深圳地鐵2號線僑香站基坑監(jiān)測分析

趙慶強,張建龍,王 輝,劉修橋

(1.廣東工業(yè)大學,廣東廣州510006;2.廣東華隧建設股份有限公司,廣東廣州510635)

1 工程概況

僑香站是深圳地鐵2號線東延線的一個中間站,該站位于僑香路上,車站西端斜跨僑香路,東端斜跨農園路,車站基坑工程大致呈東西走向,平面形狀復雜,呈現(xiàn)不規(guī)則的“凹槽”形,東西走向長172.54 m,基坑西端最大寬度65.33 m,東端最大寬度49.73 m,基坑標準段寬度為19.1 m,基坑深17.39 m～18.50 m,站址周邊地下管網已經形成,管線密集,在僑香路車站范圍基坑內有一根直徑800 mm的混凝土雨水管,埋深4.12 m;車站東南側有港中旅花園二期高層住宅;其中24棟樓離基坑最近距離4.89m,化糞池離基坑3.83m;東北側有翠海花園高層住宅小區(qū);車站西側為僑香路的西北側主要有香格麗苑高層住宅小區(qū);車站西北側主要有僑香村住宅小區(qū)。

2 工程地質條件及基坑圍護方案

基坑車站范圍內上覆地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填筑土、沖洪積砂土、卵石土及黏性土層,第四系殘積黏性土,下伏基巖為燕山期。地下水主要有第四系孔隙水、基巖裂隙水,地下水埋深為3.10 m～9.20 m。

基坑工程所在地層較復雜,對周邊環(huán)境影響較大,對安全性能要求較高,本站采用φ 1 000 mm鉆孔灌注樁(部分φ 800 mm)+樁間φ 600 mm旋噴樁+內支撐的圍護結構體系,除在基坑陰角處安裝了部分混凝土角支撐外,其他部位在基坑深度范圍內2 m、6 m、12 m處設置了三道鋼管內支撐。

3 基坑監(jiān)測目的

在基坑工程實踐中發(fā)現(xiàn)與設計值估值相比,實際工程的工作狀態(tài)往往存在一定的差異,其主要原因是:由于地層性質存在著變異性和離散型,地質勘察所獲得的數(shù)據(jù)很難準確代表土層的全面總體情況,鉆探取樣對土樣的擾動和應力釋放難免會造成一定程度的試驗誤差;基坑圍護結構設計和變形預估時,對土層和圍護結構所作的模型分析、簡化假定及參數(shù)選用與實際相比有一定的近似性[1];另外,施工過程中的各種因素也會引起圍護結構的受力處于動態(tài)變化。若基坑圍護結構及周邊建筑變形超過允許范圍,將危及基坑外側建筑物和構筑物的安全,因此在開挖和結構施工過程中必須加強圍護結構與周邊環(huán)境的監(jiān)測,及時掌握基坑開挖過程中的動態(tài)變形情況,為施工過程提供及時的反饋信息,對施工方案進行優(yōu)化,縮短施工工期[2],降低工程造價,提供有效決策依據(jù),確保整個支護體系及周邊建筑的安全。

4 基坑監(jiān)測方案

針對基坑深度大,平面形狀復雜、基坑距離建筑物較近的特點,依據(jù)有關規(guī)范[3-5]并結合基坑特點確定監(jiān)測內容如下:基坑邊壁(圍護樁)的深層水平位移(測斜)、鋼支撐軸力測試、周邊建筑物的沉降測試,樁身內力測試。監(jiān)測項目確定后,不同的監(jiān)測項目應根據(jù)其特點以及工程實際情況布設測點,測點的布設充分考慮基坑的地質狀況與基坑圍護的方案,根據(jù)經驗和理論的預測來考慮測點的布設范圍和密度,監(jiān)測點布設見基坑測點平面圖1。

