(jiān)測(cè),主要是通過對(duì)超孔隙水壓力的增長和消散過程的觀測(cè),了解各種情況下沉樁對(duì)孔隙水壓力形成的影響,分析可能對(duì)工程產(chǎn)生的危害,必要時(shí)提出警告和建議,調(diào)整施工進(jìn)度安排,預(yù)估沉樁結(jié)束后到基坑開挖所需的休止時(shí)間。
超孔隙水壓力監(jiān)測(cè)通過在密集樁群區(qū)域布置孔隙水壓力計(jì)來進(jìn)行觀測(cè)。在滬西變電站工程中,在主變、1000kV GIS等樁基密集區(qū)域共布置孔壓計(jì)8組(P1 ~P8),每組4 個(gè)孔壓計(jì),深度為4、8、12、20m,分別監(jiān)測(cè)孔壓計(jì)所在土層在沉樁過程中孔隙水壓力的變化情況??紫端畨河?jì)式布置見圖1。
圖1 孔隙水壓力計(jì)深度分布Fig.1 Depth distribution of pore water pressure gauge
由于沉樁引起的擠土效應(yīng),土體側(cè)向位移對(duì)鄰近的基樁產(chǎn)生側(cè)向擠壓,導(dǎo)致樁體在縱向范圍內(nèi)不同程度的水平偏位,一般頂部偏位大,底部偏位小。深層土體位移通過布置測(cè)斜孔來進(jìn)行觀測(cè),有效掌握地基土變形。滬西變電站工程在主變東側(cè)PHC管樁與灌注樁之間布置6個(gè)測(cè)斜孔(C1~C6),在GIS東側(cè)布置3個(gè)測(cè)斜孔(C7~C9),深度為30m,進(jìn)入⑥2號(hào)草黃色粉質(zhì)粘土層。
密集樁群施工過程中,由于擠土效應(yīng),后沉樁對(duì)鄰近的基樁除在水平方向有水平位移影響外,在垂直方向還可能造成鄰近的基樁樁頭抬升。為此,樁頂位移監(jiān)測(cè)選擇容易產(chǎn)生較大偏位或抬升影響的單樁,進(jìn)行位移觀測(cè),了解樁頭偏位的過程。在滬西變電站工程中,分別在主變區(qū)域布置4根(Z1~Z4),1000kV GIS區(qū)域布置4根(Z5~Z8)監(jiān)測(cè)樁。監(jiān)測(cè)樁在工程樁上進(jìn)行加長,至地表下0.40m。
在現(xiàn)有的練塘站與滬西站之間的臨時(shí)圍墻上設(shè)置4個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)(W1~W4),進(jìn)行圍墻位移的監(jiān)測(cè)。滬西變電站工程樁基監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置如圖2所示。
圖2 滬西變電站工程樁基監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置Fig.2 Layout of pile foundation monitoring points in Huxi Substation
根據(jù)設(shè)計(jì)和有關(guān)規(guī)程要求:超孔隙水壓力達(dá)到上覆有效壓力80%時(shí)報(bào)警;土體位移每天達(dá)30 mm,或累計(jì)達(dá)到60 mm時(shí)報(bào)警;樁頂位移連續(xù)多日達(dá)10 mm,或累計(jì)達(dá)到100 mm時(shí)報(bào)警,累計(jì)抬升20 mm時(shí)報(bào)警。
監(jiān)測(cè)的報(bào)警限值依據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]、上海市 DGJ 08 -37—2002《巖土工程勘察規(guī)范》[6]及 DLT 5024—2005《電力工程地基處理技術(shù)規(guī)程》[7]的相關(guān)要求,并結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)要求綜合確定。
主變區(qū)域樁基施工周期為2012年3月6日~4月29日,監(jiān)測(cè)周期為2012年3月2日~6月10日。主變區(qū)域分南、北2段分別沉樁,每段又分東、西兩側(cè)往返沉樁。如主變區(qū)域北段東側(cè)先從南至北向3~4排沉樁,再由北向南折返沉樁。主變區(qū)域南段亦是如此。
1000kV GIS區(qū)域樁基施工周期為2012年5月17日~6月16日,監(jiān)測(cè)周期為2012年5月4日~8月10日。采取“S”形路徑從南至北推進(jìn)。
主變區(qū)域,在單側(cè)從南至北沉樁過程中,超孔隙水壓力上升較大,但未超過報(bào)警值。而在折返沉樁后,因施工速率較快,超孔隙水壓力因積聚效應(yīng),前次的還沒有釋放,又迅速上升,大幅度超過報(bào)警值,也表明本工程場(chǎng)地孔隙水壓力的釋放非常困難,沒有良好的排水釋壓途徑。主變區(qū)域按照5倍樁徑的樁間距,初期每日每臺(tái)樁機(jī)的沉樁數(shù)宜控制在15~20根,后期折返施工時(shí)宜控制在15根以內(nèi)。主變場(chǎng)地典型的超孔隙水壓力觀測(cè)曲線見圖3(圖中虛線處為上覆有效壓力80%)。
