滁州至南京城際鐵路某深基坑變形監測及數據分析

費先明

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司, 北京 100101)

0 引言

為了及時發現基坑施工過程中的不穩定跡象,確保基坑施工安全,施工過程的變形監測越來越必要,而通過對深基坑監測工作的研究可以為基坑工程的支護設計與施工提供數據支撐并對相關方案進行優化[1-2]。眾多學者對地鐵深基坑的監測數據展開分析,得出相關研究成果[3-9]。滁州至南京城際鐵路是長三角一體化戰略中推動滁寧一體化發展的重大項目,本文通過對滁州市首條城際鐵路技-龍區間明挖段深基坑監測方案的優化,及時準確地對基坑危險狀態進行了預警,確保了施工安全,通過對相關監測數據的分析,得出了一些有益的結論,為滁州地區及類似地質情況的其他工程支護設計、施工、監測提供了借鑒。

1 工程概況

滁州至南京城際鐵路(滁州段)二期工程技龍區間明挖段DK7+197.000～DK7+320.000段深基坑深18.73～20.99 m(以下簡稱本段基坑),寬21.3～29 m,采用明挖順筑法施工。

1.1 工程地質概況

根據地層沉積年代、成因類型、巖性特征,本段基坑的巖土層可劃分為3個單元層和若干個亞層[10],自上而下分別為：①人工填土層(Q4ml),1-2層,素填土,灰褐色-褐黃色,松散-稍密,局部呈可塑-硬塑,以黏土為主,夾少量灰碎石及植物根系等。②第四系上更新統沖積層(Q3al),3-2層：黏土、黃褐色-灰綠色,可塑,局部硬塑,含鐵錳結核,干強度中-高等,中等膨脹性;3-3層：黏土,黃褐色-灰褐色,硬塑,含鐵錳結核,干強度高。③白堊系上統赤山組(K2c),泥質砂巖,棕紅色,1-1層：全風化,巖芯呈土柱狀,壓縮性低;1-2層：強風化,巖芯呈碎塊狀及短柱狀,泥質膠結;1-3層：中等風化,泥質膠結,中厚層構造,RQD值76%～90%,屬極軟巖,浸水易軟化,暴曬易開裂。飽和抗壓強度平均值為1.26 Mpa。

本段基坑地質剖面如圖1所示。

圖1 測區地質剖面圖

1.2 水文地質條件

測區內地下水主要為第四系孔隙潛水,埋深0.7～7.3 m,水量較小。水位受季節及氣候條件等影響,潛水位年動態變幅一般在1～3 m。

2 圍護結構及監測方案

2.1 圍護結構形式

基坑采用圍護樁+內支撐支護方案,圍護樁為Φ1 200@1 500 mm的鉆孔灌注樁,共設4道支撐,其中，第1道為800×800 mm砼支撐,水平間距6 m,第2～4道為直徑609,t=16 mm鋼支撐,水平間距3 m。

2.2 監測項目及測點布設

本基坑無止水帷幕及降水措施,為更準確地反映基坑安全狀態,對監測方案進行了優化調整。例如：全部深層水平位移均采用樁體測斜、加密地表監測點布設密度、將立柱沉降納入必測項目。根據設計文件要求并參照監測規范[11],監測項目及控制值如表1所示。基坑主體監測布點圖如圖2所示。

表1 監測項目及控制值

圖2 基坑監測布點圖

3 監測數據分析

2020年6月12日,本段基坑由小里程端向大里程端(由南向北)進行分層土方開挖,小里程端于8月7日開挖至底部隨后進行底板施工,9月24日,本段基坑所有土方開挖工作完成,歷時3個多月。

3.1 樁體深層水平位移

2020年9月1日凌晨,ZQT-3處土體開挖至設計深度19.2 m,隨后施工單位對附近下部侵限樁體進行局部鑿除,導致該樁體測斜速率9月1日至3日連續3 d超控制值,且對應位置其他監測數據均出現較大變化(表2),基坑存在較大安全風險。3日上午紅色預警后施工單位停止破樁作業,及時進行第3道鋼支撐架設并預加軸力,清除附近坑邊堆載及大型機械設備。4日各項監測數據較為穩定,其中第1道、第2道鋼支撐應力分別減少160 kN、89 kN。分析認為基坑開挖至坑底坑外主動土壓力達到最大,而樁體局部鑿除(尤其下部)削弱了樁體側向抗土壓力的能力,導致樁體向坑內變形,進一步引起地表沉降加速,內支撐應力增大,第3道剛支撐架設可有效加強樁體側向抗土壓能力,并緩解其他支撐應力。ZQT-3樁體深層水平位移9月初隨時間變化曲線,如圖3(a)所示。

