某深基坑施工期監(jiān)控預(yù)警分析及防控措施研究

秦 朋，李福慶，譚 勇，牛廣利，田亞嶺

（1、長(zhǎng)江科學(xué)院工程安全與災(zāi)害防治研究所 武漢 430010；2、水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心 武漢 430010；3、國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心 武漢 430010；4、廣東華隧建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 廣州 510800）

0 引言

隨著城市地下空間的開發(fā)利用，深基坑工程越來越多，其開挖深度和面積也越來越大，基坑所處的地質(zhì)及周邊環(huán)境也更加復(fù)雜［1］，通過安全監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)控基坑及周邊環(huán)境在施工過程中的安全狀態(tài)顯得尤為重要。安全監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅為工程安全保駕護(hù)航，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映的各項(xiàng)物理變化機(jī)理還可以為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考，指導(dǎo)施工［2］。

1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程（以下簡(jiǎn)稱“珠三角工程”）是國(guó)務(wù)院部署的172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，工程輸水線路總長(zhǎng)113.1 km，采用深埋隧洞方式在地下平均40～60 m 空間建設(shè)輸水隧洞［3］。全線共布置37 個(gè)工作井基坑，深度在14.5～74.0 m 之間，其中深度在50.0 m 以上的有22 個(gè)，分布于佛山、廣州、深圳、東莞等大型城市，一旦發(fā)生工程安全事故，后果嚴(yán)重［4］?；咏Y(jié)構(gòu)以圓形為主，采用地下連續(xù)墻+混凝土內(nèi)襯墻的支護(hù)方式，不加設(shè)支撐，利用圓形內(nèi)襯墻自身的拱效應(yīng)來提供支撐［5］。

2 基坑監(jiān)測(cè)布置

為監(jiān)控基坑在施工過程中的安全狀態(tài)，珠三角工程工作井基坑地下連續(xù)墻布置了應(yīng)力和變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，基坑周邊布置了地下水位和地表沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。以10#工作井基坑為例，基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置如圖1所示?；釉O(shè)計(jì)4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，對(duì)稱分布，每個(gè)斷面均布置了連續(xù)墻深層水平位移、頂部水平垂直位移監(jiān)測(cè)；其中2 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布置了周邊地下水位、地表沉降監(jiān)測(cè)，水位孔距連續(xù)墻2 m，地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距11 m，最遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)距基坑邊緣57 m；在盾構(gòu)始發(fā)側(cè)2 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布置了連續(xù)墻鋼筋應(yīng)力、外側(cè)土壓力監(jiān)測(cè)。

圖1 基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置Fig.1 Layout of Foundation Pit Monitoring Points（mm）

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

珠三角工程工作井基坑安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控指標(biāo)主要參考《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50497—2019》［6］，各基坑開挖過程中，普遍出現(xiàn)地下水位和地表沉降大幅度超出監(jiān)控指標(biāo)情況。截至2021年5月，全線32個(gè)已完工的工作井基坑中，30個(gè)基坑地下水位監(jiān)測(cè)超報(bào)警值（1.0 m），其中27個(gè)超控制值（1.5 m），最大累計(jì)水位下降達(dá)到47.8 m，20 個(gè)基坑周邊地表沉降監(jiān)測(cè)超報(bào)警值（24 mm），也超控制值（30 mm），最大累計(jì)地表沉降達(dá)到321.9 mm。其中最大累計(jì)地表沉降發(fā)生在10#工作井基坑，地下水位也發(fā)生較大降幅，且施工過程中發(fā)生較大滲水、涌沙等現(xiàn)象，在其他工作井基坑也普遍出現(xiàn)，具有較好的代表性，因此本文以10#工作井基坑作為對(duì)象進(jìn)行分析研究。