圖3 P3超孔隙水壓力觀測(cè)曲線Fig.3 Observation curves of excess pore water pressure at P3 point
GIS區(qū)域在每天每臺(tái)樁機(jī)在同一區(qū)域施工數(shù)超過30根樁的情況下,孔隙水壓力超標(biāo)現(xiàn)象普遍,但其總體超標(biāo)幅度較主變區(qū)域小。經(jīng)分析,GIS區(qū)域樁間距要比主變區(qū)域大(為6倍樁徑)是主要原因,其次GIS區(qū)域場(chǎng)地回填較好、塑料排水板先期插設(shè)為次要原因。按照樁間距為6倍樁徑,施工方式為成排向同一方向推進(jìn),打樁初期每日每臺(tái)樁機(jī)的沉樁數(shù)宜控制在20~25根,后期施工中部的樁宜控制在每天15根以內(nèi)。GIS場(chǎng)地典型的超孔隙水壓力觀測(cè)曲線見圖4(圖中虛線處為上覆有效壓力80%)。
在樁基施工結(jié)束的休止過程中,經(jīng)監(jiān)測(cè),20m處的超孔隙水壓力消散速率較12m處快,主要因?yàn)?2m深度范圍內(nèi)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,其超孔隙水壓力消散較為緩慢。
圖4 P6超孔隙水壓力觀測(cè)曲線Fig.4 Observation curves of excess pore water pressure at P6 point
主變區(qū)域東側(cè)沉樁經(jīng)過測(cè)斜管附近后,測(cè)斜管測(cè)得的土體位移變化較大,而后期折返回到主變西部的樁基施工對(duì)東側(cè)的土體位移影響明顯減小,但會(huì)繼續(xù)疊加。距樁群邊樁約6m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大累計(jì)位移大多超過60 mm,位移方向與打樁擠土方向一致;樁基施工對(duì)20m外的土體仍有一定影響,但總體位移較小,距邊樁20m處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大累計(jì)位移約21 mm,位移方向與打樁擠土方向一致,表明隨著水平距離的增加,擠土效應(yīng)明顯收斂。
GIS區(qū)域監(jiān)測(cè)成果顯示,在距測(cè)點(diǎn)東西水平線5~8m范圍內(nèi)(最近的樁基實(shí)際距離8~10m),樁基施工的擠壓效果已經(jīng)比較明顯,而距測(cè)點(diǎn)東西水平線5m范圍內(nèi)(最近的樁基實(shí)際距離6m)的樁基施工對(duì)測(cè)點(diǎn)的擠壓效應(yīng)最大,而一般最鄰近的樁基施工結(jié)束后,測(cè)點(diǎn)所反映的土體位移基本已達(dá)到最大位移,距樁群邊樁約6m的深層土體位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大累計(jì)位移大都超過60 mm,位移方向與打樁擠土方向一致,后期較遠(yuǎn)的樁基施工基本沒有大的影響[8-9]。
典型的深層土體位移監(jiān)測(cè)曲線見圖5。
圖5 C2和C7深層土體位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.5 Observation curves of deep soil displacement at C2 and C7 point
主變區(qū)域除監(jiān)測(cè)樁Z4累計(jì)最大矢量位移為61.35 mm外,其他3根監(jiān)測(cè)樁的累計(jì)水平位移超過報(bào)警值(100 mm),最大累計(jì)矢量位移達(dá) 129~171 mm;樁基結(jié)束休止后,樁頂位移回落不明顯。經(jīng)分析,主要原因是沉樁施工速率較快,特別是在折返沉樁過程中未減緩施工速率,造成超孔隙水壓力和樁頂位移都超過報(bào)警值[10-11]。
1000kV GIS區(qū)域除監(jiān)測(cè)樁Z5位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)沒有超標(biāo)外,其他3根監(jiān)測(cè)樁的累計(jì)水平位移均較大,都超過100 mm的報(bào)警值,最大累計(jì)矢量位移達(dá)110~135 mm,樁基施工結(jié)束休止后位移回落不大。垂直位移Z6監(jiān)測(cè)樁在施工中有超過報(bào)警值的現(xiàn)象,最大累計(jì)抬升達(dá)+24 mm。
根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》打入樁樁位允許偏差要求,中間樁允許偏差為1/2樁徑(即200 mm),因此,滬西變電站樁基均未超過樁位允許偏差值。各監(jiān)測(cè)樁最終監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。
