曾瑞,肖永力,涂超(湖北省神龍地質(zhì)工程勘察院,湖北武漢 430030)
武漢地鐵范湖站基坑重點(diǎn)段監(jiān)控量測探討與分析
曾瑞?,肖永力,涂超
(湖北省神龍地質(zhì)工程勘察院,湖北武漢 430030)
摘 要:在基坑開挖的過程中,由于地質(zhì)情況、支護(hù)條件、水文條件等因素的影響,可能會(huì)引起支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的變化,嚴(yán)重的會(huì)引起一定的財(cái)產(chǎn)人身損失。本文根據(jù)武漢地鐵基坑的實(shí)例,通過對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測數(shù)據(jù),對(duì)基坑重點(diǎn)變形段進(jìn)行監(jiān)測分析,提供科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)供各方采取有力措施,從而確保地鐵基坑的安全。
關(guān)鍵詞:基坑監(jiān)測;深層水平位移;軸力;沉降;信息化施工
隨著越來越多的城市開始修建地鐵,因地鐵車站開挖而引起的基坑、周邊環(huán)境變形的問題也越來越多。地鐵基坑一般地處鬧市區(qū),場地狹窄,周邊環(huán)境復(fù)雜,開挖深度大,開挖過程中的自身變形及引起的周邊變化跟施工、設(shè)計(jì)、監(jiān)測等均息息相關(guān)。本文根據(jù)武漢地鐵范湖站基坑的監(jiān)測數(shù)據(jù)展開分析,并及時(shí)給出工程預(yù)警,及時(shí)采取了相關(guān)措施,從而確保了基坑及周邊環(huán)境的安全,避免了事故的發(fā)生,也為以后類似的工程提供了有力的參考。
武漢市軌道交通三號(hào)線全長28 km,設(shè)站23座,范湖站為第14座車站。車站位于規(guī)劃馬場角路與青年路的交叉口處,沿規(guī)劃馬場角路布置于路下,車站與2號(hào)線范湖站通過通道換乘。
范湖車站基坑其詳細(xì)工況如下:本站主體基坑長266.4 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬度為20.1 m,基坑標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度約25 m,層數(shù)為地下3層,單柱兩跨式島式站臺(tái)車站,地下分站廳、設(shè)備、站臺(tái)3層,車站標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)外包尺寸為21.01 m×20.10 m,頂部覆土約3.3 m ~3.6 m。主體建筑面積16 443 m2,附屬建筑面積6 808 m2,總建筑面積23 251 m2。車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻,并入巖以滿足抗浮要求,支護(hù)為混凝土支撐或鋼支撐;范湖站主體結(jié)構(gòu)基坑支護(hù)第一道支撐采用800 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐,第二~六道支撐采用16 mm厚609鋼管支撐,附屬結(jié)構(gòu)基坑支護(hù)采用兩道16 mm厚609鋼管支撐?;颖O(jiān)測點(diǎn)位布置圖如圖1所示:
圖1 基坑監(jiān)測點(diǎn)位布置圖
4.1工程地質(zhì)
擬建場區(qū)地形平坦,原始地貌屬長江沖積Ⅰ級(jí)階地。各巖土層的地層巖性如下:
(1)填土(Qml)層
①雜填土,層厚0.40 m~7.1 m。②淤泥(Ql),其厚度0.6 m~2.3 m,埋深0.8 m~4.5 m。
(2)第四系全新統(tǒng)沖積(Q4al)層
①粉質(zhì)黏土與粉土、粉砂互層(Q4al),其厚度1.5 m~4.2 m,埋深1.5 m~2.3 m。②黏土(Q4al),其厚度0.5 m~6.4 m,埋深1.0 m~5.7 m。③黏土(Q4al)其厚度1.1 m~5.9 m,埋深0.4 m~6.8 m。④淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(Q4al),最大厚度達(dá)27.9 m。其一般厚度1.5 m~7.5 m,埋深2.2 m~10.0 m。⑤粉質(zhì)黏土夾粉土(Q4al),其厚度0.7 m~8.6 m,埋深5.0 m~12.0 m。⑥粉質(zhì)黏土與粉土、粉砂互層(Q4al),厚度2.3 m~9.5 m,埋深6.7 m~17.0 m。⑦粉細(xì)砂(Q4al),其厚度3.5 m~14.3 m,埋深10.8 m ~22.8 m。⑧粉質(zhì)黏土(Q4al),其厚度0.6 m~6.8 m,埋深18.5 m~42.0 m。⑨細(xì)砂(Q4al),厚度6.2 m ~31.7 m,埋深21.0 m~32.6 m。⑩中粗砂夾礫卵石( Q4al),其厚度0.5 m~13.7 m,埋深35.4 m ~50.0 m。
