南京長江四橋南錨碇深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測

谷 川 秦世偉

(1.上海市政工程設(shè)計研究總院, 上海 200092；2.上海大學(xué)土木工程系, 上海 200072)

1 工程概況

南京長江四橋主橋南錨碇工程,位于長江南岸,距江南大堤約150 m,南錨碇基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為嵌巖地連墻,平面呈“”字形,尺寸為82 m×59 m,墻厚1.5 m,墻頂面高程+5.000 m,墻底高程-35.000～-45.000 m,底部嵌入中風(fēng)化砂巖層約3 m；地連墻施工分Ⅰ期和Ⅱ期兩種槽段,槽段的連接采用銑接法。地連墻頂部設(shè)置高2 m、寬3 m帽梁。內(nèi)襯按3 m高度分層逆作施工,9 m深度內(nèi)襯厚1.0 m,9～24 m深度厚1.5 m,24～40 m深度厚2.0 m。南錨碇底板混凝土厚4 m,填芯混凝土后半部分為實(shí)心,前半部分設(shè)置16個空隔倉[1]。

該基坑三維剖切面如圖1所示。

圖1 南京長江四橋南錨碇三維剖切面

2 監(jiān)測意義和內(nèi)容

南京長江四橋南錨碇所處位置巖土條件復(fù)雜,開挖深度大,并且在國內(nèi)首次采用“”形的地下連續(xù)墻作為錨碇基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu),地墻的施工難度大,可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)不多,故必須在施工組織設(shè)計中制定監(jiān)測方案,在實(shí)際施工中實(shí)施嚴(yán)密的監(jiān)測控制,以確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)工程在施工、運(yùn)行中的安全,為優(yōu)化設(shè)計、科學(xué)決策提供準(zhǔn)確和可靠的依據(jù)[2]。

基坑開挖期間監(jiān)測的目的主要有[3]：

(1)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理,以期能及時發(fā)現(xiàn)施工過程中的不穩(wěn)定因素,及時采取補(bǔ)救措施,確保基坑穩(wěn)定安全,減少和避免損失。

(2)將現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果用于優(yōu)化設(shè)計,使設(shè)計達(dá)到優(yōu)質(zhì)安全、經(jīng)濟(jì)合理、施工快捷的目的。

(3)將現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果與理論預(yù)測值相比較,用反分析法推導(dǎo)出更為接近實(shí)際的理論計算模型,為“”形地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

本工程在建設(shè)過程中責(zé)任重大,不得有任何意外,布設(shè)的監(jiān)測控制系統(tǒng)應(yīng)能及時有效、準(zhǔn)確地反映施工中圍護(hù)體及周邊環(huán)境的各種動向。根據(jù)專家評審意見確定的監(jiān)控方案,制定的監(jiān)控工作內(nèi)容如下。

(1)地下連續(xù)墻監(jiān)測：①地下連續(xù)墻深層側(cè)向變形監(jiān)測(測斜),②墻體鋼筋應(yīng)力監(jiān)測,③墻體溫度監(jiān)測。

(2)支撐系統(tǒng)監(jiān)測：①帽梁變形監(jiān)測,②內(nèi)襯應(yīng)力監(jiān)測。

(3)土工監(jiān)測：坑外土壓力監(jiān)測。

(4)水工監(jiān)測：坑外地下水位監(jiān)測。

(5)環(huán)境監(jiān)測：①坑外地基土沉降監(jiān)測,②基坑附近油管沉降監(jiān)測,③長江大堤沉降監(jiān)測。

監(jiān)測項(xiàng)目組2009年3月成立并正式進(jìn)駐現(xiàn)場,緊密配合南錨碇施工進(jìn)程,開展測點(diǎn)埋設(shè)、監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理工作,到2009年12月底板澆筑完成為止,歷時9個月。

3 水平位移監(jiān)測內(nèi)容和方法

變形監(jiān)測控制的目的就是通過監(jiān)測控制周邊設(shè)施及基坑結(jié)構(gòu)本身的姿態(tài)和變形,與理論計算或規(guī)范要求偏差較大時,必須立即進(jìn)行誤差分析并協(xié)助施工單位確定調(diào)整方法,為下一階段的施工做好準(zhǔn)備工作。

水平位移測量的方法經(jīng)過多年的發(fā)展,已經(jīng)有很多種方法可供選擇。規(guī)范[4]上推薦的方法有：測定特定方向上的水平位移時可采用視準(zhǔn)線法、小角度法[4]投點(diǎn)法等；測定監(jiān)測點(diǎn)任意方向的水平位移時可視監(jiān)測點(diǎn)的分布情況,采用前方交會法[5]、自由設(shè)站法[6]、極坐標(biāo)法等；當(dāng)基準(zhǔn)點(diǎn)距基坑較遠(yuǎn)時,可采用GPS測量法[7]或三角、三邊、邊角測量與基準(zhǔn)線法相結(jié)合的綜合測量方法。