圖1 基坑測點平面布置

4.1 深層水平位移

隨著基坑深度的增大,地下水位的變化,基坑外側深層土體也會發(fā)生變化,引起深層水平位移,因此深層水平位移的監(jiān)測是控制深基坑位移的重要手段[1]。①測點埋設:深層水平位移監(jiān)測一般采用設置測斜管利用測斜儀測定,將與鋼筋籠等長的測斜管綁扎在鋼筋籠上,同步放入成孔內,通過澆筑混凝土固定于樁體內,測斜管安裝如圖2所示;通常將測點均勻布置在圍護結構各邊跨跨中,間距為20 m～30 m,本基坑周邊布設27個測斜孔,在基坑平面撓曲計算值較大的位置,測點應適當加密,測點平面布置圖見圖1;②監(jiān)測方法:沿一個方向將測斜儀探頭緩慢放入管底,從下往上,每隔間距0.5 m提升一次,并讀取相應數(shù)據(jù),直至管頂,完成一個方向的測量;然后沿垂直方向重復上述操作,完成另一個方向操作,將數(shù)據(jù)導入計算機,按測點的分段長度,計算出不同高程處的實際水平位移,整理出有關結果,繪出深度～位移變化曲線圖,為施工決策提供有效的依據(jù)[6];③監(jiān)測頻率:施工過程中1次/d,累積變形量≤50 mm,變形速率≤3.0 mm/d。

圖2 測斜管和鋼筋計安裝示意

4.2 建筑物沉降監(jiān)測

基坑一定范圍內建筑物的監(jiān)測,是基坑監(jiān)測的重點項目之一[3],一般進行垂直與水平位移監(jiān)測,多數(shù)只進行垂直位移(沉降)監(jiān)測。①測點埋設:監(jiān)測點一般布置在建筑物的四周角點、中點以及內部承重墻(柱)上,間距為15 m～20 m。港中旅花園小區(qū)化糞池及23棟和24棟高層住宅距離基坑較近,測點沿住宅樓拐角布設,共布設10個測點,測點平面布置圖見圖1,這樣可以反映出建筑物不均勻變形情況,有助于變形分析與預警;②監(jiān)測方法:采用精密水準儀按照有關技術規(guī)程[5]規(guī)定的方法觀測;通過平差計算各測點的高程,第一次觀測高程作為監(jiān)測點的初始高程,以后各次觀測高程減去初始高程即為累積沉降,前后兩次高程之差為本期沉降量,運用沉降速率法[6]導出相關數(shù)據(jù)并繪出沉降速率與時間的關系曲線,供有關單位參考指導下一步施工;③監(jiān)測頻率:施工過程中1～2次/d,累積沉降量控制在-20 mm～+10 mm范圍內,沉降速率≤2.0 mm/d。

4.3 支撐軸力監(jiān)測

軸力計是用于監(jiān)測基坑圍護樁體和水平支撐受力變化的儀器,由于基坑平面復雜,所以鋼支撐監(jiān)測斷面取在最危險的部位。①測點埋設:軸力計安裝在鋼支撐與圈梁接頭的位置,每根鋼支撐安裝兩個軸力計;②監(jiān)測方法:軸力計安裝完畢后用頻率儀測定其初始頻率,在施工過程中每次對其頻率進行測定并換算成軸力值;③監(jiān)測頻率:施工過程中1次/d,實測軸力小于容許軸力3 000 kN。

4.4 樁體內力監(jiān)測

對樁身內力的監(jiān)測主要是利用綁扎在支護樁主筋上的鋼筋應力計來進行觀測,每個剖面對稱布置兩組鋼筋計,具體安裝如圖2所示。①測點埋設:監(jiān)測斷面選擇支護結構中彎矩較大的部位,本支護結構設計彎矩最大值出現(xiàn)在2 m～12 m范圍內,故在2 m～12 m范圍內每2 m對稱安裝2個鋼筋計;②監(jiān)測方法:在基坑開挖初期用頻率接收儀測定鋼筋計初始頻率,在施工過程中每次對其頻率進行測定并換算成彎矩值;③監(jiān)測頻率:施工過程中1次/d,實測軸力小于容許軸力,計算彎矩小于設計彎矩。

