萬金濤

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

1 概述

由于巖土體性質(zhì)復(fù)雜多變和理論計(jì)算的局限性，基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)在基坑實(shí)施過程中成為一項(xiàng)必不可少的重要工作[1-3]。目前，許多學(xué)者對(duì)深基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了研究，如黃僑文針對(duì)基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)在深基坑施工中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，認(rèn)為可以通過基坑監(jiān)測(cè)報(bào)警值分析基坑變形的原因[4]。裴建坡等通過對(duì)超大型深基坑變形監(jiān)測(cè)方案與實(shí)施的研究分析，認(rèn)為通過監(jiān)測(cè)手段可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)位移突變[5]。以下以長江一級(jí)階地某深大基坑為例，分析基坑實(shí)施過程中監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用情況。

2 工程概況

2.1 工程簡介

本工程為單體建筑，地上19層，建筑高度為83.8 m，地下2層，其基坑深約11 m，開挖面積約9 400 m2，開挖周長約430 m。基坑距離長江約700 m，周邊緊臨多個(gè)既有建筑物和管線，距離最近建筑物僅4.0 m。采用單排圍護(hù)樁結(jié)合一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐及三軸攪拌樁止水帷幕的基坑設(shè)計(jì)形式。根據(jù)湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)《基坑工程技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定[7]，本基坑重要性等級(jí)為一級(jí)。因此，基坑開挖支撐體系的選用和深基坑變形及周邊環(huán)境變化監(jiān)測(cè)尤為關(guān)鍵。基坑周邊環(huán)境及監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置如圖1所示。

圖1 基坑周邊環(huán)境及監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置

2.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

(1)工程地質(zhì)條件

基坑場(chǎng)地地層二元結(jié)構(gòu)較為明顯，上部土層主要為粉質(zhì)黏土，局部夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、薄層粉土，厚2.6～10.0 m；下部依次為粉砂、細(xì)砂，局部夾中砂、礫砂、圓礫土層，飽和，松散-密實(shí)，厚36.1～42.1 m。

(2)水文地質(zhì)條件

根據(jù)勘察資料，上層滯水主要賦存于填土層及粉質(zhì)黏土層中，水位埋深0.7～2.0 m。粉質(zhì)黏土水平滲透系數(shù)為0.436×10-7～1.686×10-7cm/s(極微透水)。主要受地表水與降雨補(bǔ)給，水位和水量隨季節(jié)和周邊環(huán)境變化。

承壓水賦存于第四系全新統(tǒng)砂類土中，含水層巖性(由上至下)為粉砂、細(xì)砂，局部夾中砂、圓礫土，隔水層頂板為黏性土，底板為基巖。該層水廣泛分布于長江一級(jí)階地，與長江水有密切的水力聯(lián)系，地下水位埋深一般為0.1～5.0 m，年變幅為3～4 m。

2.3 基坑變形監(jiān)測(cè)報(bào)警值

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》及設(shè)計(jì)要求，確定了相應(yīng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)警戒值和報(bào)警值，如表1所示[8]。

表1 基坑監(jiān)測(cè)警戒值和報(bào)警值

3 水平位移監(jiān)測(cè)

按設(shè)計(jì)要求，在支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部每隔20～30 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共布設(shè)17個(gè)水平及垂直位移(同點(diǎn)觀測(cè))監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)分別為ZD1～ZD17。監(jiān)測(cè)點(diǎn)擬采用預(yù)埋件形式，配合小棱鏡直接觀測(cè)。

為保證自由設(shè)站的觀測(cè)精度，設(shè)站點(diǎn)與兩基線點(diǎn)之間的距離不應(yīng)過大(間距100 m左右)，一般應(yīng)選在穩(wěn)定地區(qū)，且所選基線應(yīng)大致與基坑的主軸線平行。為消除觀測(cè)時(shí)儀器的系統(tǒng)誤差，每期設(shè)站點(diǎn)的位置應(yīng)大致固定。

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積位移量如圖2所示，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，將其位移量矢量示意，如圖3所示。