(3)下伏基巖為白堊-下第三系東湖群(K-Edn)
①強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,其厚度1.5 m~7.5 m,埋深38.2 m~50.1 m。②中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,其揭露厚度4.0 m~14.0 m,埋深41.0 m~52.5 m。
4.2水文地質(zhì)
(1)地表水
(2)地下水類型分為上部滯水、潛水、孔隙承壓水、碎屑巖裂隙水。
4.3周邊環(huán)境
該站位于規(guī)劃馬場角路與青年路的交叉路口,規(guī)劃馬場角路路下,路口北側(cè)有惠苑假日酒店,馬場角路北側(cè)為在建葛洲壩國際廣場北區(qū)住宅小區(qū),南側(cè)為規(guī)劃葛洲壩國際廣場。地下管線沿規(guī)劃馬場角路布置于路下。車站內(nèi)主要有電力、電信、自來水、排水等管線。
本基坑工程特點(diǎn):開挖較深,地質(zhì)條件差,地下水位高,對(duì)明挖基坑的開挖,結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)墻防滲有較大影響。
(1)本工程基坑開挖較深,最大挖深25 m,屬一級(jí)基坑。
(2)地處長江一級(jí)階地,地質(zhì)條件差,地下水位較高,開挖及降水對(duì)周邊環(huán)境影響較大。
(3)周邊建筑物距離較近,靠近青年路一側(cè)有大量的市政管線,同時(shí)車站基坑西端頭臨近已運(yùn)行的地鐵二號(hào)線,監(jiān)測要求精度高、監(jiān)測難度較大。
(4)測量工作內(nèi)容多、持續(xù)時(shí)間長,測量精度要求高。
(5)信息反饋要求及時(shí)準(zhǔn)確。
(6)數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。
(7)場地內(nèi)較為狹窄,各種工種交叉作業(yè),測量作業(yè)環(huán)境干擾大。
①水平位移監(jiān)測;②豎向位移監(jiān)測;③深層水平位移監(jiān)測(測斜);④傾斜監(jiān)測;⑤裂縫監(jiān)測;⑥地下水水位監(jiān)測;⑦結(jié)構(gòu)應(yīng)力軸力監(jiān)測;⑧周邊環(huán)境變形監(jiān)測等。
本文重點(diǎn)以具有代表性變形的車站西端頭為例,限于篇幅,主要針對(duì)以下監(jiān)測項(xiàng)目進(jìn)行分析。
7.1基坑周邊地表沉降
由于范湖站西端頭臨近道路,在本次監(jiān)測中,著重在周邊二條道路上布設(shè)沉降觀測點(diǎn),如圖2所示。
圖2 基坑西端頭監(jiān)測點(diǎn)位布置圖
一般來說,基坑開挖過程中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)在水土壓力及坑內(nèi)支撐的共同作用,會(huì)發(fā)生一定程度的水平變形,這種變形會(huì)導(dǎo)致基坑周邊環(huán)境發(fā)生沉降變形。降水也會(huì)導(dǎo)致周圍環(huán)境發(fā)生一定程度的沉降,同時(shí)由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲漏水也會(huì)引發(fā)地面的沉降。由于范湖站采用的是地下連續(xù)墻,冠梁頂?shù)膭偠容^大,所以本次地面的沉降變形主要由降水及圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形引起。上述兩種因素導(dǎo)致的沉降按下式計(jì)算:(1)降水引起的地面沉降按下式計(jì)算[1]
式中:△sw——水位下降引起的地面沉降(cm);
Ms——經(jīng)驗(yàn)系數(shù);Ms= M1×M2。對(duì)于一般黏性土M1可取0.3~0.5;粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層M1可取0.5~0.7;淤泥、淤泥質(zhì)土M1可取0.7~0.9。當(dāng)降水維持時(shí)間3個(gè)月之內(nèi)時(shí)M2可取0.5~0.7;當(dāng)降水維持時(shí)間超過3個(gè)月時(shí)M2可取0.7~0.9。
