武漢地鐵范湖站基坑重點段監(jiān)控量測探討與分析

曾瑞,肖永力,涂超(湖北省神龍地質工程勘察院,湖北武漢 430030)

武漢地鐵范湖站基坑重點段監(jiān)控量測探討與分析

曾瑞?,肖永力,涂超
(湖北省神龍地質工程勘察院,湖北武漢 430030)

摘 要:在基坑開挖的過程中,由于地質情況、支護條件、水文條件等因素的影響,可能會引起支護結構及周邊環(huán)境的變化,嚴重的會引起一定的財產人身損失。本文根據武漢地鐵基坑的實例,通過對支護結構的變形監(jiān)測數據,對基坑重點變形段進行監(jiān)測分析,提供科學嚴謹的數據供各方采取有力措施,從而確保地鐵基坑的安全。

關鍵詞:基坑監(jiān)測；深層水平位移；軸力；沉降；信息化施工

1　前 言

隨著越來越多的城市開始修建地鐵,因地鐵車站開挖而引起的基坑、周邊環(huán)境變形的問題也越來越多。地鐵基坑一般地處鬧市區(qū),場地狹窄,周邊環(huán)境復雜,開挖深度大,開挖過程中的自身變形及引起的周邊變化跟施工、設計、監(jiān)測等均息息相關。本文根據武漢地鐵范湖站基坑的監(jiān)測數據展開分析,并及時給出工程預警,及時采取了相關措施,從而確保了基坑及周邊環(huán)境的安全,避免了事故的發(fā)生,也為以后類似的工程提供了有力的參考。

2　工程概況

武漢市軌道交通三號線全長28 km,設站23座,范湖站為第14座車站。車站位于規(guī)劃馬場角路與青年路的交叉口處,沿規(guī)劃馬場角路布置于路下,車站與2號線范湖站通過通道換乘。

3　項目概況

范湖車站基坑其詳細工況如下:本站主體基坑長266．4 m,標準段寬度為20．1 m,基坑標準段開挖深度約25 m,層數為地下3層,單柱兩跨式島式站臺車站,地下分站廳、設備、站臺3層,車站標準段結構外包尺寸為21．01 m×20．10 m,頂部覆土約3．3 m ～3．6 m。主體建筑面積16 443 m2,附屬建筑面積6 808 m2,總建筑面積23 251 m2。車站主體圍護結構采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻,并入巖以滿足抗浮要求,支護為混凝土支撐或鋼支撐;范湖站主體結構基坑支護第一道支撐采用800 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐,第二～六道支撐采用16 mm厚609鋼管支撐,附屬結構基坑支護采用兩道16 mm厚609鋼管支撐。基坑監(jiān)測點位布置圖如圖1所示:

圖1　基坑監(jiān)測點位布置圖

4　工程地質與水文地質

4．1工程地質

擬建場區(qū)地形平坦,原始地貌屬長江沖積Ⅰ級階地。各巖土層的地層巖性如下:

(1)填土(Qml)層

①雜填土,層厚0．40 m～7．1 m。②淤泥(Ql),其厚度0．6 m～2．3 m,埋深0．8 m～4．5 m。

(2)第四系全新統(tǒng)沖積(Q4al)層

①粉質黏土與粉土、粉砂互層(Q4al),其厚度1．5 m～4．2 m,埋深1．5 m～2．3 m。②黏土(Q4al),其厚度0．5 m～6．4 m,埋深1．0 m～5．7 m。③黏土(Q4al)其厚度1．1 m～5．9 m,埋深0．4 m～6．8 m。④淤泥質粉質黏土(Q4al),最大厚度達27．9 m。其一般厚度1．5 m～7．5 m,埋深2．2 m～10．0 m。⑤粉質黏土夾粉土(Q4al),其厚度0．7 m～8．6 m,埋深5．0 m～12．0 m。⑥粉質黏土與粉土、粉砂互層(Q4al),厚度2．3 m～9．5 m,埋深6．7 m～17．0 m。⑦粉細砂(Q4al),其厚度3．5 m～14．3 m,埋深10．8 m ～22．8 m。⑧粉質黏土(Q4al),其厚度0．6 m～6．8 m,埋深18．5 m～42．0 m。⑨細砂(Q4al),厚度6．2 m ～31．7 m,埋深21．0 m～32．6 m。⑩中粗砂夾礫卵石( Q4al),其厚度0．5 m～13．7 m,埋深35．4 m ～50．0 m。