3.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

10#工作井基坑為外徑35.9 m圓形豎井，基坑底部高程-54.50 m，地面平整高程3.0 m，開挖深度57.80 m，地下連續(xù)墻厚1.2 m，嵌入基巖?；硬捎梅謱娱_挖，每層4.5 m?；由喜繛槿斯ぬ钔梁蜎_積層，厚度8.6～23.4 m，底部主要位于全風(fēng)化帶，局部為強(qiáng)風(fēng)化帶。

2020 年4 月，10#工作井基坑開挖，2020 年11 月底板澆筑并完成底板澆筑。截至2020 年11 月各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)結(jié)果及監(jiān)控指標(biāo)如表1所示，其中連續(xù)墻頂部、深部水平位移、鋼筋應(yīng)力、基坑外側(cè)土壓力等4個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在整個(gè)開挖期間變化穩(wěn)定，累計(jì)變化量保持在報(bào)警值或儀器量程的50%范圍以內(nèi)；周邊地下水位、地表沉降大幅度超出控制值，連續(xù)墻頂部沉降略超出控制值，上述3個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目是本文分析研究的重點(diǎn)。

表1 10#工作井基坑安全監(jiān)測(cè)結(jié)果及監(jiān)控指標(biāo)Tab.1 Safety Monitoring Results and Monitoring Indexes of 10# Foundation Pit

3.2 周邊地下水位

10#工作井基坑周邊地下水位變化過程線如圖2所示。在開挖前期隨著開挖深度增加，地下水位緩慢下降，在開挖第10 層時(shí)，水位發(fā)生一次突降，第11 層和12層開挖期間，地下水位大幅度下降，底板澆筑后，水位逐漸穩(wěn)定。

圖2 基坑施工期周邊地下水位變化Fig.2 Changes of Groundwater Level around the Foundation Pit during Construction

基坑開挖過程中，周邊地下水下降通常是因?yàn)榈叵滤疂B流進(jìn)入基坑內(nèi)部。珠三角工程地下水滲流路徑主要有：通過連續(xù)墻相鄰槽接縫間隙滲流、通過地連墻本身滲流、通過地連墻底部繞滲。10#工作井在開挖期間，曾出現(xiàn)過連續(xù)墻相鄰槽接縫間隙滲流，施工單位及時(shí)進(jìn)行了灌漿封堵，基本可以排除間隙滲流對(duì)地下水位的影響。

通過地連墻本身滲流可以采用達(dá)西定律計(jì)算滲流量。當(dāng)基坑開挖至某一高程時(shí)，定義基坑外側(cè)水位高程為H1，內(nèi)部水位高程為H2，連續(xù)墻底部高程為H3，高程H1～H2區(qū)間連續(xù)墻受到內(nèi)外水壓力為線性分布，高程H2～H3區(qū)間連續(xù)墻受到內(nèi)外水壓力為常壓，計(jì)算得到通過地連墻本身滲入基坑內(nèi)部的滲流量為：

其中，k為設(shè)計(jì)抗?jié)B系數(shù)；R為基坑外側(cè)半徑；l為連續(xù)墻厚度。

在開挖至第12層期間，基坑外側(cè)實(shí)測(cè)水位高程H1為-12 m，內(nèi)部水位高程為H2為-50.9 m，連續(xù)墻底部高程為H3約為-63 m，計(jì)算得到的滲流量Q=0.282 m3/d。通過基坑底部抽排水實(shí)測(cè)的滲流量Q約為600 m3/d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于計(jì)算滲流量，因此可以推斷基坑周邊地下水主要通過連續(xù)墻底部繞滲進(jìn)入基坑內(nèi)部。

統(tǒng)計(jì)基坑底部抽排水量發(fā)現(xiàn)，在開挖后期基坑滲流量逐漸增大，水質(zhì)逐漸渾濁。分析是因?yàn)闈B流水?dāng)y帶顆粒物，擴(kuò)大了滲流通道，因此地下水位在開挖后期發(fā)生的3次突降。