σwi——水位下降引起的各計(jì)算分層有效應(yīng)力增量(kPa);
△hi——受降水影響地層(自降水前的水位至含水層底板之間)的分層厚度(cm);
n——計(jì)算分層數(shù);
Esi——各分層的壓縮模量(kPa)。
(2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移引起的地面沉降按下式估算[2]
式中:V0為墻后土體損失量(m3/ m);φ為圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度范圍內(nèi)土體的當(dāng)量摩擦角(°);h0為基坑的開挖深度(m)。
綜合以上兩項(xiàng)計(jì)算,范湖站的地面沉降理論值為25 mm左右,實(shí)際測量的絕大多數(shù)地面點(diǎn)沉降均小于這一數(shù)值。前期已施工完成的相鄰地鐵二號(hào)線范湖站其地表沉降為30 mm。其變形曲線如圖3所示[3]。
圖3 地鐵二號(hào)線范湖站地面沉降曲線圖
3號(hào)線范湖車站西端頭周邊建筑物由于基礎(chǔ)的原因,下沉降量較小。臨近西端頭青年路上的3個(gè)地面點(diǎn)的沉均小于理論值,最大的累計(jì)沉降量達(dá)到了8.47 mm。其變形曲線與二號(hào)線范湖站相類似,均表現(xiàn)在挖至中下段時(shí)下降明顯,其變形曲線如圖4所示。
該地面小于理論值及周邊同等條件的其他車站地面沉降的原因,具體有①坑外降水較淺(約為11 m);②車站西端頭為盾構(gòu)始發(fā)開工較其他段早,降水范圍小;③地連墻深度已入巖,基坑降水引起的周邊地面沉降量與沉降差隨地下連續(xù)墻插入深度的增加而減小[4];④車站西端頭由于盾構(gòu)始發(fā)而進(jìn)行了高壓旋噴,對(duì)土質(zhì)進(jìn)行了改良。同時(shí),在穿越2號(hào)地鐵線時(shí)對(duì)隧道內(nèi)進(jìn)行了同步注漿,對(duì)沉降的控制有積極的作用⑤西端頭施工進(jìn)度較快,及時(shí)進(jìn)行了基坑的封底及主體施工,減少了后期的沉降量;⑥地表點(diǎn)未擊穿道路硬層,致使不能真實(shí)反映地層的沉降。
圖4 地鐵三號(hào)線范湖站西端頭周邊環(huán)境沉降曲線圖
7.2基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層位移
自2012年10月初車站西側(cè)擴(kuò)大端正式開挖至坑底基礎(chǔ)施工完成期間,先是施工單位發(fā)現(xiàn)西側(cè)連續(xù)墻出現(xiàn)了細(xì)微裂縫并發(fā)生滲漏,同時(shí)基坑支護(hù)的水平位移量逐步增大,最大44 mm,已超出了支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移值(最大值)監(jiān)控報(bào)警值為30 mm的要求。其間基坑的施工進(jìn)程如下:
10月7日挖至第一層作業(yè)面,挖深約為2 m;
10月11日開挖至第二道支撐處,挖深約為7 m;
10月15日開挖至第三道支撐處,挖深約為12 m;
10月18日開挖至第四道支撐處,挖深約為16 m;
10月25日開挖至第五道支撐處,挖深約為20 m;
10月29日開挖至第六道支撐處,挖深約為25 m;
11月13日坑底墊層施工完畢,挖深約為26 m;
11月25日以后進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的施工;
位于基坑西側(cè)連續(xù)墻中部SID2孔深層位移曲線的發(fā)展形勢如圖5所示。
由圖5可知:除基坑開挖初期,基坑挖深至7 m之前,由于第一層混凝土支撐的強(qiáng)度的作用,前期曲線表現(xiàn)為向坑外位移外,基本上均表現(xiàn)為向坑內(nèi)位移。隨著開挖的進(jìn)行,曲線隨開挖深度的增加不斷加大,同時(shí)最大位移部位不斷下移。當(dāng)開挖至負(fù)深22 m時(shí),支護(hù)發(fā)生顯著位移,開挖面的位移量為27.04 mm。開挖至底部時(shí),位移量急劇增大,最大累計(jì)位移量為44 mm,同時(shí)
圖5 SID2號(hào)孔深層位移-時(shí)間-深度變化曲線圖