(3)下伏基巖為白堊-下第三系東湖群(K-Edn)

①強風化泥質粉砂巖,其厚度1．5 m～7．5 m,埋深38．2 m～50．1 m。②中風化泥質粉砂巖,其揭露厚度4．0 m～14．0 m,埋深41．0 m～52．5 m。

4．2水文地質

(1)地表水

(2)地下水類型分為上部滯水、潛水、孔隙承壓水、碎屑巖裂隙水。

4．3周邊環(huán)境

該站位于規(guī)劃馬場角路與青年路的交叉路口,規(guī)劃馬場角路路下,路口北側有惠苑假日酒店,馬場角路北側為在建葛洲壩國際廣場北區(qū)住宅小區(qū),南側為規(guī)劃葛洲壩國際廣場。地下管線沿規(guī)劃馬場角路布置于路下。車站內主要有電力、電信、自來水、排水等管線。

本基坑工程特點:開挖較深,地質條件差,地下水位高,對明挖基坑的開挖,結構抗浮穩(wěn)定性及結構墻防滲有較大影響。

5　監(jiān)測技術難點

(1)本工程基坑開挖較深,最大挖深25 m,屬一級基坑。

(2)地處長江一級階地,地質條件差,地下水位較高,開挖及降水對周邊環(huán)境影響較大。

(3)周邊建筑物距離較近,靠近青年路一側有大量的市政管線,同時車站基坑西端頭臨近已運行的地鐵二號線,監(jiān)測要求精度高、監(jiān)測難度較大。

(4)測量工作內容多、持續(xù)時間長,測量精度要求高。

(5)信息反饋要求及時準確。

(6)數據處理復雜。

(7)場地內較為狹窄,各種工種交叉作業(yè),測量作業(yè)環(huán)境干擾大。

6　監(jiān)測項目

①水平位移監(jiān)測;②豎向位移監(jiān)測;③深層水平位移監(jiān)測(測斜);④傾斜監(jiān)測;⑤裂縫監(jiān)測;⑥地下水水位監(jiān)測;⑦結構應力軸力監(jiān)測;⑧周邊環(huán)境變形監(jiān)測等。

7　監(jiān)測數據分析

本文重點以具有代表性變形的車站西端頭為例,限于篇幅,主要針對以下監(jiān)測項目進行分析。

7．1基坑周邊地表沉降

由于范湖站西端頭臨近道路,在本次監(jiān)測中,著重在周邊二條道路上布設沉降觀測點,如圖2所示。

圖2　基坑西端頭監(jiān)測點位布置圖

一般來說,基坑開挖過程中,圍護結構在水土壓力及坑內支撐的共同作用,會發(fā)生一定程度的水平變形,這種變形會導致基坑周邊環(huán)境發(fā)生沉降變形。降水也會導致周圍環(huán)境發(fā)生一定程度的沉降,同時由于圍護結構的滲漏水也會引發(fā)地面的沉降。由于范湖站采用的是地下連續(xù)墻,冠梁頂的剛度較大,所以本次地面的沉降變形主要由降水及圍護結構水平變形引起。上述兩種因素導致的沉降按下式計算:(1)降水引起的地面沉降按下式計算[1]

式中:△sw——水位下降引起的地面沉降(cm);

Ms——經驗系數;Ms= M1×M2。對于一般黏性土M1可取0．3～0．5;粉質黏土、粉土、粉砂互層M1可取0．5～0．7;淤泥、淤泥質土M1可取0．7～0．9。當降水維持時間3個月之內時M2可取0．5～0．7;當降水維持時間超過3個月時M2可取0．7～0．9。

σwi——水位下降引起的各計算分層有效應力增量(kPa);