3.3 連續(xù)墻頂部沉降

10#工作井基坑連續(xù)墻頂部沉降變化過程線如圖3 所示。與地下水位變化不同的是，連續(xù)墻頂部沉降在開挖初期并未發(fā)現(xiàn)沉降趨勢(shì)，甚至出現(xiàn)一段時(shí)間上抬現(xiàn)象；相同的是，開挖第10 層～12 層期間，連續(xù)墻開始沉降并逐漸加劇，底板澆筑后，沉降逐漸穩(wěn)定。

圖3 基坑施工期連續(xù)墻頂部沉降變化Fig.3 Settlement Changes of the Diaphragm Top during Construction

10#工作井基坑連續(xù)墻嵌入基巖，且連續(xù)墻相鄰墻段連接緊密，通常情況下，連續(xù)墻整體上不易發(fā)生較大變形。在開挖初期，連續(xù)墻頂部主要受氣溫影響，發(fā)生混凝土局部熱脹，導(dǎo)致整體輕微上抬，這在混凝土工程中比較常見。開挖第10 層～12 層期間，連續(xù)墻發(fā)生較大沉降，可以判斷為連續(xù)墻整體下沉；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，分析與基坑滲流水出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象相關(guān)。在開挖第10 層期間，基坑底部滲流水出現(xiàn)渾濁，第11層～12層開挖期間，滲流水愈加渾濁。

10#工作井基坑底部主要位于風(fēng)化帶基巖，在挖槽和銑槽過程中，必然形成沉渣在槽底堆積。隨著基坑開挖，基坑內(nèi)外滲透壓力逐漸增大，逐漸穿透沉渣層，形成滲流通道，滲流水又?jǐn)y帶沉渣中的細(xì)顆粒，進(jìn)一步擴(kuò)大滲流通道，攜帶的顆粒物粒徑逐漸增大，因此滲流水進(jìn)一步渾濁，如此惡性循環(huán)，導(dǎo)致連續(xù)墻底部被掏刷，從而發(fā)生整體沉降。

3.4 周邊地表沉降

10#工作井基坑周邊地表沉降變化過程線如圖4所示。周邊地表沉降與地下水位變化規(guī)律基本一致，在開挖初期變化緩慢，開挖第10層～12層期間，沉降劇烈，底板澆筑后，沉降仍未收斂，但變化趨勢(shì)逐漸變緩。

圖4 基坑施工期周邊沉降變化Fig.4 Peripheral Settlement Changes during Construction

在開挖前，10#工作井基坑施工場(chǎng)地進(jìn)行了清理和回填，人工填土有一段時(shí)間的自然固結(jié)變形。因此在開挖初期地下水位較為穩(wěn)定情況下，地表沉降有一個(gè)緩慢的沉降期。開挖第10 層～12 層期間地表沉降受地下水位影響明顯，基坑周邊地下水位下降一方面使周邊土體骨架有效應(yīng)力增加，另一方面基坑內(nèi)外的水頭差會(huì)使得土體中產(chǎn)生滲流水壓，這兩種應(yīng)力都會(huì)導(dǎo)致土體固結(jié)壓密，從而導(dǎo)致地表快速沉降［7］。底板澆筑后，地下水位雖已穩(wěn)定，但基坑內(nèi)外滲流壓力依然存在，且前期增加的土體有效應(yīng)力處于自身調(diào)整階段，因此地表沉降仍會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。

4 防控措施

10#工作井基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果分析研究結(jié)果表明，基坑周邊地下水在連續(xù)墻底部的大量繞滲，直接導(dǎo)致周邊地表大幅沉降，間接導(dǎo)致了連續(xù)墻整體沉降。這種情況下，基坑安全預(yù)警的及時(shí)性和有效性顯得尤為重要。對(duì)于工程整體而言，主要存在2 點(diǎn)安全隱患：①地下水大幅度下降影響周邊環(huán)境安全；②連續(xù)墻一旦出現(xiàn)較大不均勻沉降，在相鄰墻段連接部位可能形成不利的剪切應(yīng)力。針對(duì)上述2 點(diǎn)安全隱患，珠三角工程采取了相應(yīng)的工程措施。

