蘇州樂園站深基坑監測分析實例

陳樹杰 廖振宇

(無錫市軌道交通發展有限公司,江蘇無錫 214043)

由于城市的迅猛發展,深基坑問題逐漸成了設計和施工的重要問題之一。為了確保基坑設計、施工的可靠性,除了在分析模型、計算方法、選用概率理論來盡量擬合實際情況以外,還必須進行現場監測。現場監測作為確保基坑工程施工安全可靠進行的必要和有效手段,對于驗證原設計方案、局部調整施工參數以及改進和提高設計水平等具有現實的指導意義。

1 工程實例

蘇州樂園路站標準段開挖深度為15.9～21.2 m,端頭井開挖深度為17.3～17.6 m,采用800厚31～38 m深的地下墻進行圍護；換乘節點基坑開挖深度23.2 m,局部最大開挖深度25.0 m。

蘇州樂園站位于蘇州樂園大門東側,平行長江路,其北端為金山路,本站站位現址為蘇州樂園停車場。基坑周邊建筑物較少,南端井西面為陽光大酒店,換乘段西面為天恩大酒店,建筑物年代較新,結構為框架結構。周邊管線大部分為電力、電信等軟線,其他為自來水管線。其中標準段末端靠近天恩大酒店,是本工程最大的風險源,也是本工程保護的重點建筑物。

蘇州地區多是淤泥質黏土和粉質黏土,屬于軟地基,墻體變化量比較大,容易引起周邊環境的變化。

2 監測數據

基坑開挖和降水施工將不可避免地對周邊環境帶來不利影響,為此應加強對外圍環境及支護結構的監測,及時了解施工中的動態變化情況以指導施工,便于及時采取相應措施。為確保基坑支護結構及周邊建筑物的安全,在基坑開挖、支護及后續結構施工階段進行了以下項目的監測：基坑圍護結構墻體水平位移監測(測斜)、墻頂位移監測、建筑物沉降監測、支撐軸力監測、鋼格構立柱的變形監測、坑外水位監測等。

為了清晰全面地分析監測數據,將蘇州樂園站分為四個部分來介紹,分別為南端井、標準段、換乘段、北端井。

2.1 墻體水平位移監測

墻體水平位移監測變化曲線如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

2.2 墻頂位移監測

墻頂位移監測曲線如圖5、圖6所示。

2.3 建筑物沉降

建筑物沉降情況如圖7、表1、表2所示。

2.4 立柱沉降

立柱沉降情況如圖8、表3所示。

2.5 支撐軸力

由于支撐軸力布點的特殊性,為了方便清晰地看到軸力隨基坑開挖的變化趨勢,選擇有代表性的軸力計作為研究對象(如圖9、圖10、圖11、圖12所示)。

圖1 南端井端頭

圖2 標準段

圖4 北端頭井

圖6 北端井墻頂水平位移

圖7 天恩大酒店房屋沉降

圖8 立柱沉降

表1天恩大酒店房屋沉降數據mm

測點編號10-2711-711-1811-2411-3012-612-13JZ23-0.82-5.29-7.24-9.27-8.41-9.67-11.97JZ24-0.74-3.88-4.01-5.61-5.9-7.2-9.68JZ25-0.57-4.77-5.54-6.95-7.21-8.47-10.72JZ26-0.79-6.99-9.75-11.72-11.14-12.83-16JZ27-0.71-8.26-12.38-13.71-14.47-16.13-19.3JZ28-0.48-3.53-7.72-8.65-9.62-10.97-14.35JZ29-0.6-5.91-9.93-10.8-11.93-13.3-16.87JZ30-0.71-3.2-7.09-8.15-8.28-9.88-12.36

表2 最大累計變化量

表3 立柱沉降數據 mm

圖9 第一道支撐 圖10 第二道支撐 圖11 第三道支撐 圖12 第四道支撐

2.6 坑外水位

坑外水位隨時間變化趨勢如圖13、表4所示。

圖13 坑外水位變化趨勢

表4坑外水位數據統計mm

11-2312-231-232-263-234-235-246-257-228-21SW13180-12893493001127929841943897839SW14-1714-2680-2231-2212-2805-2864-2657-2645-2631-2537SW21-395-904-471-473-402-351-442-406-438-388SW22-330-964-872-896-917-384-377-289-325-305SW27-1309-561-1219-1250-877-206-306-375-420-344SW28-1855-1888-3591-3558-2254-1807-1881-1727-1769-1621SW29-1900-1470-3853-3815-3595-4486-4318-4251-4016-3899

3 監測數據的分析

綜合分析墻體位移數據變化情況分析,開挖第四層土時,是基坑開挖的關鍵時期,基坑越深,周邊土體壓力也隨之增大,而且速度很快,墻體的最大土體壓力位置下移,最大位移量出現在12～16 m之間。底板澆筑前,第三道和第四道支撐受力最大,報警值在這個時期極易出現。因此，澆筑底板的速度一定要快,時間要短,禁止基坑開挖到底后長時間的閑置。一般情況下,底板澆筑完成后,整個基坑處于受力平衡狀態,基坑趨近于穩定。

拆撐也是一個關鍵時期,由于支撐的拆除,基坑由原來的受力平衡狀態轉變成另一種狀態,致使墻體產生再次變形,而且拆除關鍵支撐墻體變化量比較大,一般在3～5 mm之間,甚至達到8～10 mm。

墻頂水平位移、垂直位移變化趨勢是一致的,但是引起二者變化的直接原因不相同,墻頂垂直位移主要是坑內土體卸載坑底隆起引起,墻頂水平位移主要是坑外主動土壓力大于被動土壓力,坑外土體向坑內移動所造成的。