連續(xù)墻面出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象,位移曲線凸肚現(xiàn)象明顯??傮w而言,基坑支護(hù)的變形隨著開挖深度的不同,其變形最大處也在逐步下移,變形基本表現(xiàn)在開挖面以下3 m左右。而測斜孔頂端與底部位移變化量則相對(duì)較小,這與最上部為一道混凝土支撐及底部已嵌巖,強(qiáng)度較大有密切的關(guān)系。分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形的原因,①開挖過快,周邊土體應(yīng)力釋放過快;②原本在開挖至支撐處就應(yīng)立即進(jìn)行鋼管的支撐,施工方常常支撐滯后;③支撐有效預(yù)加應(yīng)力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,掉壓現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生;④西側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)三米處正在進(jìn)行高壓旋噴樁施工,對(duì)位移的變化影響很大;⑤內(nèi)外降水高差過大等。以上綜合因素,從而導(dǎo)致此處的變形明顯加快。經(jīng)過各方的緊急會(huì)議分析,采取以下措施:在第五道支撐與第六道支撐間增加一道直撐,暫停開挖第六道支撐下土方,對(duì)第五道支撐以下進(jìn)行回填,停止高壓旋噴樁的施工,減少坑內(nèi)降水深度從而減小基坑內(nèi)外的水頭差,加密監(jiān)測頻率,及時(shí)反饋監(jiān)測數(shù)據(jù),用信息化方法來指導(dǎo)后期的工程施工等。以上措施有效地控制的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步變形,基坑變形速度明顯減慢,其中增加的一道鋼支撐作用尤為明顯。
7.3基坑支撐軸力
現(xiàn)在的支撐軸力一般采用廠家提供的軸力計(jì)時(shí)行量測,用振弦式軸力計(jì)實(shí)測出鋼支撐的實(shí)際頻率變化,再根據(jù)出廠時(shí)標(biāo)定的頻率定值,求得支撐軸力。
一般計(jì)算分式:
P=K△F+b△T+B
式中:P——支撐軸力(kN);
K——軸力計(jì)的標(biāo)定系數(shù)(kN/ F);
△F——軸力計(jì)輸出頻率模數(shù)實(shí)時(shí)測量值相對(duì)于基準(zhǔn)值的變化量(F);
b——軸力計(jì)的溫度修正系數(shù)(kN/℃);
△T——軸力計(jì)的溫度實(shí)時(shí)測量值相對(duì)于基準(zhǔn)值的變化量(℃);
B——軸力計(jì)的計(jì)算修正值(kN)。注:頻率模數(shù)F=f 2×10-3。
圖6 西端頭軸力累計(jì)變化曲線圖
支撐軸力實(shí)際上是支撐對(duì)周圍土壓力的集中反應(yīng),其數(shù)值和挖土順序、速度、深度密切相關(guān)[5]。在監(jiān)測的過程中,可以發(fā)現(xiàn),鋼支撐軸力隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示。一般而言,鋼支撐在安裝初期由于預(yù)加應(yīng)力掉壓出現(xiàn)下降的情況,常常導(dǎo)致初期支撐軸力不太穩(wěn)定。隨著基坑的開挖,上一道的支撐軸力有所減小,而開挖面處的支撐軸力有所增加。開挖處的迎土側(cè)主動(dòng)土壓力增大,卸載處的土壓力減小,從而圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)進(jìn)一步位移,鋼支撐的軸力也逐步增大。從圖上也可以看出,越是位于基坑上部的支撐,其軸力較小,發(fā)展速度也較為均衡。而越是位于坑底的支撐,其軸力不但增加較明顯,同時(shí)其發(fā)展速度相對(duì)較快。
圖中的Z3為防止險(xiǎn)情發(fā)展,而在第五道支撐與第六道撐之間增加的一道直撐,有效地控制了長邊的變形。與第五道撐初期預(yù)加應(yīng)力只有250 kN一樣,這道增加撐初加應(yīng)力也僅為410 kN,這一方面表現(xiàn)為上一道支撐代為受力,另一方面也反映預(yù)加應(yīng)力損失較快。一般而言,預(yù)加應(yīng)力應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)值的40%~60%,才能有效地控制開挖出險(xiǎn)的初期變形。經(jīng)過設(shè)計(jì),施工多方研究與改進(jìn),將預(yù)加應(yīng)力增加到設(shè)計(jì)值的80%,雖然掉壓仍然存在,但對(duì)控制基坑的進(jìn)一步變形起到了積極的作用。