5 監(jiān)測成果分析

本基坑有以下特點,一是開挖深度大,二是基坑周圍為城市主干道且靠近住宅,地下管道密集。結合該基坑特點,在基坑施工過程中實行信息化施工[8],對基坑土方開挖和結構施工過程進行跟蹤監(jiān)測,將觀測數(shù)據(jù)通過粗差剔除、平差處理、數(shù)據(jù)轉換得到測點新一期的觀測值,與前期觀測值形成觀測序列并采用回歸分析的方法建立測點隨時間的變化趨勢線[9]。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋的監(jiān)測信息,及時調整相應的開挖、支護、施工等參數(shù),降低基坑開挖對周邊環(huán)境的影響。

5.1 深層水平位移分析

基坑周邊共布設27個測斜孔,測斜管與圍護樁體同深,測斜管預先固定在圍護樁的鋼筋籠上且靠近基坑內側方向,連同鋼筋籠一起澆注在混凝土中。下面以基坑危險斷面處測點ZCX-27(基坑長邊中點處)、ZCX-17(陽角處)、ZCX-12(陽角處)測斜孔為例就其監(jiān)測結果進行分析。

(1)根據(jù)深層水平位移變化曲線圖可知(見圖3、圖4、圖5),在土體開挖初期,深層水平位移曲線近似呈直線變化,原因是土方開挖初期,基坑周邊土體擾動較小,土體變形呈現(xiàn)出蠕變特性,至7月5日ZCX-12測斜孔最大位移12.02 mm,ZCX-17測斜孔最大位移5.88 mm,ZCX-27最大位移15.32 mm;隨著開挖深度的增加,基坑內土體卸載,基坑周圍主動土壓力增加,擠壓圍護結構,致使圍護結構迅速向基坑內側遷移,基坑變形呈現(xiàn)出明顯的空間效應;深圳地區(qū)7月份進入汛期,降雨頻繁,圍護結構止水帷幕施工質量較差,基坑周圍經常有滲水現(xiàn)象,加上該地區(qū)地下水位較高,基坑內外水位差異變化明顯,在基坑場地內外形成了地下水主要向坑內和基坑西南側排出的非穩(wěn)定滲流場,圍護結構長期處于高水位的浸泡和滲流場作用,對圍護結構和穩(wěn)定產生了不利影響[10]。基坑開挖約12 m處,ZCX-12測斜孔最大位移40.25 mm,ZCX-27最大位移32.17 mm,ZCX-17測斜孔最大位移50.32 mm,其中ZCX-17測斜孔最大變形超過50 mm,超過允許值,最大變形速率為3.27 mm/d,超過報警速率值,監(jiān)測人員據(jù)此向施工單位報警,建議及時加裝支撐,并采取相應加固措施,調整施工方案,避免了險情的發(fā)生,同時也確保了基坑開挖及支護作業(yè)的順利進行。

(2)監(jiān)測期間,發(fā)現(xiàn)測點ZCX-17和ZCX-27側向位移變化異常,測點ZCX-17除側向位移緩慢增大外,還間歇出現(xiàn)側向負位移,最大負位移5.23 mm,通過監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn),ZCX-17附近經常有挖機、運土車等重型車輛通過,給基坑造成了很大的附加荷載,加大了基坑側壁的土壓力,這些附加荷載除產生塑性變形外,還產生部分彈性變形,在基坑開挖警戒期,建議盡量不要在基坑場地堆放大量鋼筋、大型設備等,以減輕場地的附加荷載;ZCX-27處基坑頂部產生負位移,原因是基坑開挖約15 m處,基坑側向位移速率變化較大,超過預警值3.0 mm/d,監(jiān)測人員及時通知施工單位和設計方,通過采取措施,支撐軸力在原設計值的基礎上提高20%,基坑頂部雖然產生部分負位移,但提高軸力設計值有效抑制了基坑變形,在后續(xù)施工過程中,側向位移變化趨于緩慢。

