地鐵基坑施工中水位監測數據累計值超標及其影響分析

陳開端

(福州市城市地鐵有限責任公司安全質量部,350001,福州∥高級工程師)

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地鐵基坑施工中水位監測數據累計值超標及其影響分析

陳開端

(福州市城市地鐵有限責任公司安全質量部,350001,福州∥高級工程師)

福州地鐵象峰站建設施工中出現水位監測數據持續超標,累計值限定的極限已經用完,但地表并未出現嚴重沉降的情況。從福州巖土工程特性方面分析了其產生原因,指出實際上出現了水位監測累計值失效的現象,提出了處理相關監測項目出現失效問題的方法。

地鐵; 基坑;水位監測;累計值;滲流;承壓水

Author′s address Fuzhou Urban Metro Co.,Ltd.,350001,Fuzhou,China

1 工程概況

福州地鐵1號線象峰站位于象峰村及三木家天下小區附近的秀峰路上,沿秀峰路南北向布置,為地下二層(局部三層)島式車站,頂板覆土厚度約為3 m,采用明挖順作法施工。擬建基坑長420.0 m,寬19.2～24.6 m,開挖深度15.5～26.0 m。圍護結構采用800 mm(小里程端頭井采用1 000 mm)厚地下連續墻+內支撐支護方案,中間段第一道、小里程端頭井各道及大里程端頭井第二道為混凝土支撐,其余均為鋼管支撐。場地土類型為中軟土,建筑場地類別為Ⅱ類。基坑安全等級為一級;基坑保護等級為一級。

1.1 工程地質

根據設計文件,車站地質情況自上而下為:1-1雜填土;1-3淤泥質填土;6碎卵石;7粉(砂)質黏土;13-a殘積(砂質)黏性土;14全風化巖;15散體狀強風化巖;16碎裂狀強風化巖;17中等風化巖。本場地地質相對穩定,基坑所在地地面為坡地,地表呈北高南低,高差約9.5 m。

象峰站所處位置比較接近福州盆地北端的山體。由于部分城市規劃設施一并納入地鐵車站施工范圍,因此整個車站開挖長度約為420 m。施工中采用分段開挖方式,南北兩端先行施工,中間設置縱向放坡以利于車輛出土。

1.2 水文地質

福州地鐵1號線象峰站場地范圍內地表水系較為豐富(見圖1)。淺部及中部地下水類型可分為上層滯水及承壓水-潛水。上層滯水主要賦存于淺部雜(素)填土層中,為孔隙水。穩定水位埋深一般在2.6～3.7 m間。承壓水-潛水主要賦存于淺部碎卵石層及其下的殘積土、全風化、強風化巖層中。

勘察資料表明:擬建場地針對承壓水-潛水層進行了兩組抽水試驗,測得穩定水位埋深為0.6～11.42 m,相應水位標高為28.43～26.40 m;承壓水水頭可達27.179～25.149 m。受大氣降水及地表徑流補給,以及季節性降雨量變化的影響,水位變化幅度約2～6 m。

1.3 水位監測情況

1.3.1 監測數據分析

施工方2013年1月開始上傳地下水位監測初始值并進行水位監測工作。福州地下水位監測的控

圖1 象峰站地質剖面圖

制值為:累計值1 000 mm,監測精度5.0 mm。隨著基坑開挖的深度不斷增加,地下水位也開始逐漸發生變化。這種變化可分為3個階段。

第一階段:水位下降超標。2013年2月初測得最大值SW07為-1 520.00 mm;4月初測得最大值SW07為-2 840.00 mm,此時,已經超過設計控制值。

第二階段:水位變化的特點為突變性。2013年9月1日最大值SW07為-3 770.00 mm,9月8日最大值為-5 150.00 mm,數據變化較明顯,地下水下降呈現突變性,為第一次變化較大的時間段(見圖2)。

圖2 2013年水位突變走勢圖

11月11日最大值SW08為-5 365.00 mm,11月22日最大值SW20為-8 683.00 mm,12月2日最大值SW22為-11 033.00 mm。這一時期20天內水位下降了近6 000 mm。為第二次變化較大的時間段。

第三階段:水位變化較穩定。2013年12月2日至2014年3月2日,水位最大值一直在-11 000 mm以上。2014年3月2日以后,數據逐漸回落,此后數據一直穩定在-10 000.00 mm上下。

