樁基監測法在“皖電東送”1000KV滬西變電站工程中的應用

賀虎，王志強，李巖，周宏，馬勇杰

(1.國家電網公司交流建設分公司，北京市100052;2.華東電力設計院，上海市200063)

0 引言

“皖電東送”1000kV滬西變電站工程位于上海市青浦區練塘鎮，圍墻內占地面積9.8萬m2。站址原貌為瀉湖沼澤平原，地質情況較復雜。站區原地表水系發達，有成片人工開挖的魚塘和貫穿南北的河道。場地進行了大面積回填，魚塘區域回填深度達3～4m。根據地質勘測情況，站址區地基土上部分布有灰色淤泥質粉質粘土，該土層厚度達7.5～13.6m，透水性能差，承載力非常軟弱。站區地下水位非常高，一般埋深在0.50m左右，且受雨季影響大。

滬西變電站樁基工程共3種樁型，總樁數約16 200根，施工周期長達6個月。其中:1000kV設備、設備支架及建筑物基礎下方布置φ400 mm的預應力高強混凝土(prestressed high-intensity concrete，PHC)管樁;1000kV構架基礎下方布置φ600 mm的PHC管樁;110kV設備及支架基礎下方布置鉆孔灌注樁;全站道路及電纜溝底部布置水泥土攪拌樁。PHC管樁采取靜壓沉樁，布置密集，主變區域間距為2.0m×2.4m，總樁數約1 200根，1000kV氣體絕緣開關設備(gas insulated switchgear，GIS)區域間距為2.4m×2.4m，總樁數約為1 000根。滬西變電站地基處理工程是一個大型、復雜、密集樁群的施工項目［1-4］。

國家電網公司交流建設分公司組織設計、監理、施工、監測等單位及專家團隊，針對滬西變電站地基工程的特點、難點，進行全面深入的研討論證。為確保地基處理工程質量和臨近運行站安全，在滬西變電站工程中應用了樁基監測法。

1 樁基監測的必要性

樁基施工監測是在預制樁施工過程中(含施工完成后的一定時間內)，對由于樁基施工而引起的超孔隙水壓力變化、深層土體位移、土體抬升等實施動態監測的有效手段。

1.1 樁基施工監測是樁基檢測的重要補充

雖然樁基檢測與樁基監測都是進行樁基質量控制的有效手段，但兩者有著不同的作用。樁基檢測，是在樁基施工完成后，通過對樁體進行高應變、低應變檢測，以此判斷樁體完整性的方法，是一種“事后”檢測措施。而樁基施工監測則是在樁基施工過程中對由于施工引起的土體孔隙水壓力變化、深層土體側向位移、周圍土體縱向擠壓抬升(反映為鄰近樁體抬升)、地面位移(反映為運行站圍墻位移)等進行動態監測的方法，是一種“過程”監測措施。樁基監測能為樁基施工過程中的施工質量控制提供依據，達到信息化施工的要求。

1.2 樁基施工監測是行業標準的強制要求

按DL/T 5024—2005《電力工程地基處理技術規程》第14.3.1(21)項要求，“在軟土地區，為減少后續施工樁對已施工樁的影響并確保鄰近建(構)筑物、地下管線的安全，以及確定基坑開挖合理時間，必須進行巖土工程監測”。滬西變電站工程地處軟土地區、樁群布置密集，PHC管樁與運行的500kV練塘變電站最近距離約為90m，符合該標準的適用范圍。

1.3 樁基施工監測是施工指導的量化手段

雖然樁基施工具有成熟的經驗，比如:在一定范圍內，先施工PHC管樁，后施工鉆孔灌注樁和水泥土攪拌樁;在PHC管樁密布區域，應先施工中部PHC管樁，后施工四周PHC管樁等，但上述施工經驗缺少定量控制指標。而樁基監測所采取的各項監測手段，均能通過監測數據和報警值設置，量化指導樁基施工的施工速率、施工工序、休止時間、開挖間隔、檢測重點抽檢部位等。另外，1000kV GIS基礎不均勻沉降控制標準要求高(不超過2‰)，需要從樁基施工源頭開始量化控制。