4.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警

珠三角工程在開工初期部署了安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”），并實(shí)現(xiàn)施工期自動(dòng)化測(cè)量，工程安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集可以一日多次實(shí)時(shí)傳輸。本工程工作井基坑自動(dòng)化及無線傳輸架構(gòu)如圖5所示。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警模塊通過用戶定義的報(bào)警源和報(bào)警策略，向工程師發(fā)送超警提醒，為工作井基坑預(yù)警的及時(shí)性提供了有力的保障。

圖5 施工期安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化Fig.5 Safety Monitoring Automation during Construction

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備統(tǒng)計(jì)模型分析功能，基于此，預(yù)警模塊提供了一種結(jié)合不同部位的多個(gè)測(cè)點(diǎn)、多種監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的基坑綜合監(jiān)控指標(biāo)，計(jì)算過程如下。

⑴基坑由變形、地下水位、應(yīng)力3個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，按照各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目重要性分配各自權(quán)重，某一監(jiān)測(cè)項(xiàng)目?jī)?nèi)各測(cè)點(diǎn)的權(quán)重根據(jù)部位的重要程度分配權(quán)重，如圖6 所示。若監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有多種監(jiān)測(cè)技術(shù)，則根據(jù)各監(jiān)測(cè)技術(shù)可靠性進(jìn)行權(quán)重分配，以此類推直至測(cè)點(diǎn)，同樣逐級(jí)分配各自權(quán)重［8］。

圖6 工作井基坑權(quán)重分配結(jié)構(gòu)Fig.6 The Distruction of Working Well Foundation Pit Weight

⑵依次對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以主要影響因子（若有2個(gè)或者2個(gè)以上則取多個(gè)）對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行多種關(guān)系統(tǒng)計(jì)回歸，取最優(yōu)回歸方程式；如圖7 所示，將方程式的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的差值作為樣本，以該樣本的95%置信區(qū)間的上下限為常數(shù)將回歸曲線平移，形成3個(gè)刻度評(píng)分的劃分區(qū)間，以回歸曲線為起點(diǎn)，評(píng)分為1，兩側(cè)的置信區(qū)間為終點(diǎn)，評(píng)分為0，根據(jù)當(dāng)次測(cè)值分布位置計(jì)算該測(cè)點(diǎn)的評(píng)分。

圖7 測(cè)點(diǎn)評(píng)分原理Fig.7 The Principle of Measuring Point Scoring

⑶根據(jù)各測(cè)點(diǎn)評(píng)分計(jì)算該監(jiān)測(cè)項(xiàng)目評(píng)分，依次類推得到基坑安全狀態(tài)總評(píng)分。當(dāng)出現(xiàn)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)觸發(fā)報(bào)警值，基坑啟動(dòng)了預(yù)警，且未采取消警措施情況時(shí)，超報(bào)警值的測(cè)點(diǎn)不參與評(píng)分計(jì)算，僅對(duì)未超報(bào)警值測(cè)點(diǎn)進(jìn)行總評(píng)分計(jì)算，計(jì)算結(jié)果作為工作井基坑處于預(yù)警狀態(tài)下安全狀態(tài)評(píng)價(jià)的參考指標(biāo)。

⑷以上3 個(gè)步驟已將工作井基坑的安全狀態(tài)評(píng)價(jià)由定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)換為定量評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上，考慮各種不利荷載組合情況下的理論監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到的總評(píng)分作為綜合評(píng)價(jià)監(jiān)控指標(biāo)。

4.2 擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍

參考標(biāo)準(zhǔn)，珠三角工作井基坑安全監(jiān)測(cè)采用一倍基坑開挖深度作為監(jiān)測(cè)范圍。根據(jù)基坑降水滲降漏斗規(guī)律，地下水位大幅度下降時(shí)，滲降漏斗半徑必然會(huì)增大，監(jiān)測(cè)范圍也應(yīng)隨之增大［9］。本文以10#工作井為例，結(jié)合地下水位監(jiān)測(cè)資料，計(jì)算了地下水位下降后的實(shí)際影響范圍。