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平累計(jì)位移量

圖3 基坑平面累積位移矢量示意

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，在整個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)過程中，所有水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移速率均未達(dá)到警戒值，各水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積位移量也均未達(dá)到警戒值。

4 沉降監(jiān)測(cè)

基坑沉降觀測(cè)采用精密水準(zhǔn)儀，按照國家二等水準(zhǔn)要求觀測(cè)。以附合或閉合水準(zhǔn)路線方式聯(lián)測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以水準(zhǔn)控制點(diǎn)為基準(zhǔn)，測(cè)算出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程[9-10]。沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如表2所示。

表2 基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

共布設(shè)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)13個(gè)。其中，航測(cè)樓為HC1、HC2、HC3、HC4；圖文中心為TW1、TW2、TW3、TW4、TW5；檔案館為DA1、DA2、DA3、DA4。

支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部豎直位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示，臨近建(構(gòu))筑物豎向位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如表3所示，管線沉降位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部豎直累計(jì)位移量

建筑物航測(cè)樓圖文中心檔案館最大值最小值點(diǎn)號(hào)累積變化量/mmHC1-3.3HC2-20.9HC3-17.6HC4-7.9TW1-9.7TW2-1.9TW3-4.6TW4-16.1TW5-6.9DA1-1.0DA2-14.3DA3-16.9DA4-5.9-1.0-20.9

圖5 管線沉降位移量

從沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移非常小，最大只有2.6 mm；臨近建(構(gòu))筑物豎向位移沉降量相對(duì)較大，最大累積沉降量為20.9 mm；管線最大累計(jì)沉降量為10.2 mm；所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均未達(dá)到警戒值。

5 坑外坑內(nèi)水位監(jiān)測(cè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和設(shè)計(jì)要求，共布設(shè)坑外潛水水位觀測(cè)孔4口，鉆孔直徑為100 mm，潛水水位管長度長于基坑深度2～3 m。成孔后應(yīng)將孔內(nèi)泥漿清洗干凈，再安裝直徑50 mm、厚3 mm的專用水位測(cè)量PVC管。管間用套管連接，自攻螺絲加固，然后用細(xì)砂和微膨脹黏土將孔壁與管壁之間的空隙填充密實(shí)。

電測(cè)水位儀：儀器由探頭、電纜盤和接收儀組成。儀器的探頭沿水位管下放，當(dāng)碰到水時(shí)，上部的接收儀會(huì)發(fā)生蜂鳴，通過信號(hào)線的尺寸刻度，可直接測(cè)得地下水位距管口的距離。管口高程可用精密水準(zhǔn)儀與基準(zhǔn)水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè)獲得?？觾?nèi)、坑外水位監(jiān)測(cè)情況如圖6所示。

圖6 坑內(nèi)坑外水位變化

從圖6可以看出，水位觀測(cè)井SW01，SW02以及SW03的水位值總體在0.8m內(nèi)波動(dòng)，均未達(dá)到報(bào)警值。

6 土體深層水平位移監(jiān)測(cè)

為了解隨基坑開挖深度的增加，坑外土體不同深度水平位移的變化情況及樁身變形情況，在支護(hù)結(jié)構(gòu)中設(shè)置了測(cè)斜管進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為保證深層土體水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)特別控制測(cè)斜管的傾斜度、埋設(shè)深度、初始值確定、探頭穩(wěn)定時(shí)間和測(cè)斜管連接整體性等指標(biāo)，使其滿足監(jiān)測(cè)要求[11]。

17號(hào)和167號(hào)管樁處的土體深層水平位移監(jiān)測(cè)情況如圖7所示，由圖7可知，土體深層水平位移量均較小，最大位移值在冠梁以下8.5 m處(最大值為5.5 mm)，即基坑底部附近水平位移最大。

圖7 土體深層水平位移

另外，土體深層水平位移變化速率多在1 mm/d范圍內(nèi)，只有6號(hào)點(diǎn)在5月19日至5月22日之間其位移波動(dòng)接近3 mm(如圖8所示)，鑒于波動(dòng)值較小，認(rèn)為其變形結(jié)果可控，后期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了這一結(jié)論。