圖3 ZCX-12深層水平位移變化曲線

圖4 ZCX-17深層水平位移變化曲線

(3)由圖3、圖4、圖5可知,在基坑土方開挖及地下結構施工的整個監(jiān)測過程中,深層水平位移曲線沿深度方向在基坑淺部開挖時基本上呈線性變化,基坑深部開挖時近似呈拋物線變化,整體曲線形態(tài)大體呈“弓”形,最大位移點出現(xiàn)在基坑的中部,最小點在底部,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因,是基坑淺部開挖時,基坑圍護樁處于懸臂狀態(tài),其最大位移點在頂部,隨著開挖深度的增加,支撐開始設置,由于圍護樁和圈梁的整體剛度較大,再加上安裝支撐并進一步施加預應力,從而有效抵抗了基坑的側移,在后續(xù)的基坑開挖工序下,圍護結構進一步朝基坑內側變形。底板澆注完成后,基坑的深層水平位移增長緩慢,累計位移量雖超過允許值50 mm,但位移增長速率已控制在0.5mm/d以內,從而可以判斷基坑測斜曲線已趨于穩(wěn)定,原因是底板將兩側的圍護結構聯(lián)成一個整體,整體剛度增大,有效地抵抗了基坑兩側土體的側壓,圍護樁水平位移也逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 ZCX-27深層水平位移變化曲線

5.2 周邊建筑物沉降分析

在整個施工過程中,建筑物沉降監(jiān)測主要為最靠近基坑的港中旅二期23棟和24棟樓,現(xiàn)以其中三點JCJ-3、JCJ-6和JCJ-9為例進行分析,由圖6的沉降速率變化曲線可以看出,在施工過程中,建筑物沉降主要經歷了兩個階段,第一階段為從基坑開挖至底板澆筑階段(2009-04-20至2009-09-20),在此過程中建筑物沉降明顯呈增大趨勢,沉降最大值達到30 mm,沉降原因可從兩方面分析,一是隨著基坑開挖深度的增加,開挖面土體應力釋放,造成開挖面土體向基坑內側移動,基坑周邊土體逐步沉降,從而引起建筑物隨之沉降;二是基坑范圍內地下水豐富,對建筑物沉降影響較大[6],在施工開挖降水過程中,隨著地下水位降低,含水層排水導致周邊土體沉降從而引起建筑物沉降。第二階段為結構澆筑至頂板回填階段(2009-09-25至2009-11-10),此段時間內建筑物沉降趨于平緩,一個半月時間內沉降量為3 mm左右,主要由土體孔隙比變化引起緩慢固結沉降引起。同時通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析不難發(fā)現(xiàn),在10-01至10-15這段時間內,最大沉降速率為0.35 mm/d,此時建筑物沉降并不穩(wěn)定,而在2009-10-15至2009-11-15這段時間內,建筑物沉降速率為0.009 mm/d,此時建筑物沉降已經趨于穩(wěn)定,最大沉降量雖超過30 mm,但由于及時采取安裝支撐、澆筑底板等基坑加固措施,從2009-04-15到2009-11-10施工中后期沉降量沒有繼續(xù)變大,沉降量最大值始終控制在30 mm左右,說明基坑已處于穩(wěn)定狀態(tài),上述結果表明建筑物的沉降與地下水升降、變形體周邊約束條件有關,變形具有明顯的空間工程效應[10]。