1.4 滬西變電站樁基工程的特殊性

滬西變電站站址地質情況復雜，土體穩定性極差，樁基工程樁型多、樁數多、布置集中、施工工期緊，且東側臨近運行的500kV練塘變電站，南側和西側臨近新開挖的河道。特殊的地質地理環境和復雜的設計方案，導致集中樁群施工質量缺陷、圍墻擋土墻及河道護坡位移、運行站圍墻及基礎位移的可能性大、風險高，必須實施量化監測手段，確保建設安全。

2 樁基施工監測項目

2.1 超孔隙水壓力監測

上海地區處于沿海軟土地區，地基土中分布有深厚的淤泥質土，含水率高，滲透性低。對于飽和軟粘土，孔隙中充滿水，這些水在穩定狀態時有一個平衡的壓力，這是孔隙水壓力。當集中打入PHC管樁時，由于PHC管樁為擠土樁，土體會受到樁基施工的外力擠壓，土體中的孔隙水也因受到擠壓而無法快速滲透，導致土中原有水壓力上升，由此產生超孔隙水壓力。

超孔隙水壓力監測，主要是通過對超孔隙水壓力的增長和消散過程的觀測，了解各種情況下沉樁對孔隙水壓力形成的影響，分析可能對工程產生的危害，必要時提出警告和建議，調整施工進度安排，預估沉樁結束后到基坑開挖所需的休止時間。

超孔隙水壓力監測通過在密集樁群區域布置孔隙水壓力計來進行觀測。在滬西變電站工程中，在主變、1000kV GIS等樁基密集區域共布置孔壓計8組(P1 ～P8)，每組4 個孔壓計，深度為4、8、12、20m，分別監測孔壓計所在土層在沉樁過程中孔隙水壓力的變化情況。孔隙水壓計式布置見圖1。

圖1 孔隙水壓力計深度分布Fig.1 Depth distribution of pore water pressure gauge

2.2 深層土體位移監測

由于沉樁引起的擠土效應，土體側向位移對鄰近的基樁產生側向擠壓，導致樁體在縱向范圍內不同程度的水平偏位，一般頂部偏位大，底部偏位小。深層土體位移通過布置測斜孔來進行觀測，有效掌握地基土變形。滬西變電站工程在主變東側PHC管樁與灌注樁之間布置6個測斜孔(C1～C6)，在GIS東側布置3個測斜孔(C7～C9)，深度為30m，進入⑥2號草黃色粉質粘土層。

2.3 樁頂位移監測

密集樁群施工過程中，由于擠土效應，后沉樁對鄰近的基樁除在水平方向有水平位移影響外，在垂直方向還可能造成鄰近的基樁樁頭抬升。為此，樁頂位移監測選擇容易產生較大偏位或抬升影響的單樁，進行位移觀測，了解樁頭偏位的過程。在滬西變電站工程中，分別在主變區域布置4根(Z1～Z4)，1000kV GIS區域布置4根(Z5～Z8)監測樁。監測樁在工程樁上進行加長，至地表下0.40m。

2.4 鄰近建筑位移監測

在現有的練塘站與滬西站之間的臨時圍墻上設置4個位移監測點(W1～W4)，進行圍墻位移的監測。滬西變電站工程樁基監測點平面布置如圖2所示。

圖2 滬西變電站工程樁基監測點平面布置Fig.2 Layout of pile foundation monitoring points in Huxi Substation

2.5 報警限值

根據設計和有關規程要求:超孔隙水壓力達到上覆有效壓力80%時報警;土體位移每天達30 mm，或累計達到60 mm時報警;樁頂位移連續多日達10 mm，或累計達到100 mm時報警，累計抬升20 mm時報警。

監測的報警限值依據JGJ 94—2008《建筑樁基基礎設計規范》［5］、上海市 DGJ 08 －37—2002《巖土工程勘察規范》［6］及 DLT 5024—2005《電力工程地基處理技術規程》［7］的相關要求，并結合以往的工程經驗和設計要求綜合確定。

3 樁基施工監測法

主變區域樁基施工周期為2012年3月6日～4月29日，監測周期為2012年3月2日～6月10日。主變區域分南、北2段分別沉樁，每段又分東、西兩側往返沉樁。如主變區域北段東側先從南至北向3～4排沉樁，再由北向南折返沉樁。主變區域南段亦是如此。