施工方監測與第三方監測數據對比,變化特點是監測數據的差異的時間段基本錯開一星期左右,數據變化幅度值基本一致。

2014年3月份后,施工方數據有所回落,但第三方數據基本穩定無明顯變化。

1.3.2 地表沉降監測

施工方及第三方監測的地表沉降數據基本穩定,未因地下水位突變出現明顯沉降,但部分測點累計值超過報警值,最大值在45 mm左右。

除由于開挖方式導致基坑暴露引起混凝土支撐軸力超標外,其余測項數據基本未出現變化異常,累計值較小。

1.3.3 地下水位突變時的相應工況信息

(1) 第一次水位變化明顯時段(9月初至9月中旬)。SW08、SW09在9月初至9月中旬段變化較明顯,該段落位于北區35—39軸,為最后一層土方開挖段,長時間暴露未封閉底板(見圖3)。

圖3 35—39軸2013年9月6日工況

(2) 第二次水位變化明顯時段(11月份)。SW22變化明顯,一個月時間內下降6 000 mm。SW22位于北端頭井,北端頭井為地下三層,開挖深度約24 m,該時間段基坑底板已施工。坑底處于富水地層,泄水孔一直出水(見圖4)。

圖4 北端頭井2013年11月1日工況

2 地下水監測數據超標對工程的影響

2.1 巖性特征分析

根據勘探資料揭露,在56.0 m深度范圍內,主要分布有第四紀松散沉積物以及殘積層、全風化、強風化、中等風化巖層。第四系松散沉積物主要由黏性土及碎卵石層組成。

2.1.1 巖土透水性特征

針對工程性質及地層特性,勘察中對殘積土、全風化及強風化巖層進行非完整井穩定流抽水試驗(3

次降深試驗),抽水孔深度為36 m,8～36 m段設濾管。另外,還利用S1XZ11鉆孔對碎卵石、殘積土、全風化及強風化巖層進行了完整井穩定流抽水試驗(3次降深試驗),抽水孔深度為32 m,4～32 m段設濾管,以獲得含水層綜合水文地質參數(如滲透性系數、影響半徑、單井涌水量等)。

根據場地水文地質條件及抽水井的結構形式,水文地質參數系根據抽水試驗結果按以下公式計算獲得

(承壓-潛水完整井)

(承壓非完整井)

s——主井降深,m;

r——主井外徑半徑,m;

H——潛水含水層計算厚度,m;

M——承壓含水層厚度,m;

h——由抽水孔孔底標高算起的完整井動水位，m;

R——影響半徑,m;

Q——抽水井的流量,m3/d;

l——濾水長度,m;

k——滲透系數,m/d。

根據以上公式,抽水試驗計算結果詳見表1。

表1 抽水試驗結果

2.1.2 地下水滲流特征

施工場地地勢起伏較大。地下承壓水-潛水主要賦存于淺部碎卵石層及其下的殘積土、全風化、強風化巖層中,本區域土層滲透系數見表2。根據表2可見，本地區的地下水具有含量豐富、承壓力大、巖性透水性強、土層組成顆粒較粗等特點,這些都對地下水監測產生影響。

2.2 水位突變的成因機理

2.2.1 基坑受到地下水的影響

基坑的開挖必然受到地下水的影響,基坑降水一方面使坑周土體骨架的有效應力增加,另一方面,由于水頭差的存在使得土體中產生滲流動水壓力。

表2 土層滲透系數

象峰站地區各含水層透水性較強,并且具有較高的承壓水位。因承壓含水層埋藏較深,維護結構的深度為30.95～20.40 m,不足以把基坑內外的承壓含水層完全分隔開。基坑內外地下承壓水連續相通,降水影響范圍較大。基坑從開挖初期始,其降水不間斷地進行,平均日降水量650 m3,累計排水量相當可觀。

由于地勢高差的原因,在基坑低端降水后,初期形成坑內外水頭差。隨著基坑開挖深度不斷加深,坑內外水位也不斷地下降,這種水位下降在基坑縱向由高向低形成水勢,地面高差越大水勢也越大。當壓力達到一定程度時,水流突破阻礙其流動的障礙就會產生突變現象。由此而形成了本工程降水實施后所出現的第二階段地下水位突變。

2.2.2 施工降水形成的地下水漏斗

本區域坑外水位出現異常的原因,應該是土層存在滲透問題,地下水位在坑內、坑外相通使得降水十分困難,于是加大降水力度,在坑外一定范圍內形成滲降漏斗曲線,地下水向坑周邊流動。當含水層厚度較小時可以假定基坑降水為穩定的承壓水完整井流,如圖5所示。圖中:R為水頭降深影響半徑;M為含水層厚度;hw為抽水井處水頭高度;rw為抽水井半徑;r為觀測井至抽水井的距離;h為觀測井水頭高度;h0為初始承壓水位距地表面的深度。

