測斜管偏轉對監測成果的影響規律與修正方法

厲 風 智慧淵 許藝騰

(1. 蘇交科集團股份有限公司, 江蘇 南京 210019;2. 中交天津港灣工程研究院有限公司, 天津 300222)

0 引言

支護樁(墻)體水平位移常被稱為“深層水平位移”。該項目能夠觀測出樁(墻)體不同深度的位移量,分析和判斷支護樁(墻)的穩定和變形發展趨勢,是目前基坑施工安全控制中最重要的監測項目。成果實現的原理是利用測斜儀在測斜管導槽內定位及上下滑動,根據每個測點的傾角變化計算出導槽方向的位移量[1-3]。重要的是導槽方向必須垂直于基坑邊線(正對基坑內),才能體現出危險位移方向上的變化,有特定方向的要求,而不是指包含樁(墻)間平行方向在內的其他任意方向上的位移值。

測斜管的埋設質量是獲得可靠數據和精度保證的前提,共有四項驗收要求：通暢性良好、深度要求達標、平面位置準確和導槽方向準確。作為測斜儀的通道,測斜管內有兩對相互垂直的十字導槽。在鋼筋籠綁扎吊裝時,應保證其中一對導槽垂直于基坑邊線。隨著混凝土澆筑完成,測斜管形態在樁(墻)體內被最終固定,不可改變。后期僅需測量這一對導槽就可以得出基坑的位移量數據。

長期以來,導槽方向在測點驗收時常被忽視或弱化,存在角度偏差的現象普遍存在[4-8],其測值只能反映導槽方向的位移量,并不是基坑危險方向的位移量。規范[9]在條文說明中指出,導槽方向如與所需測量的位移方向存在夾角,所測得的變形量會比實際變形偏小。

忽視夾角問題會產生嚴重影響。在科研工作中,由于采信了偏小的數據,會使相關研究失準,甚至帶來錯誤結論。在基坑安全分析時,所測數據偏小不但會使預警發布滯后,還會使監測體系不能協同反映變化情況,影響風險應對決策的制定。例如，同一監測斷面地表點有沉降趨勢、支撐軸力也在增大,但最重要的深層水平位移卻變化很小,容易干擾或弱化風險研判。經查閱,夾角問題的相關文獻資料很少,值得廣泛關注并開展試驗研究。

1 試驗布置

某地鐵車站深基坑采用明挖法施工,圍護結構采用800 mm厚地下連續墻,豎向設置四道支撐,第一道為800 mm×800 mm的砼支撐,其余三道為φ609鋼支撐。基坑長212 m,標準段寬19.8 m,開挖深度約20 m。開挖范圍內地層由上至下分別為雜填土層、粉質黏土、粉砂、細砂、中密的中砂和泥巖組成,如圖1所示。參照規范[10]對工程場地內上部土層劃分為中軟土層,下部土層劃分為中硬土層。地下水位較淺,常年穩定在自然地面下2.3～8.9 m。基坑深層水平位移的監測實施嚴格按設計和規范要求進行,基坑自身風險等級、周邊環境風險等級和工程監測等級均為一級,測斜累計控制值為30 mm,速率控制值為2 mm,預警標準為控制值的70%。

圖1 基坑測斜管布置平面和剖面示意圖

測斜管安裝埋設階段,每處測點除了正常埋設監測方案要求的實測管外,還在附近約1 m位置安裝一根測試管。測試管選取一對導槽與基坑方向保持夾角,范圍在0°～90°(當夾角等于90°時,另一對導槽會正對基坑方向),用于測試夾角數據。

考慮到一定的誤差范圍,夾角居中設置為8°、23°、38°、53°、68°、83°,代表了以15°為間隔的6個試驗段,平均分布在基坑的14個測點位置,開展了現場試驗。

基坑開挖前對所有測點檢查驗收,除ZQT14測試管深度不足外(意外堵管),其余測點均符合要求。經測量,測試管成型后的夾角誤差也符合預期,試驗布置總體效果良好。

2 監測數據采集

實測管正對基坑的導槽監測成果代表墻體位移的實際值。測試管由于存在夾角,需要分別測量兩對導槽方向,得出兩個方向上的位移值。

實測管和測試管成型后的深度不同,但均已埋入穩定土層內,為保證數據對比性,統一采用深度較小的測斜管底作為起算點。在基坑中板結構完成后(數據基本穩定),對所有測點數據進行統計分析。由于篇幅限制,僅選取各試驗段內累計變形最大的測點數據,以便能夠突出差異、直觀對比,如表1所示。

表1 選取的試驗點信息統計表

3 數據分析與修正

樁(墻)體向基坑方向位移的數據通常設定為正值,反之為負。面對基坑,假定左側靠近基坑方向的一對導槽為LX位移方向,右側為LY位移方向,則夾角α的定值范圍在0°～90°(如圖2所示)。基坑開挖后,測斜管在不同深度點發生位移變形,其變形后位置可以通過兩對導槽方向的測量數據計算得出。再將其投影到基坑方向上,即可得出要求的監測成果值(修正位移量S)。根據圖示,修正位移量應為LX測值投影長度與LY測值投影長度之和,計算公式如下：

圖2 方向夾角的數據修正示意圖

(1)