△hi——受降水影響地層(自降水前的水位至含水層底板之間)的分層厚度(cm);

n——計算分層數;

Esi——各分層的壓縮模量(kPa)。

(2)圍護結構水平位移引起的地面沉降按下式估算[2]

式中:V0為墻后土體損失量(m3/ m);φ為圍護結構深度范圍內土體的當量摩擦角(°);h0為基坑的開挖深度(m)。

綜合以上兩項計算,范湖站的地面沉降理論值為25 mm左右,實際測量的絕大多數地面點沉降均小于這一數值。前期已施工完成的相鄰地鐵二號線范湖站其地表沉降為30 mm。其變形曲線如圖3所示[3]。

圖3　地鐵二號線范湖站地面沉降曲線圖

3號線范湖車站西端頭周邊建筑物由于基礎的原因,下沉降量較小。臨近西端頭青年路上的3個地面點的沉均小于理論值,最大的累計沉降量達到了8．47 mm。其變形曲線與二號線范湖站相類似,均表現在挖至中下段時下降明顯,其變形曲線如圖4所示。

該地面小于理論值及周邊同等條件的其他車站地面沉降的原因,具體有①坑外降水較淺(約為11 m);②車站西端頭為盾構始發(fā)開工較其他段早,降水范圍小;③地連墻深度已入巖,基坑降水引起的周邊地面沉降量與沉降差隨地下連續(xù)墻插入深度的增加而減小[4];④車站西端頭由于盾構始發(fā)而進行了高壓旋噴,對土質進行了改良。同時,在穿越2號地鐵線時對隧道內進行了同步注漿,對沉降的控制有積極的作用⑤西端頭施工進度較快,及時進行了基坑的封底及主體施工,減少了后期的沉降量;⑥地表點未擊穿道路硬層,致使不能真實反映地層的沉降。

圖4　地鐵三號線范湖站西端頭周邊環(huán)境沉降曲線圖

7．2基坑圍護結構深層位移

自2012年10月初車站西側擴大端正式開挖至坑底基礎施工完成期間,先是施工單位發(fā)現西側連續(xù)墻出現了細微裂縫并發(fā)生滲漏,同時基坑支護的水平位移量逐步增大,最大44 mm,已超出了支護結構水平位移值(最大值)監(jiān)控報警值為30 mm的要求。其間基坑的施工進程如下:

10月7日挖至第一層作業(yè)面,挖深約為2 m;

10月11日開挖至第二道支撐處,挖深約為7 m;

10月15日開挖至第三道支撐處,挖深約為12 m;

10月18日開挖至第四道支撐處,挖深約為16 m;

10月25日開挖至第五道支撐處,挖深約為20 m;

10月29日開挖至第六道支撐處,挖深約為25 m;

11月13日坑底墊層施工完畢,挖深約為26 m;

11月25日以后進行主體結構的施工;

位于基坑西側連續(xù)墻中部SID2孔深層位移曲線的發(fā)展形勢如圖5所示。

由圖5可知:除基坑開挖初期,基坑挖深至7 m之前,由于第一層混凝土支撐的強度的作用,前期曲線表現為向坑外位移外,基本上均表現為向坑內位移。隨著開挖的進行,曲線隨開挖深度的增加不斷加大,同時最大位移部位不斷下移。當開挖至負深22 m時,支護發(fā)生顯著位移,開挖面的位移量為27．04 mm。開挖至底部時,位移量急劇增大,最大累計位移量為44 mm,同時