表2 ZQT-3對應位置各監測數據9月1日至3日變化情況

本測區共布設11個樁體測斜,最大值超控制值的為ZQT-3的33.19 mm、ZQT-4的31.59 mm,這與上述區域作為整個工程先開段,圍護樁施工過程中垂直度控制較差導致下部樁體局部侵界鑿除有較大關系。通過11個樁體測斜數據發現,基坑西側樁體測斜最大值整體大于東側樁體12 mm左右,這和現場地勢西高東低有較大關系,類似基坑可考慮對監測點布設進行優化。測斜最大位移均位于基坑深度13～15 m處,由于本段基坑深度約20 m,針對本項目測斜最大位移大致位于基坑開挖深度0.7倍處,這可能與支護形式及地層條件有一定關系。ZQT-2、ZQT-4樁體深層水平位移隨時間變化曲線,如圖3(b)、3(c)所示。

(a)ZQT-3

(b)ZQT-2

(c)ZQT-4

3.2 立柱豎向位移

本段基坑共布設6個立柱豎向位移測點。基坑開挖過程中,由于坑底卸載,導致立柱沉降累計值基本呈現上層土方開挖緩慢增大,下層土方開挖快速增大,底板施工完成后迅速穩定的過程。尤其8月31日LZC-3位置開挖至坑底后,LZC-3累計值為13.1 mm,后3 d累計上浮6.6 mm后達19.7 mm,9月7日附近底板澆筑完成后趨于穩定。所有立柱沉降變化速率均在控制值范圍內,累計值超過20 mm點為LZC-3、LZC-4,這與對應位置樁體測斜ZQT-3、ZQT-4累計值超控制值可能有較大聯系,需更多數據予以驗證兩者關系。立柱豎向位移隨開挖時間變化曲線,如圖4所示。

圖4 立柱豎向位移隨時間變化曲線

3.3 地表監測點

本測區實際共布設81個地表監測點,8個點在監測過程中被破壞,累計沉降最大點為DBC3-6的-15.32 mm,測區地表點平均沉降值為-6.68 mm,72%以上的地表點累計沉降值在-5 mm以上。

3.4 地下水位

基坑開挖期間水位多次出現數據預警,一方面與開挖期間正值雨季,雨水流入水位觀測孔及地表水滲透有關;另一方面與基坑無止水帷幕、降水等措施有關。通過監測數據可以發現,基坑外地下水位大致經歷土方開挖階段迅速下降后趨于穩定的過程。水位平均降幅8.3 m,水位累計最大值為SW01的-12.699 m,該測點與其他測點離散較大,可能與該點位于基坑端頭井附近,基坑開挖較其他位置更深、更晚受季節性水位影響有關。地下水位隨時間變化曲線,如圖5所示。

圖5 地下水位隨時間變化曲線

3.5 混凝土支撐應力

測區共布設6個混凝土支撐應力測點。隨著基坑上部土體快速開挖,支撐應力急劇增加,反映上部坑外土體向坑內有主動土壓。隨著后續鋼支撐的架設,支撐應力變化趨于穩定。9月8日，ZCL-03-1應力值達6 428.57 kN,且對應樁體測斜ZQT-4、ZQT-8最大速率分別為2.62 mm/d、2.90 mm/d,隨后施工單位及時架設了第二道鋼支撐并預加軸力,上述測斜數據趨于穩定,但ZCL-03-1應力值仍緩慢變大,一周后趨于穩定。ZCL-03-1的應力最大值為7 729 kN,這與該測點對應位置樁體修補且位于基坑陽角處有較大關系。各測點應力隨時間變化曲線如圖6所示。

日常監測還發現,混凝土支撐截面4個角點所測應力差值較大。通過對6個支撐51期的監測數據統計,發現最小值不足最大值一半的情況占28.7%,少數情況下最小值甚至不足最大值的30%,因此，在4個角點設置應立計取平均值十分必要。

圖6 混凝土支撐應力隨時間變化曲線

4 結束語

綜上所述,通過對本基坑的各項監測數據分析,可得出以下結論：

(1)樁體局部侵限鑿除對基坑安全危害較大,圍護樁應根據自身施工水平適當外放(一般宜在12～15 cm);本項目測斜最大位移大致位于基坑開挖深度0.7倍處,可能與地層分布及支護方式有一定關系。

(2)基坑開挖由于坑底卸載會導致立柱上浮,LZC-3、LZC-4累計上浮超過20 mm,對應位置樁體測斜ZQT-3、ZQT-4累計值超控制值,兩者聯系需更多數據予以驗證。

(3)本基坑周邊地下水位下降明顯,大幅度的水位變化加劇了周邊地表沉降,72%以上的地表點沉降累計值在-5 mm以上,這與樁體測斜數據較大相互印證,設計及施工應充分考慮地下水對基坑安全的影響。

(4)混凝土支撐截面4個角點所測應力差值較大,因此在截面4個角點設置應力計取平均值十分必要。