式中,LX為左側一對導槽的位移量;LY為右側一對導槽的位移量;α為左側導槽與基坑方向夾角。

考慮基坑開挖過程復雜,測斜管的變形位置有可能出現在任何方位。經理論演算,測斜管在夾角坐標系四個象限的位移均能通過修正公式有效計算。

將實測管的實際值、測試管的兩對導槽測值和通過公式計算的修正值同圖繪制,如圖3所示。

(a)ZQT1數據變化曲線

觀察圖形曲線,各測斜管的底部變形較小,表明起算點穩定[11-14]。各測點變形曲線總體過渡平穩,表明測點位移數據采集質量較高。

(1)將所有測點的LX測值和LY測值代入公式計算后,得出的修正值與實際值非常接近,差值很小,主要原因是實測管與測試管在基坑平面位置上的差異。若以實際值為基準,修正值的最大誤差均控制在±2 mm內,最大值比值均保持在0.9以上(如圖4所示),表明夾角修正公式是可靠的,修正值可以視為測試管的實際值。

圖4 修正值與實際值的差異關系

(2)測點ZQT8受基坑開挖影響,接近基坑方向的LX測值與修正值曲線高度相似,最大值比為99.2%,具有很強的代表性。由于缺乏作用力并且受到地下連續墻橫向阻力限制,測點在基坑邊長方向很少發生位移,因此LY測值變化不明顯。同理,測點ZQT11由于LY接近基坑方向,其測值與修正值曲線高度相似,最大比值為98.6%,具有很強的代表性。LX測值則變化不明顯。

(3)測點ZQT4靠近基坑方向的LX測值與修正值曲線相似,最大值比為92.0%,具有一定代表性。由于LY方向與基坑邊長方向夾角增大,地下連續墻橫向限制減弱,其測值出現了小幅度變化。同理,測點ZQT7靠近基坑方向的LY測值與修正值曲線相似,最大值比為94.1%,具有一定代表性。LX測值呈現小幅度變化。

(4)測點ZQT5的兩個導槽方向均有較大的角度偏差。受基坑開挖影響,測點在LX方向和LY方向均發生明顯位移,且都與修正值曲線差別較大,最大值比值分別為77.6%和62.3%,代表性很差。同理,測點ZQT1的LX和LY測值與修正值的最大比值分別為55.9%和78.8%,代表性同樣很差。

4 影響規律分析

公式和試驗結果表明,夾角α越小,LX測值越接近實際值;夾角α越大,LY測值越接近實際值;導槽方向與基坑邊長方向的夾角越小,其位移量越小,對修正值的影響程度也越小。其影響程度與角度的函數關系密切,如圖5所示。

圖5 不同夾角下各導槽對監測成果的影響程度

根據不同夾角的影響程度,綜合考慮工程風險與實施成本之間的關系,可以將6個夾角試驗段劃分為強代表性、弱代表性和無代表性三類,用于指導后續監測工作。

(1)當α<15°時,LX位移量屬于強代表性,此時僅對LX方向進行監測,不修正數據。

(2)當30°>α>15°時,LX位移量屬于弱代表性,是否需要監測LY方向并進行數據修正,可以視情況決定。監測等級高或規模大的基坑應進行修正。

(3)當60°>α>30°時,LX和LY方向均無代表性。應監測兩對導槽方向的位移,并進行數據修正。

(4)當75°>α>60°時,LY位移量屬于弱代表性,同上,是否監測LX位移量并修正,可視情況確定。

(5)當時α>75°時,LY位移量屬于強代表性,此時僅對LY方向進行監測,不修正數據。

5 結論

(1)相關試驗曾在鉆孔灌注樁圍護形式的基坑開展,未能達到預期效果。原因是圓形鋼筋籠吊裝時易發生角度偏轉,試驗布置難度大。由于灌注樁間存在間隙,基坑邊長方向的限制可能會減弱,應加強后續研究。

(2)測斜管布點實施過程中,導槽方向很難精準控制,應允許存在一定誤差。根據夾角的三類劃分,在制定測點驗收標準時,可以允許測斜管的角度偏差左、右不大于15°。

(3)測斜管存在夾角時,在其他驗收指標良好的情況下,可以通過測量兩對導槽,運用三角函數的邊角關系,對測斜管各深度點的水平位移量進行數據修正,使其回歸到基坑的危險位移方向,試驗驗證了夾角修正公式的可靠性。

(4)管底保持穩定是數據可靠和試驗分析的基礎。經觀察所有測斜管的變形曲線,均在20 m以下開始數據收斂,并在25 m以下相鄰點平均位移在誤差范圍內,屬于穩定狀態。因此,類似地層中(中硬土層),以管底作為起算點的最低深度標準應為1.25 H(基坑開挖深度),可暫時作為可靠性與經濟性權衡后的參考要求(非土體測斜),布點實施中應盡量實現更大深度,不可以此為準。

(5)測斜管導槽方向控制應以預防為主。若夾角過大,需要監測兩個方向的位移量進行數據修正,不但日常監測工作量提高一倍,而且在基坑發生事故搶險時,會降低應急監測數據的反饋時效,拖延搶險決策的研究部署。經過對失敗教訓和成功經驗的總結,為防止導槽偏轉,應重點做好三點。首先是找準基坑方向。監測人員應加強與現場施工人員的溝通,標記鋼筋籠朝向基坑的位置,選定一根主筋作為綁扎對象。其次是防止自身偏轉。鋼筋籠內綁扎時應提前控制好導槽方向,綁扎距離不大于1.5 m,管口與管底應重點綁扎牢固。最后,鉆孔灌注樁要重點防止籠體偏轉。可以提前對鋼筋籠做標記試驗,觀察偏轉規律和操控程度。若鋼筋籠下放過程中發生偏轉,在糾偏操控困難時,也可以順勢將籠體旋轉90°,使另外一對導槽對準基坑方向。