針對南京長江四橋南錨碇基坑監(jiān)測的具體工程,分析認(rèn)為：視準(zhǔn)線法、小角度法、投點(diǎn)法等測定特定方向上水平位移的方法不適合本文的“”字形基坑；前方交會法工作量太大,并且該方法以及自由設(shè)站法、三角法、三邊法對基準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)量以及圖形條件均有一定的要求；GPS測量法的動態(tài)模式相對而言精度較低,靜態(tài)模式需要時間較長，不適合對時效性要求較高的該類變形監(jiān)測,如每個點(diǎn)都安裝GPS接收機(jī)又會導(dǎo)致難以承受的經(jīng)濟(jì)成本。

還必須要考慮的實(shí)際問題就是現(xiàn)場基準(zhǔn)點(diǎn)的選擇。該錨碇向北約150 m為長江大堤；向東為國家糧庫,屬于重點(diǎn)保護(hù)單位,未經(jīng)許可不得入內(nèi)；向南為建筑材料堆場以及混凝土攪拌區(qū)域；向西為建筑用鋼堆放區(qū)域。另外,該區(qū)域原為農(nóng)田以及荒地,靠近長江，地質(zhì)條件也比較差。如果在地面上造標(biāo)，一方面視線不好,隨時可能會被遮擋；另一方面,由于需要長期使用,需對地基進(jìn)行處理，從而加大了經(jīng)濟(jì)成本。

參考了施工方在基坑開挖前3年建立的施工控制網(wǎng),以及3年的點(diǎn)位穩(wěn)定性觀測成果,采用了基坑西北側(cè)距離基坑中心224 m處某廠房(多層建筑)頂上的施工平面控制點(diǎn)NF08作為起算點(diǎn),以位于基坑?xùn)|北方向距離NF08點(diǎn)660 m的NF10點(diǎn)作為定向點(diǎn),在基坑開挖深度3倍范圍以外不受施工影響的穩(wěn)定區(qū)域又設(shè)置了兩個水平位移控制點(diǎn)作為檢核和備用控制點(diǎn)。同時,為了檢查NF08的點(diǎn)位穩(wěn)定情況,還設(shè)置了3個方向邊作為檢核條件,NF08的點(diǎn)位變化能通過這幾個方向邊的方位角變化反映出來。

NF08、NF10兩個基準(zhǔn)點(diǎn)以及基坑的位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 基準(zhǔn)點(diǎn)與基坑的位置關(guān)系

基坑水平位移監(jiān)測點(diǎn)的布置如圖3所示。水平位移監(jiān)測點(diǎn)同時也作為垂直位移監(jiān)測點(diǎn)。

圖3 水平位移監(jiān)測點(diǎn)布置

首先,在NF08設(shè)站,測量NF10-NF08-ML14的角度以及NF08-ML14之間的距離。角度測量采用兩測回；距離采用往返各兩次,即NF08照準(zhǔn)ML14測距2次,ML14照準(zhǔn)NF08測距2次,4次測距取平均。在此需要說明的是,原定方案中選擇的是ML15,但由于ML15被塔吊遮擋,實(shí)際操作時選擇了ML14。

根據(jù)角度、距離觀測值,以及NF08、NF10兩點(diǎn)的平面坐標(biāo),計算得到ML14的坐標(biāo)。該方法類似于精密導(dǎo)線測量方法。

在ML14設(shè)站,以NF08為定向點(diǎn),用極坐標(biāo)法測量得到其他14個點(diǎn)的平面坐標(biāo)。測量過程中,為消除或者削弱一部分誤差,采用盤左盤右觀測的方式。

4 精度評估

采用的儀器為SOKKIA NET05自動全站儀,標(biāo)稱精度為：測角±0.5″,測距±(0.8+1×10-6D)mm[8]。

首先計算ML14的點(diǎn)位精度,根據(jù)誤差傳播律[9]

(1)

D=224 m,mβ=0.5″,計算得到：mP=1.15 mm。

由于定向邊距離較遠(yuǎn)(224 m),相對于基坑的尺寸(最大半徑處41 m)而言很大,故此計算其他監(jiān)測點(diǎn)的點(diǎn)位精度時可不考慮ML14的點(diǎn)位誤差對方位角的影響。

其他監(jiān)測點(diǎn)的點(diǎn)位精度可用公式(2)進(jìn)行計算

(2)

經(jīng)過精度估計以及誤差評定,認(rèn)為水平位移監(jiān)測點(diǎn)最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差優(yōu)于1.5 mm。

根據(jù)規(guī)范[5]要求,基坑圍護(hù)墻(坡)頂水平位移監(jiān)測精度要求根據(jù)設(shè)計控制值確定,最高做到監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)中誤差≤1.5 mm(設(shè)計控制值≤30 mm),本文的方法能夠滿足最高要求。本工程中設(shè)計控制值為日變量±3 mm,累計變化值25 mm,顯然,本文的方法能夠滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