圖5 穩定承壓水完整井降深曲線

這種漏斗形水勢既有橫向的,也有縱向的。而縱向有坡度時更會加強水勢的形成,也成為誘發水位突變的因素。

2.2.3 地下水儲存與滲流條件的影響

基坑開挖降水造成基坑內外存在水頭差,從而引起基坑周邊土體中地下水的流動。由滲流理論可知,土體中水的流動會給巖土顆粒施加一個動水壓力(滲透力),從而造成土體中有效應力的變化。當滲流方向向下時,土體的有效應力增加,這會引起土體在滲流作用下的附加沉降。

在原始狀態下,地層是土與水共存的,處于一種平衡狀態。當基坑進行施工時,在挖掘與排土的過程中,就打破了地層的平衡。而這種平衡的打破,首先應該是水的流動,它始終朝著壓力減少的方向流動。

但是,當地下水儲存形式只是在土層的裂隙間,當土層的顆粒組成及支撐骨架穩定時,地下水位下降僅僅只是水的損失,土層能夠全部或部分保留原狀,則地面不出現較明顯沉降。因此，本地區雖然水位監測數據超標，甚至嚴重超標,累計值早已被突破,但是地面是穩定的,基坑也是安全的。從另一個方面來說,這就是監測項目在特定情況下發生了失效。

2.3 監測項目出現失效分析

監測項目出現失效,主要體現在其監測數據(變化值、累計值)均已超標,但基坑是處在安全狀態下的情況。

累計值的超標問題,經常會困擾著監測、監控人員。累計值的概念是指整個工程某一測項總體可允許變化限定值,在監控中也以此限定值作為預警指標。然而在工程實踐中,由于種種原因,會在工程初期就將累計值用完。雖然以后變化值很小,并沒有威脅到基坑安全,但監控中的報警卻始終存在,而這種報警并沒有反映現場施工安全問題,出現了監測項目沒有起到真正的安全警示作用。這種情況稱之為監測失效。

處理監測項目出現失效問題的處理方法主要有:

(1) 分析與研究勘察設計文件,了解工程地質、水文地質情況;分析現場施工安全狀態,尤其是出現預警時的安全狀態。

(2) 如果在施工初期由于某種原因把監測累計值用完,就需要分析和研究工程實際情況和現場安全態勢；在此研究的結果上,經業主與設計確認后重新設置累計值。

(3) 監測單位在出現了監測累計值超標并不可逆轉的情況下,需要研究和調整監測方案；在不能重設累計值預警值時,應在發布預警信息時加以說明,并以變化速率值為基礎嚴密監控基坑安全。

3 結論與建議

(1) 福州地區地下水在時空分布、演變規律、變化幅度等方面和巖土特性存在密切的相關性，地下水位降落漏斗格局和形態與地下水位降深具有相關性,這些都充分證明了福州地鐵施工降水在特定的地質條件下,既有引發地面沉降的可能性,也存在特殊地質條件下監測項目失效問題。

(2) 本施工區域地下水位監測數據的異常。這是由于圍護結構未能完全阻斷地下水,從而形成了坑內降水引發坑外水位的大幅下降。同時，由于地勢高差形成的地下水位水勢差，也是引發監測數據異常的原因。

(3) 地下水位大幅下降將會危及周邊建筑物,需引起高度重視。但是，因為土層的特殊性使其他監測數據未出現異常,且累計值已經用完而發生監測項目失效的情況,應針對此類情況進行研究和調整監測方案,完善監測項目,科學使用監測數據。

[1] 劉建航,候學淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.

Excessive Value of Accumulated Water Level Monitoring Data and its Influence during Metro Foundation Pit Construction

CHEN Kaiduan

The monitoring data of the water level in the construction of Xiangfeng Station in Fuzhou metro continued to exceed the standard, and the limit of the accumulated value has been exceeded, but no serious subsidence on the ground is observed. Through an analysis of the geotechnical engineering characteristics in Fuzhou City, it is pointed out that the accumulated value of water level monitoring data has lost effectiveness, some correspondingmeasures against this failure are proposed.

metro; foundation pit; water level monitoring; accumulated value; seepage; confined water

TU753

10.16037/j.1007-869x.2016.08.017

2014-11-20)