1000kV GIS區域樁基施工周期為2012年5月17日～6月16日，監測周期為2012年5月4日～8月10日。采取“S”形路徑從南至北推進。

3.1 超孔隙水壓力監測

主變區域，在單側從南至北沉樁過程中，超孔隙水壓力上升較大，但未超過報警值。而在折返沉樁后，因施工速率較快，超孔隙水壓力因積聚效應，前次的還沒有釋放，又迅速上升，大幅度超過報警值，也表明本工程場地孔隙水壓力的釋放非常困難，沒有良好的排水釋壓途徑。主變區域按照5倍樁徑的樁間距，初期每日每臺樁機的沉樁數宜控制在15～20根，后期折返施工時宜控制在15根以內。主變場地典型的超孔隙水壓力觀測曲線見圖3(圖中虛線處為上覆有效壓力80%)。

圖3 P3超孔隙水壓力觀測曲線Fig.3 Observation curves of excess pore water pressure at P3 point

GIS區域在每天每臺樁機在同一區域施工數超過30根樁的情況下，孔隙水壓力超標現象普遍，但其總體超標幅度較主變區域小。經分析，GIS區域樁間距要比主變區域大(為6倍樁徑)是主要原因，其次GIS區域場地回填較好、塑料排水板先期插設為次要原因。按照樁間距為6倍樁徑，施工方式為成排向同一方向推進，打樁初期每日每臺樁機的沉樁數宜控制在20～25根，后期施工中部的樁宜控制在每天15根以內。GIS場地典型的超孔隙水壓力觀測曲線見圖4(圖中虛線處為上覆有效壓力80%)。

在樁基施工結束的休止過程中，經監測，20m處的超孔隙水壓力消散速率較12m處快，主要因為12m深度范圍內為淤泥質粉質粘土，其超孔隙水壓力消散較為緩慢。

圖4 P6超孔隙水壓力觀測曲線Fig.4 Observation curves of excess pore water pressure at P6 point

3.2 深層土體位移(測斜)

主變區域東側沉樁經過測斜管附近后，測斜管測得的土體位移變化較大，而后期折返回到主變西部的樁基施工對東側的土體位移影響明顯減小，但會繼續疊加。距樁群邊樁約6m的監測點最大累計位移大多超過60 mm，位移方向與打樁擠土方向一致;樁基施工對20m外的土體仍有一定影響，但總體位移較小，距邊樁20m處的監測點最大累計位移約21 mm，位移方向與打樁擠土方向一致，表明隨著水平距離的增加，擠土效應明顯收斂。

GIS區域監測成果顯示，在距測點東西水平線5～8m范圍內(最近的樁基實際距離8～10m)，樁基施工的擠壓效果已經比較明顯，而距測點東西水平線5m范圍內(最近的樁基實際距離6m)的樁基施工對測點的擠壓效應最大，而一般最鄰近的樁基施工結束后，測點所反映的土體位移基本已達到最大位移，距樁群邊樁約6m的深層土體位移監測點最大累計位移大都超過60 mm，位移方向與打樁擠土方向一致，后期較遠的樁基施工基本沒有大的影響［8-9］。

典型的深層土體位移監測曲線見圖5。

3.3 樁頂位移監測

圖5 C2和C7深層土體位移監測曲線Fig.5 Observation curves of deep soil displacement at C2 and C7 point

主變區域除監測樁Z4累計最大矢量位移為61.35 mm外，其他3根監測樁的累計水平位移超過報警值(100 mm)，最大累計矢量位移達 129～171 mm;樁基結束休止后，樁頂位移回落不明顯。經分析，主要原因是沉樁施工速率較快，特別是在折返沉樁過程中未減緩施工速率，造成超孔隙水壓力和樁頂位移都超過報警值［10-11］。

1000kV GIS區域除監測樁Z5位移監測數據沒有超標外，其他3根監測樁的累計水平位移均較大，都超過100 mm的報警值，最大累計矢量位移達110～135 mm，樁基施工結束休止后位移回落不大。垂直位移Z6監測樁在施工中有超過報警值的現象，最大累計抬升達+24 mm。