從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看,在樁基施工期間各位移點(diǎn)累計(jì)水平位移變化量在(+14~-27)mm之間(B方向),垂直累計(jì)位移變化量在(+4~-6)mm,位移變化呈緩變型。樁基施工期間,臨近的運(yùn)行變電站圍墻及內(nèi)側(cè)土體未出現(xiàn)明顯裂縫,建筑物、道路及設(shè)備基礎(chǔ)未發(fā)現(xiàn)異常情況。樁基監(jiān)測(cè)工作有效確保了運(yùn)行站的安全。位移觀測(cè)結(jié)果見圖6、圖7。
為控制超孔隙水壓力,樁基施工前需在沉樁區(qū)域內(nèi)插塑料排水板,對(duì)于透水性能極差的灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,可在加密排水板的同時(shí),采取鋪設(shè)砂墊層透水的措施。施工時(shí)優(yōu)化沉樁順序,對(duì)于列數(shù)較多的密集樁群,可減少每次的施工列數(shù),或采取“S”型沉樁路線,降低沉樁速率,避免集中沉樁。如發(fā)現(xiàn)超孔隙水壓力及位移超標(biāo),可及時(shí)降低沉樁速率,調(diào)整沉樁順序,如超標(biāo)較嚴(yán)重需停工。同時(shí),由于深層土體位移的影響范圍廣,當(dāng)發(fā)現(xiàn)深層土體及樁頂位移超標(biāo)后,需加強(qiáng)樁基開挖檢測(cè),驗(yàn)證樁體的完整性。
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鄰近建筑位移超標(biāo)將直接導(dǎo)致運(yùn)行站圍墻開裂、地面裂紋、地下管道破壞等嚴(yán)重質(zhì)量事故,需嚴(yán)格控制。主要控制措施是在樁基事故過程中動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),聯(lián)合運(yùn)行單位開展巡視,予以杜絕。
(1)在樁基施工過程中進(jìn)行超孔隙水壓力、深層土體位移和樁頂位移等監(jiān)測(cè),制定報(bào)警標(biāo)準(zhǔn),提供了樁基施工控制措施建議,并采取了相關(guān)處理措施(如及時(shí)調(diào)整了沉樁速率、沉樁工序、增設(shè)塑料排水板等),及時(shí)將樁基施工監(jiān)測(cè)數(shù)值恢復(fù)正常,對(duì)施工工序的調(diào)整和樁基施工質(zhì)量控制發(fā)揮了應(yīng)有的作用,特別是對(duì)大型復(fù)雜密集樁群在施工過程中容易發(fā)生的“漂移”現(xiàn)象進(jìn)行了嚴(yán)格監(jiān)控。經(jīng)過1000kV滬西變電站樁基工程實(shí)踐,重點(diǎn)部位樁基開挖檢測(cè),I類樁達(dá)到100%,達(dá)到了施工創(chuàng)優(yōu)目標(biāo),為1000kV GIS大體積混凝土基礎(chǔ)不均勻沉降等質(zhì)量通病控制創(chuàng)造了有利條件,也為工程長期安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定了良好基礎(chǔ)。
(2)PHC管樁施工時(shí)的擠土效應(yīng)明顯,對(duì)已成樁產(chǎn)生一定的影響,主要表現(xiàn)為群樁外側(cè)深層土體位移較明顯,已成樁樁頂水平位移較大,樁頂抬升次之。在樁基施工期間,樁基施工處附近的超孔隙水壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)普遍較高,且上部土層中孔隙水壓力消散也較緩慢,樁基施工對(duì)周圍建筑物未產(chǎn)生明顯影響。
(3)按照主變區(qū)域5倍樁徑的樁間距,初期每日每臺(tái)樁機(jī)的沉樁數(shù)宜控制在15~20根,折返施工時(shí)宜控制在15根以內(nèi)。GIS區(qū)域按照樁間距為6倍樁徑,施工方式為成排向同一方向推進(jìn),打樁初期每日每臺(tái)樁機(jī)的沉樁數(shù)宜控制在20~25根,后期施工中部的樁宜控制在每天15根以內(nèi)。
(4)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果,軟土地區(qū)樁基施工后的基坑開挖,至少需在樁基施工休止40天后,且應(yīng)結(jié)合超孔隙水壓力的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷。要求超孔隙水壓力消散率大于60%或超孔隙水壓力小于上覆有效土壓力的30%時(shí),方可進(jìn)行基坑開挖。
(5)GIS區(qū)域的超孔隙水壓力總體超標(biāo)幅度較主變區(qū)域小,應(yīng)是得益于該區(qū)域場(chǎng)地回填較好,塑料排水板先期進(jìn)行了插設(shè)等因素,而GIS區(qū)域樁間距要比主變區(qū)域大(為6倍樁徑)也是主要原因。在樁基密度確定的情況下,增加塑料排水板數(shù)量能有效加速超孔隙水壓力的釋放,建議每根樁配2~3根塑料排水板,以加快孔隙水壓力的消散,加速土體的固結(jié)。
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