2012年11月下旬以后,隨著坑內(nèi)結(jié)構(gòu)施工加載增大被動(dòng)土壓力以及邊坡應(yīng)力釋放基本結(jié)束,基坑及周邊環(huán)境基本處于穩(wěn)定狀態(tài),位移量亦減小,整個(gè)基坑進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期。隨后變形逐步停止。
(1)通過及時(shí)反饋地鐵施工引起的周邊環(huán)境變形情況,對(duì)變形明顯且達(dá)到或超過控制標(biāo)準(zhǔn)的地段及時(shí)發(fā)布預(yù)警或報(bào)警,使有關(guān)部門采取有效控制措施,消除安全隱患,確保了地鐵施工的順利進(jìn)行。因此信息化施工在地鐵施工過程中必不可少。
(2)鋼支撐軸力在預(yù)加應(yīng)力的過程中,常常會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力下降的現(xiàn)象。在鋼支撐尚未完全受力的情況下,如何更好地控制預(yù)加應(yīng)力,對(duì)減少基坑變形有重要的意義,在后期的工作中也需要進(jìn)一步研究。
(3)在深基坑的開挖過程中,在底部長邊處及時(shí)增加一道橫向支撐,從本文來看,具有較為重要的作用。但也僅限于出現(xiàn)緊急狀況,工期、費(fèi)用、施工等問題均需要統(tǒng)籌考慮。
(4)對(duì)于重點(diǎn)段周邊沉降監(jiān)測顯示,落底式的地下連續(xù)墻對(duì)于控制周邊環(huán)境的下沉作用明顯。有樁基礎(chǔ)的建筑物比土體的下沉更加緩慢,下沉量也相對(duì)較小。
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Discussion and Analysis on Monitoring and Measurement of Key Excavation Sections of Wuhan Metro’s Fanhu Station
Zeng Rui,Yiao Yongli,Tu Chao
(Hubei Shenlong Institute of Geological Engineering Investigation,Wuhan 430030,China)
Abstract:In the process of excavation,the effects of geological conditions,support conditions,hydrological conditions,etc.may cause changes in supporting structure and surrounding environment,even result in serious loss of property and life.Taking the example of Wuhan Metro foundation excavation,this paper has presented the analysis to the key deformation sections of foundation excavation based on monitored deformation data of supporting structures,providing rigorous scientific data for all parties to take positive measures so as to ensure the safety of metro foundation excavation.
Key words:excavation monitoring;deep horizontal displacement;axial force;settlement;informatization construction
文章編號(hào):1672-8262(2015)05-154-05中圖分類號(hào):TU196,TU413.6
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
收稿日期:?2015—06—26
作者簡介:曾瑞(1972—),男,高級(jí)工程師,主要從事巖土工程監(jiān)測及研究工作。