地鐵工程深基坑施工監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

李瑞杰

(中鐵二十局集團(tuán) 第四工程有限公司，山東 青島 266061)

1 工程概況

地鐵二號線大學(xué)站位于中山路與中華街交叉口，地處中山路上，基坑為地下兩層，寬度不一，其中車站西段(A區(qū))寬36 m，長54 m;東段(C區(qū))寬30.85 m，長43 m;中段(B區(qū))寬 21.1 m，長 85 m;車站全長182.90 m。工程所在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡單，未見斷層;但地層復(fù)雜，厚度變化比較大，地面呈東低西高之勢。地下水主要為地表潛水和基巖裂隙水兩大類;而地表潛水主要賦存于第四系人工填土和沖、殘積層中的粉細(xì)砂、粉土、粉質(zhì)黏土的孔隙中，站區(qū)巖石富水性差，基巖裂隙水貧乏，地下水位為1.6～2.5 m，主要補(bǔ)給為大氣降水和生產(chǎn)用水。本車站采用明挖順筑法施工，基坑支護(hù)主要采用人工挖孔樁加預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)形式，另外在基坑四角及變截面處安設(shè)四道φ600 mm、壁厚12 mm的鋼管內(nèi)支撐。

2 基坑變形機(jī)理

2.1 基坑周圍地層移動

1)坑底土體隆起

坑底隆起是垂直方向卸荷而改變坑底土體原始應(yīng)力狀態(tài)的反應(yīng)。在開挖深度不大時(shí)，坑底土體在卸荷后發(fā)生垂直的彈性隆起;隨著開挖深度的增加，基坑內(nèi)外的土面高差不斷增大，當(dāng)開挖到一定深度時(shí)，基坑內(nèi)外土面高差所形成的加載和地面各種超載的作用，就會使維護(hù)墻外側(cè)土體產(chǎn)生向基坑內(nèi)移動，使基坑坑底產(chǎn)生向上的塑性隆起，同時(shí)在基坑周圍產(chǎn)生較大的塑性區(qū)，并引起地面沉降。

2)圍護(hù)墻位移

圍護(hù)墻墻體變形是由水平方向改變基坑外圍土體的原始應(yīng)力狀態(tài)而引起的地層移動。事實(shí)上基坑開挖從一開始，圍護(hù)墻便開始受力變形了。由于總是開挖在前支撐在后，所以圍護(hù)墻在開挖過程中安裝每道支撐前已經(jīng)發(fā)生了一定的先期變形。實(shí)踐證明，挖到設(shè)計(jì)坑底高程時(shí)，墻體最大位移發(fā)生在坑底面下1～2 m處。圍護(hù)墻位移使墻體主動壓力區(qū)和被動壓力區(qū)的土體發(fā)生位移，從而產(chǎn)生塑性區(qū)及坑底局部塑性區(qū)［1-3］。墻體變形不僅使墻外側(cè)發(fā)生地層損失而引起地面沉降，而且使墻外側(cè)的塑性區(qū)擴(kuò)大，從而增加了墻外土體向坑內(nèi)的位移和相應(yīng)的坑內(nèi)隆起。

2.2 周圍地層移動的相關(guān)因素

1)支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特征

墻體的剛度、支撐水平與垂直向的間距、墻體厚度及插入深度、支撐預(yù)應(yīng)力的大小及施加的及時(shí)程度、安裝支撐的施工方法和質(zhì)量等這些支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特征參數(shù)都是影響地層位移的重要因素。

2)基坑開挖的分段、土坡坡度及開挖程序

長條形深基坑按限定長度L分段開挖時(shí)，可利用基坑的空間作用，以提高基坑隆起的安全系數(shù)，減少周圍地層的移動。

3)基坑內(nèi)土體性能的改善

在基坑內(nèi)外進(jìn)行地基加固以提高土的強(qiáng)度和剛性，對治理基坑周圍地層位移問題無疑是一個(gè)很好的方法。

4)開挖施工周期和基坑暴露時(shí)間的影響。

5)水、地面超載、振動荷載及圍護(hù)墻接縫不良的影響。

3 地鐵深基坑工程監(jiān)測

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測

1)支護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂位移監(jiān)測

針對地鐵二號線大學(xué)站深基坑支護(hù)方式，其挖孔樁頂?shù)奈灰朴媒?jīng)緯儀和全站儀進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測原理是應(yīng)用水平角全圓方向觀測法，測出各點(diǎn)的水平角度，然后計(jì)算出各點(diǎn)的水平位移[4]。由于本車站所在區(qū)域地層復(fù)雜，厚度變化較大，所以在現(xiàn)場建立永久性測站，不動基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)在便于觀測且不受施工影響的場地內(nèi)，基準(zhǔn)點(diǎn)做成深埋式;基坑開挖期間，每隔2 d監(jiān)測一次，當(dāng)位移速率達(dá)到8 mm/d時(shí)，每天監(jiān)測2次。