圖6 建筑物沉降速率時程曲線

5.3 鋼支撐軸力分析

監(jiān)測過程中,各種原因造成了測點儀器的破壞和中斷,考慮數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性,結合基坑斷面情況,選擇ZL-4處軸力監(jiān)測結果進行支撐軸力分析。支撐軸力隨時間變化過程曲線如圖7所示,基坑開挖初期,土體擾動較小,施工單位為了方便土方開挖,延遲了支撐的安裝時間,當基坑開挖到第一道鋼支撐設計標高以下約2 m處,才開始架設支撐,此時樁體向基坑內側變形已經很大,施工單位隨后安裝了第一道鋼支撐并施加預應力,軸力計監(jiān)測值已達1 200 kN左右;隨著基坑開挖深度增加,土壓力增大,支撐軸力增加的速率加快,至8月初第一道鋼支撐軸力監(jiān)測值已超過1 400 kN;此后第二、三道鋼支撐及時安裝并施加預應力之后,第一道鋼支撐軸力值稍有減小,而第二、三道鋼支撐軸力監(jiān)測值開始逐步增大。當基坑開挖到底部設計標高處,此時軸力達到最大值,待底板澆筑完成后,軸力增大速率明顯趨于緩慢,直至支撐拆除前,第一道支撐最終穩(wěn)定在1 600 kN左右,第二道支撐最終穩(wěn)定在1 680 kN,第三道穩(wěn)定在1 800 kN,此時鋼支撐受力基本穩(wěn)定。監(jiān)測結果表明,在基坑開挖過程中,坑外主動土壓力增大,迫使圍護結構變形向基坑內遷移,從而引起軸力變大,而軸力加大反過來進一步抵抗基坑側壁位移的進一步發(fā)展,在基坑開挖到安裝支撐的設計標高處,應及時安裝支撐,否者將導致基坑側壁產生過大的位移,進而引起周邊建筑物沉降,危及周邊建筑的安全,另外,底板對抑制圍護結構變形、緩解基坑四周土壓力釋放也起到了重要作用,在基坑開挖過程中,對及時澆筑底板,應引起足夠的重視。

圖7 鋼支撐軸力變化曲線

5.4 樁內力分析

從監(jiān)測彎矩圖8可以看出,基坑開挖初期,基坑頂部由于沒有支撐作用,支護樁向著懸臂樁變形的方向發(fā)展,樁身內力表現(xiàn)為基坑內側受壓、外側受拉。隨后安裝支撐并施加預應力,有效抑制了樁體內力的進一步變大并向負向發(fā)展,彎矩迅速增加到128.4 kN?m,隨著開挖深度增加,基坑周邊主動土壓力增大,迅速擠壓圍護結構,彎矩向場地臨空和軟弱部位的基坑內側發(fā)展,最大值達到98.6 kN?m,監(jiān)測人員報告施工單位,及時采取架設支撐措施,控制了樁身內力的進一步增大。監(jiān)測結果表明,本工程支護樁由于鋼支撐的應用呈現(xiàn)出與懸臂樁應力完全不同的變化趨勢,懸臂樁一般表現(xiàn)為基坑內側受壓、外側受拉,而樁+支撐聯(lián)合支護中支護樁在逐步安裝的支撐作用下,出現(xiàn)了在樁身內側部分區(qū)域出現(xiàn)受拉、部分區(qū)域出現(xiàn)受壓,樁身外側與內側相反的變化趨勢,其主要原因是支撐起了很大的作用,所以及時安裝支撐能有效約束樁身內力增大。

6 結 語

通過對深圳地鐵2號線僑香站基坑現(xiàn)場測試及監(jiān)測分析,得出以下結論:

(1)監(jiān)測的成果全面地反映了基坑結構受力和位移變形情況,深層水平位移變化受土體蠕變、地下水位升降以及附加荷載等因素影響,從深層土體水平位移隨深度變化曲線可以看出樁體變形的最大值不是出現(xiàn)在基坑底部,而是出現(xiàn)在中部,呈現(xiàn)出“弓形”。底板澆筑后,樁體側向位移的變化速率明顯減小,可見在施工過程中,底板的約束作用是明顯的,因此當基坑開挖至底后應該加快基坑底板的施工速度,減少基坑暴露的時間,從而減少基坑變形量。

圖8 樁內力變化曲線

(2)基坑外側建筑物沉降隨基坑開挖深度增大而增大,而且與地下水的升降、變形體周邊約束條件密切相關,沉降速率最大出現(xiàn)在基坑開挖到底后結構開始施工的期間內,變形具有明顯的空間工程效應[10],這就要求在此施工期間基坑開挖要保持警惕。

(3)基坑開挖過程中,及時安裝支撐并施加預應力不僅能有效控制軸力變化,而且支撐對支護結構樁內力約束影響顯著,支撐的施加使樁體呈現(xiàn)出與懸臂樁應力完全不同的變化趨勢,一般隨著基坑開挖深度的增加,支護樁內力變形呈增加的趨勢,在施工過程中及時安裝支撐,能有效控制支護樁的樁身內力。

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