天恩大酒店靠近標準段,最近距離只有3 m,基坑稍微變形就會引起天恩大酒店的變形。從監測數據和建筑物變化趨勢來分析,由于基坑墻體變化比較小,靠近天恩大酒店的墻體水平位移CX22最大變化量在20 mm左右,且比較平穩,對建筑物的影響較小。天恩大酒店建筑物基礎為樁基礎,結構為框架結構,建筑物年代較新,總體沉降量比較理想,其中最大累計沉降出現在靠近基坑邊的JZ27(29.8 mm)。沉降規律與設計相符,靠近基坑的沉降量大,整體向基坑方向傾斜；隨著基坑的開挖,沉降速率不斷增加,底板澆筑完成后,變形趨勢開始收斂。

立柱變形主要是坑底隆起造成的,變化量要遠遠大于連續墻墻頂變形。換乘段由于開挖較深,基坑面積大,立柱最大隆起量達到了29.18 mm，已經超過了報警值。監測報警后,監測單位主動加密監測頻率,施工單位和各上級主管部門都非常重視,采取了各種措施,比如加快施工進度,搶澆底板,降低承壓水的水頭等等,最終立柱穩定在29 mm的位置。

從立柱變化趨勢(圖8)可以看出,在基坑開始卸載的時候,隆起量變化速率很快,開挖最后一層土時,隆起量基本上達到了最大,底板澆筑完成并凝固后,變化逐步減小,直至穩定。

通過支撐數據可以分析得出:

①支護結構設計中土體的物理力學參數選擇不當。

深基坑支護結構所承擔的土壓力大小直接影響其安全度,但由于地質情況多變且十分復雜,要精確地計算土壓力目前還十分困難,至今仍在采用庫倫公式或朗肯公式。土體物理參數的選擇是一個非常復雜的問題,尤其深基坑開挖后,含水率、內摩擦角和黏聚力三個參數是可變值,很難準確計算出支護結構的實際受力。在深基坑支護結構設計中,如果對地基土體的物理力學參數取值不準,將對設計的結果產生很大影響。

②基坑土體的取樣具有不完全性。

③基坑開挖存在的空間效應考慮不周。

根據大量監測數據分析,基坑周邊向基坑內發生的水平位移是中間大兩邊小。深基坑邊坡的失穩,常常以長邊的居中位置發生。這足以說明深基坑開挖是一個空間問題。傳統的深基坑支護結構的設計是按平面應變問題處理的，對一些細長條基坑來講,這種平面應變假設是比較符合實際的,而對近似方形或長方形深基坑則差別比較大。所以,在未進行空間問題處理前而按平面應變假設設計時,支護結構要適當進行調整,以適應開挖空間效應的要求。

④支護結構設計計算與實際受力不符。

工程實踐證明,有的支護結構按極限平衡理論設計計算的安全系數,從理論上講是絕對安全的,但有時卻發生破壞；有的支護結構安全系數雖然比較小,甚至達不到規范的要求,但在實際工程中卻滿足要求。

極限平衡理論是深基坑支護結構的一種靜態設計,而實際上開挖后的土體是一種動態平衡狀態,也是一個土體逐漸松弛的過程,隨著時間的增長,土體強度逐漸下降,并產生一定的變形,在設計中必須充分考慮到這一點。

根據支撐軸力的監測數據反映,本工程土方開挖初期,由于開挖速度較快,支撐軸力上升較大，這也與深層土體位移觀測結果相對應。

由水位觀測可以發現,坑外水位基本上呈現下降趨勢。因坑內降水產生壓力差,通過連續墻的縫隙滲入基坑,導致坑外水位下降。如果連續墻出現大的滲漏,坑外水位會出現急劇下降(例如SW29),當連續墻滲漏點被封堵后,坑外水位又會因為水源的補給而慢慢恢復。坑內水位和降水有直接關系,只有坑內水位降到設計位置才能順利施工。對于多雨季節時出現的地下水位上升,應加大降水井抽水量,延長抽水時間的辦降低地下水位,并加大地下水位監測的頻率,確保施工的順利進行。除采取以上監測措施外,每天應由工程經驗豐富的技術人員對基坑穩定作肉眼觀測,主要觀察支護結構施工質量、圍護體系滲水現象、施工條件的改變、坑荷載的變化、管道滲漏、降雨等情況對基坑的影響。注意基坑周圍的地面裂縫、維護結構和支撐體系失常情況，鄰近建筑物的裂縫、局部管涌現象,發現隱患及時處理。

4 結束語

建筑基坑的開挖與支護結構是一個系統工程,涉及工程地質、水文地質、工程結構、建筑材料、施工工藝和施工管理等多方面。它是集土力學、水力學、材料才學和結構力學等于一體的綜合性學科，支護結構又是由若干具有獨立功能的體系組成的整體。正因如此,無論是結構設計還是施工組織都應當從整體功能出發,將各組成部分協調好,才能確保它的安全可靠、經濟合理。

地鐵軟土深基坑工程施工監測隨工程地質水文條件變化,在工程實踐中仍處于經驗及工程類比的階段。針對具體工程,常常通過設計和實際相結合的辦法找出相應的監測方法,及時反饋信息,指導基坑施工。通過監測分析,在設計軟土深基坑時必須考慮各種不利因素,針對不同的地質條件,采取不同的措施,充分考慮不同工況下基坑的變形及受力。在施工軟土深基坑時應嚴格按時空效應執行,先撐后挖,短開挖、快支撐、速封閉、勤量測、速反饋,并且要充分熟悉地質資料,動態控制,必要時可對警戒值進行調整。

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