2)支護(hù)結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測

地鐵大學(xué)站支護(hù)結(jié)構(gòu)沿基坑深度方向的傾斜用測斜儀監(jiān)測。具體方法是在挖孔樁身中埋設(shè)測斜管，測斜管底部插入樁底以下，使用測斜儀由底到頂逐段測量管的斜率，從而得到整個(gè)挖孔樁身的水平位移曲線。基坑開挖期間，每隔3 d監(jiān)測一次，位移速率較大且呈增長趨勢時(shí)，監(jiān)測頻率加密到了1次/d。

3)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測

本地鐵車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測采用鋼弦式鋼筋計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是測試方便簡單、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定等。鋼筋計(jì)比較合理的安裝位置是根據(jù)支護(hù)設(shè)計(jì)彎矩包絡(luò)圖確定的，布置間距為2.5 m;鋼筋計(jì)焊接采用對接焊且符合鋼筋焊接規(guī)范，在焊接過程中采用流水冷卻的方法。特別注意，在焊接鋼筋計(jì)和吊裝鋼筋籠時(shí)，應(yīng)避免造成鋼筋計(jì)較大的初始應(yīng)力，以免給監(jiān)測帶來不利的影響。

4)支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測

地鐵車站在基坑四角及變截面處安設(shè)四道φ600 mm壁厚12 mm的鋼管內(nèi)支撐，在施加預(yù)應(yīng)力前，將鋼筋應(yīng)力計(jì)焊接在鋼管外壁。在基坑開挖期間，每隔3 d監(jiān)測一次，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形速率較大時(shí)，每隔2 d監(jiān)測一次。

5)預(yù)應(yīng)力錨桿錨固力監(jiān)測

人工挖孔樁加預(yù)應(yīng)力錨桿為某市地鐵基坑的主要支護(hù)方式，這類錨桿采用的是多束鋼絞線。為了保證錨桿張拉達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力值，必須進(jìn)行超張拉，通過在錨頭位置安放錨固力傳感器，用鋼弦式測力計(jì)測定錨桿鎖定時(shí)的錨固力及開挖過程中的錨固力變化，從而確定錨桿是否處于正常的工作狀態(tài)及是否達(dá)到了極限破壞狀態(tài)[3]。

6)土及土體孔隙水壓力測試

挖孔樁樁側(cè)土壓力采用沿?fù)跬翗秱?cè)壁土體中埋設(shè)的土壓力傳感器進(jìn)行測試;而土體孔隙水壓力則采用振弦式孔隙水壓力計(jì)測試，用數(shù)字式鋼弦頻率接收儀測讀數(shù)據(jù)。

3.2 周邊環(huán)境的監(jiān)測

1)鄰近建筑物的沉降觀測

在地鐵深基坑開挖過程中，為了掌握鄰近建筑物的沉降情況，應(yīng)進(jìn)行沉降觀測[5]。在大學(xué)站鄰近的高層建筑的首層柱上設(shè)置測點(diǎn)，在開挖影響范圍外的幾個(gè)小型建筑樓房基柱上埋設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)個(gè)數(shù)為3個(gè)，測點(diǎn)布置間距為16 m，采用水準(zhǔn)儀測高程以計(jì)算沉降參數(shù)。

2)鄰近道路和地下管線的沉降觀測

用精密水準(zhǔn)儀觀測，測點(diǎn)布置在道路截面變化及管道接頭處。

3)基坑邊坡土體的位移和沉降觀測

邊坡土體位移的監(jiān)測采用了測斜儀。具體做法是，首先在土體中埋設(shè)測斜管，然后在基坑開挖前先測2次作為起始讀數(shù)，當(dāng)然開挖過程的監(jiān)測頻率應(yīng)該與擋土樁施作保持一致;同時(shí)，對土體深層部分埋設(shè)分層沉降標(biāo)。通過對土體位移和沉降的監(jiān)測，可以及時(shí)掌握基坑邊坡的穩(wěn)定情況［2，5］。