由周邊地下水位分析研究結(jié)果可知，10#工作井基坑周邊地下水滲流路徑與潛水非完整井相似，在已知滲流量情況下，滲降影響半徑為：

式中：r0為基坑中心與水位孔距離（m）；H0為開挖前水位至基坑底部深度（m）；h為動(dòng)水位至含水層底部深度（m）；l為當(dāng)前水位至連續(xù)墻底部深度（m）；k為滲透系數(shù)（m/d）。

潛水非完整井?dāng)?shù)學(xué)模型是基于均質(zhì)巖層結(jié)構(gòu)，實(shí)際巖層結(jié)構(gòu)為非均質(zhì)體，需計(jì)算非均質(zhì)體的等效滲透系數(shù)。非均質(zhì)巖層由透水性各不相同的薄層相互交替組成的層狀巖層，優(yōu)化后認(rèn)為是，每一層的厚度比其延伸長(zhǎng)度小得多。10#工作井4個(gè)方向的地質(zhì)勘測(cè)揭示的地層結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的滲透系數(shù)如表2所示。

表2 10#工作井地層結(jié)構(gòu)及滲透系數(shù)Tab.2 Strata Structure and Permeability Coefficient of the 10# Foundation Pit

參考何勇等人關(guān)于等效滲透的研究成果［10］及《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程：JGJ120—2012》［11］計(jì)算得到各方向的等效滲透系數(shù)及影響半徑如表3所示。由表3可知，由于地下水位大幅度下降，10#工作井基坑4個(gè)方向的滲降影響半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1倍開挖深度57.8 m，北側(cè)影響半徑甚至超出3 倍開挖深度；文獻(xiàn)［11］提供的經(jīng)驗(yàn)公式由滲透系數(shù)、水位降深、含水層厚度等3個(gè)自變量組成，未考慮基坑滲流量，在滲流量較大時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式的應(yīng)用具有一定局限性。

表3 10#工作井等效滲透系數(shù)及影響范圍Tab.3 The Scope of Influence by the Equivalent Perme?ability Coefficient of the 10# Foundation Pit

4.3 優(yōu)化防滲措施

前文研究結(jié)果表明，基坑連續(xù)墻底部的沉渣層是防滲結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，是其他不利情況發(fā)生的起因?？偨Y(jié)經(jīng)驗(yàn)，珠三角工程對(duì)后續(xù)工作井基坑防滲措施進(jìn)行了優(yōu)化，在連續(xù)墻新增灌漿孔，用于沉渣層的灌漿加固。為避免后期鉆孔，并保證孔位垂直度，連續(xù)墻鋼筋籠制作時(shí)預(yù)裝了1根直徑110 mm的PVC管，待連續(xù)墻混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，通過預(yù)裝的PVC 管放入鉆頭直達(dá)底部，鉆入約1～2 m，確保穿透沉渣層。該灌漿工序的實(shí)施，不僅加強(qiáng)了沉渣層的防滲強(qiáng)度，還一定程度填充了基巖可能存在的裂隙，防止裂隙滲水。

5 總結(jié)

珠三角工程施工期自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用保證了工作井基坑預(yù)警的及時(shí)性和有效性，同時(shí)也提供了大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。文章結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，深入分析研究了部分超監(jiān)控指標(biāo)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的物理量變化機(jī)理，計(jì)算了基坑出現(xiàn)較大滲流工況下的滲降影響半徑。結(jié)果表明，在深基坑開挖期間，基坑內(nèi)外高水頭差形成的滲透壓力穿透連續(xù)墻底部的沉渣層，導(dǎo)致一系列不利情況的發(fā)生；基坑周邊地下水位下降實(shí)際影響范圍遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)范圍，在滲流量較大情況下，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果偏小。根據(jù)分析研究成果，珠三角工程優(yōu)化了后期工作井基坑防滲措施。