根據JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》打入樁樁位允許偏差要求，中間樁允許偏差為1/2樁徑(即200 mm)，因此，滬西變電站樁基均未超過樁位允許偏差值。各監測樁最終監測結果見表1。

3.4 鄰近建筑位移監測

從監測數據來看，在樁基施工期間各位移點累計水平位移變化量在(+14～－27)mm之間(B方向)，垂直累計位移變化量在(+4～－6)mm，位移變化呈緩變型。樁基施工期間，臨近的運行變電站圍墻及內側土體未出現明顯裂縫，建筑物、道路及設備基礎未發現異常情況。樁基監測工作有效確保了運行站的安全。位移觀測結果見圖6、圖7。

4 樁基施工相關控制措施

4.1 超孔隙水壓力及位移超標

為控制超孔隙水壓力，樁基施工前需在沉樁區域內插塑料排水板，對于透水性能極差的灰色淤泥質粉質粘土，可在加密排水板的同時，采取鋪設砂墊層透水的措施。施工時優化沉樁順序，對于列數較多的密集樁群，可減少每次的施工列數，或采取“S”型沉樁路線，降低沉樁速率，避免集中沉樁。如發現超孔隙水壓力及位移超標，可及時降低沉樁速率，調整沉樁順序，如超標較嚴重需停工。同時，由于深層土體位移的影響范圍廣，當發現深層土體及樁頂位移超標后，需加強樁基開挖檢測，驗證樁體的完整性。

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4.2 鄰近建筑位移超標

鄰近建筑位移超標將直接導致運行站圍墻開裂、地面裂紋、地下管道破壞等嚴重質量事故，需嚴格控制。主要控制措施是在樁基事故過程中動態監測，聯合運行單位開展巡視，予以杜絕。

5 結論

(1)在樁基施工過程中進行超孔隙水壓力、深層土體位移和樁頂位移等監測，制定報警標準，提供了樁基施工控制措施建議，并采取了相關處理措施(如及時調整了沉樁速率、沉樁工序、增設塑料排水板等)，及時將樁基施工監測數值恢復正常，對施工工序的調整和樁基施工質量控制發揮了應有的作用，特別是對大型復雜密集樁群在施工過程中容易發生的“漂移”現象進行了嚴格監控。經過1000kV滬西變電站樁基工程實踐，重點部位樁基開挖檢測，I類樁達到100%，達到了施工創優目標，為1000kV GIS大體積混凝土基礎不均勻沉降等質量通病控制創造了有利條件，也為工程長期安全穩定運行奠定了良好基礎。

(2)PHC管樁施工時的擠土效應明顯，對已成樁產生一定的影響，主要表現為群樁外側深層土體位移較明顯，已成樁樁頂水平位移較大，樁頂抬升次之。在樁基施工期間，樁基施工處附近的超孔隙水壓力監測點數據普遍較高，且上部土層中孔隙水壓力消散也較緩慢，樁基施工對周圍建筑物未產生明顯影響。

(3)按照主變區域5倍樁徑的樁間距，初期每日每臺樁機的沉樁數宜控制在15～20根，折返施工時宜控制在15根以內。GIS區域按照樁間距為6倍樁徑，施工方式為成排向同一方向推進，打樁初期每日每臺樁機的沉樁數宜控制在20～25根，后期施工中部的樁宜控制在每天15根以內。

(4)根據監測結果，軟土地區樁基施工后的基坑開挖，至少需在樁基施工休止40天后，且應結合超孔隙水壓力的監測結果進行判斷。要求超孔隙水壓力消散率大于60%或超孔隙水壓力小于上覆有效土壓力的30%時，方可進行基坑開挖。

(5)GIS區域的超孔隙水壓力總體超標幅度較主變區域小，應是得益于該區域場地回填較好，塑料排水板先期進行了插設等因素，而GIS區域樁間距要比主變區域大(為6倍樁徑)也是主要原因。在樁基密度確定的情況下，增加塑料排水板數量能有效加速超孔隙水壓力的釋放，建議每根樁配2～3根塑料排水板，以加快孔隙水壓力的消散，加速土體的固結。

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