4)地下水位的監(jiān)測

用電極傳感器進(jìn)行地下水位的監(jiān)測[5]。水位觀測孔鉆孔深度必須達(dá)到隔水層，鉆孔中安裝帶濾網(wǎng)的硬塑料管。在此地鐵車站基坑開挖中，每隔3 d進(jìn)行一次觀測。實(shí)踐證明，地下水位的變化對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有很大的影響。

5)裂縫的觀測

每天均進(jìn)行裂縫的觀測，重點(diǎn)放在支護(hù)樁、坑壁側(cè)面、鄰近地面、道路及建筑物等上。觀察中應(yīng)做到，一旦發(fā)生裂縫，應(yīng)在裂縫兩側(cè)作出標(biāo)記并定期測量裂縫寬度。

3.3 監(jiān)測方案實(shí)施

根據(jù)本地鐵車站基坑的實(shí)際情況，特別對擋土樁水平位移、支撐軸力、錨桿質(zhì)量和錨固力及樁頂水平位移等項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測。地鐵二號線大學(xué)站深基坑開挖監(jiān)測進(jìn)度如表1。

3.4 結(jié)果分析

1)對挖孔樁及預(yù)應(yīng)力錨桿組成的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移進(jìn)行了分析，包括位移速率和累計(jì)位移量的計(jì)算，繪制了位移隨時(shí)間的變化曲線及位移隨深度的變化曲線，對引起位移速率增大的原因進(jìn)行了分析。

2)對沉降及其速率的分析，歸結(jié)到土體沉降則主要是由支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和地下水位降低導(dǎo)致土體固結(jié)引起的。同時(shí)，對鄰近建筑物和地下管線的沉降觀測結(jié)果與規(guī)范中的沉降值進(jìn)行比較，得知該支護(hù)結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

3)對支撐軸力和錨固力進(jìn)行分析，繪制了支撐力、錨固力隨時(shí)間變化的曲線，對變化較大的地方與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，得出該支護(hù)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。

表1 大學(xué)站深基坑開挖監(jiān)測進(jìn)度

3.5 報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)對大學(xué)站基坑采集數(shù)據(jù)的分析，得出該基坑有下列情況之一應(yīng)進(jìn)行報(bào)警:

1)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移速率連續(xù)幾天急劇增大，當(dāng)位移達(dá)到5.0～10.0 mm/d且不趨于收斂時(shí);

2)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移累計(jì)值超過設(shè)計(jì)容許值時(shí);

3)樁的主鋼筋應(yīng)力、支撐軸力、錨桿錨固力等實(shí)測值超過設(shè)計(jì)容許值時(shí);

4)鄰近地面及建筑物的沉降、管道設(shè)施的變形等超過設(shè)計(jì)容許值時(shí)[5];

5)肉眼巡視發(fā)現(xiàn)存在危險(xiǎn)現(xiàn)象如裂縫，且其寬度或數(shù)量不斷擴(kuò)大時(shí)等。

4 結(jié)語

深基坑開挖過程信息化監(jiān)測已經(jīng)成為地鐵基坑工程施工的重要組成部分，通過科學(xué)合理的系統(tǒng)檢測工作，可以有效掌握基坑在開挖過程中所引起各種影響的嚴(yán)重程度及變化規(guī)律，推測其發(fā)展趨勢;同時(shí)，根據(jù)動態(tài)監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)，為信息化施工提供科學(xué)的決策依據(jù)，在必要時(shí)可立即采取相應(yīng)措施，確保基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境的安全。

[1] 劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[2] 高大釗.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1998.

[3] 崔玖江.隧道與地下工程修建技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

[4] 中華人民共和國鐵道部.GB50299—1999 地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，1999.

[5] 胡春林.高層建筑深基坑開挖施工期的監(jiān)測和險(xiǎn)情預(yù)報(bào)［J］. 巖土力學(xué)，1996，17(2):63-69.

[6] 朱兵見，張維炎，潘國華，等.軟土地區(qū)基坑支護(hù)施工與監(jiān)測實(shí)例分析［J］.鐵道建筑，2008(9):71-74.

[7] 唐世強(qiáng).地鐵深基坑支護(hù)體系內(nèi)力及變形規(guī)律分析［J］.鐵道建筑，2008(11):35-39.