在實(shí)際測量的過程中,由于該監(jiān)測項(xiàng)目的距離比較近,監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)位誤差大部分是由測距部分的固定誤差部分引起。由于每次均采用同一套儀器設(shè)備,在測量中該部分誤差有些被抵消掉,實(shí)際取得的精度略高于估計精度。

5 監(jiān)測結(jié)果

2009年8月基坑開挖之前進(jìn)行了首次水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)采集,12月底板澆筑完成后進(jìn)行了最后一次水平位移監(jiān)測。由于整個工程施工開挖期間測量的次數(shù)太多,數(shù)據(jù)量太大,我們以最后一期監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)果為例進(jìn)行了分析。底板澆筑后各監(jiān)測點(diǎn)的累計水平位移量如表1所示。

表1 底板澆筑后各監(jiān)測點(diǎn)的累計水平位移

從表1可以看出,在基坑開挖過程中,由于開挖的影響,帽梁產(chǎn)生向基坑內(nèi)的變形。由于該錨碇為對稱結(jié)構(gòu),而且尺寸比較大,難以產(chǎn)生較大的整體位移,體現(xiàn)在監(jiān)測點(diǎn)ML13～ML15三個監(jiān)測點(diǎn)上,這三個點(diǎn)的位移量都非常小,可以說基本上未產(chǎn)生水平位移。

為了更加全面的了解該類型基坑開挖過程中的變形規(guī)律,將最后一期的垂直位移監(jiān)測數(shù)據(jù)列出,如表2所示。

表2 底板澆筑后各監(jiān)測點(diǎn)的累計垂直位移

可以清楚地看到,在基坑開挖過程中,由于開挖過程中降水以及開挖的影響,整個基坑所有監(jiān)測點(diǎn)都產(chǎn)生了向上的垂直位移。

6 結(jié)束語

在基坑水平位移監(jiān)測過程中,確定監(jiān)測精度要求非常重要。此外,并不一定是精度要求隨著基坑規(guī)模、開挖深度的增大而增加。一方面要考慮到基坑本身的安全,另一方面要考慮到周圍環(huán)境的安全。

對監(jiān)測方法應(yīng)綜合比較,不能只看精度一個指標(biāo),可行性以及經(jīng)濟(jì)性等也是必須考慮的,在滿足精度要求的基礎(chǔ)上,簡便、可行、經(jīng)濟(jì)的方法為好。

在基坑監(jiān)測過程中,應(yīng)充分利用現(xiàn)有的點(diǎn)位數(shù)據(jù)觀測資料,包括坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及點(diǎn)位穩(wěn)定性情況等資料。

在同一測站需要測量的點(diǎn)數(shù)較多、時間較長的情況下,有必要設(shè)立一條方位角檢查邊,每測量幾個點(diǎn)進(jìn)行一下方位角的檢核。測量過程中發(fā)現(xiàn)，全站儀有時會發(fā)生一定的角度漂移,該數(shù)值有時甚至可達(dá)10″。分析認(rèn)為有可能是由腳架轉(zhuǎn)動、儀器軸系隙動等引起,但原因尚不明確。但是該項(xiàng)誤差影響非常大,設(shè)置一條方位角檢查邊可消除或削弱該誤差的影響。在編制一些自動監(jiān)測軟件的過程中,我們也采取措施進(jìn)行了該項(xiàng)誤差的克服。

ML14點(diǎn)既是監(jiān)測點(diǎn)也作為一個設(shè)站點(diǎn),由于施工的限制我們無法設(shè)置強(qiáng)制對中點(diǎn),為了削弱對中誤差,采用了替換基座的方式。

[1]上海市政工程設(shè)計研究總院.南京長江四橋南錨碇工程施工監(jiān)測控制方案[R].上海：上海市政工程設(shè)計研究總院,2008

[2]上海市政工程設(shè)計研究總院.南京長江第四大橋施工監(jiān)控總結(jié)報告[R].上海：上海市政工程設(shè)計研究總院,2010

[3]夏才初,潘國榮.土木工程監(jiān)測技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2001

[4]谷川,李明峰,潘國榮.某碼頭施工水平位移監(jiān)測方法與精度探討[J].測繪信息與工程,2006,31(04)：16-18

[5]周西振.前方交會法測定變形監(jiān)測點(diǎn)最佳交會圖形的探討[J].勘察科學(xué)技術(shù),2002(3)：53-55

[6]林澤耿,自由設(shè)站法監(jiān)測基坑水平位移[J].廣州建筑,2003(2)：699-699

[7]光輝.基于GPS的基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及可視化實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2009

[8]武大測繪學(xué)院.誤差理論與測量平差基礎(chǔ)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社,2005

[9]GB50497—2009 建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S]