圖8 土體深層水平位移變化

7 支撐軸力監(jiān)測(cè)

支撐軸力監(jiān)測(cè)的目的是監(jiān)測(cè)基坑開挖及地下結(jié)構(gòu)施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)支撐體系的受力情況，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性做出評(píng)估。該項(xiàng)監(jiān)測(cè)是對(duì)基坑設(shè)計(jì)與計(jì)算的直接檢驗(yàn)。

對(duì)于混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)，目前工程中最常用的儀器是鋼弦式應(yīng)力計(jì)。其基本原理是當(dāng)鋼筋受拉或者受壓時(shí)，鋼筋和鋼筋應(yīng)力計(jì)發(fā)生變形，從而引起鋼筋應(yīng)力計(jì)頻率發(fā)生變化，即可計(jì)算出鋼筋所受力的大小[12-13]。

支撐及棧橋板鋼筋內(nèi)力計(jì)算公式為

(1)

棧橋板鋼筋應(yīng)力計(jì)算公式為

σg=pg/Ag

(2)

支撐軸力計(jì)算公式為

(3)

其中P——鋼筋應(yīng)力/kN；

K——鋼筋應(yīng)力計(jì)標(biāo)定系數(shù)/(kN/Hz)；

f0——初始頻率/Hz；

fi——本次頻率/Hz；

Pc——支承軸力/kN；

Ec，Eg——混凝土和鋼筋的彈性模量/MPa；

A，Ag——支撐截面面積和鋼筋截面面積/mm2。

本工程中，支撐軸力測(cè)點(diǎn)按設(shè)計(jì)要求布置，編號(hào)為ZC1～ZC16。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置4支鋼筋計(jì)，布置形式如圖9所示。

圖9 支撐軸力測(cè)試示意

施工過程中，監(jiān)測(cè)到的混凝土支撐軸力最大值如圖10所示，由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，支撐軸力均為負(fù)值，表明混凝土支撐處于受壓狀態(tài)[14]，支撐軸力最大值在-3 614.1～-8 098.9 kN范圍內(nèi)，其中ZC2、ZC3、ZC7、ZC8、ZC10、ZC13監(jiān)測(cè)點(diǎn)的軸力出現(xiàn)了預(yù)警情況，最大應(yīng)力值達(dá)-8 098.9 kN。對(duì)出現(xiàn)預(yù)警的情況進(jìn)行了討論分析，發(fā)現(xiàn)支撐軸力較大的原因主要是周邊建筑物荷載偏大和基坑周邊堆載，但此時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形較小，整體結(jié)構(gòu)仍處于安全狀態(tài)，對(duì)施工無影響。

圖10 混凝土支撐軸力最大值

8 結(jié)束語

(1)支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移均在15 mm以內(nèi)，而報(bào)警值為30 mm，表明本工程單排圍護(hù)樁結(jié)合一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐的剛度滿足設(shè)計(jì)要求，尚有一定的富余量。

(2)施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降較小，而臨近建(構(gòu))筑物和管線沉降相對(duì)較大，主要原因是建(構(gòu))筑物和管線距離基坑較近，且臨近建(構(gòu))筑物均為淺基礎(chǔ)。

(3)施工水位隨長江水位在一定范圍內(nèi)變化，變化幅度在0.8 m以內(nèi)，表明補(bǔ)給水源水位的變化對(duì)基坑水位變化影響較大，施工時(shí)應(yīng)根據(jù)補(bǔ)給水源水位的變化調(diào)整降水參數(shù)。

(4)本工程多處出現(xiàn)支撐軸力報(bào)警情況，但其整體結(jié)構(gòu)仍處于安全狀態(tài)，表明支撐軸力單獨(dú)作為結(jié)構(gòu)安全性判斷依據(jù)還有所欠缺。因此，當(dāng)支撐軸力報(bào)警時(shí)，應(yīng)結(jié)合其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目綜合判斷結(jié)構(gòu)的安全性。

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