圖5　SID2號孔深層位移-時間-深度變化曲線圖

連續(xù)墻面出現滲漏現象,位移曲線凸肚現象明顯。總體而言,基坑支護的變形隨著開挖深度的不同,其變形最大處也在逐步下移,變形基本表現在開挖面以下3 m左右。而測斜孔頂端與底部位移變化量則相對較小,這與最上部為一道混凝土支撐及底部已嵌巖,強度較大有密切的關系。分析圍護結構發(fā)生較大變形的原因,①開挖過快,周邊土體應力釋放過快;②原本在開挖至支撐處就應立即進行鋼管的支撐,施工方常常支撐滯后;③支撐有效預加應力達不到設計要求,掉壓現象經常發(fā)生;④西側圍護結構外側三米處正在進行高壓旋噴樁施工,對位移的變化影響很大;⑤內外降水高差過大等。以上綜合因素,從而導致此處的變形明顯加快。經過各方的緊急會議分析,采取以下措施:在第五道支撐與第六道支撐間增加一道直撐,暫停開挖第六道支撐下土方,對第五道支撐以下進行回填,停止高壓旋噴樁的施工,減少坑內降水深度從而減小基坑內外的水頭差,加密監(jiān)測頻率,及時反饋監(jiān)測數據,用信息化方法來指導后期的工程施工等。以上措施有效地控制的圍護結構的進一步變形,基坑變形速度明顯減慢,其中增加的一道鋼支撐作用尤為明顯。

7．3基坑支撐軸力

現在的支撐軸力一般采用廠家提供的軸力計時行量測,用振弦式軸力計實測出鋼支撐的實際頻率變化,再根據出廠時標定的頻率定值,求得支撐軸力。

一般計算分式:

P=K△F+b△T+B

式中:P——支撐軸力(kN);

K——軸力計的標定系數(kN/ F);

△F——軸力計輸出頻率模數實時測量值相對于基準值的變化量(F);

b——軸力計的溫度修正系數(kN/℃);

△T——軸力計的溫度實時測量值相對于基準值的變化量(℃);

B——軸力計的計算修正值(kN)。注:頻率模數F=f 2×10-3。

圖6　西端頭軸力累計變化曲線圖

支撐軸力實際上是支撐對周圍土壓力的集中反應,其數值和挖土順序、速度、深度密切相關[5]。在監(jiān)測的過程中,可以發(fā)現,鋼支撐軸力隨時間的變化曲線如圖6所示。一般而言,鋼支撐在安裝初期由于預加應力掉壓出現下降的情況,常常導致初期支撐軸力不太穩(wěn)定。隨著基坑的開挖,上一道的支撐軸力有所減小,而開挖面處的支撐軸力有所增加。開挖處的迎土側主動土壓力增大,卸載處的土壓力減小,從而圍護結構向坑內進一步位移,鋼支撐的軸力也逐步增大。從圖上也可以看出,越是位于基坑上部的支撐,其軸力較小,發(fā)展速度也較為均衡。而越是位于坑底的支撐,其軸力不但增加較明顯,同時其發(fā)展速度相對較快。

圖中的Z3為防止險情發(fā)展,而在第五道支撐與第六道撐之間增加的一道直撐,有效地控制了長邊的變形。與第五道撐初期預加應力只有250 kN一樣,這道增加撐初加應力也僅為410 kN,這一方面表現為上一道支撐代為受力,另一方面也反映預加應力損失較快。一般而言,預加應力應達到設計值的40%～60%,才能有效地控制開挖出險的初期變形。經過設計,施工多方研究與改進,將預加應力增加到設計值的80%,雖然掉壓仍然存在,但對控制基坑的進一步變形起到了積極的作用。

2012年11月下旬以后,隨著坑內結構施工加載增大被動土壓力以及邊坡應力釋放基本結束,基坑及周邊環(huán)境基本處于穩(wěn)定狀態(tài),位移量亦減小,整個基坑進入相對穩(wěn)定時期。隨后變形逐步停止。

8　結 語

(1)通過及時反饋地鐵施工引起的周邊環(huán)境變形情況,對變形明顯且達到或超過控制標準的地段及時發(fā)布預警或報警,使有關部門采取有效控制措施,消除安全隱患,確保了地鐵施工的順利進行。因此信息化施工在地鐵施工過程中必不可少。

(2)鋼支撐軸力在預加應力的過程中,常常會出現應力下降的現象。在鋼支撐尚未完全受力的情況下,如何更好地控制預加應力,對減少基坑變形有重要的意義,在后期的工作中也需要進一步研究。

(3)在深基坑的開挖過程中,在底部長邊處及時增加一道橫向支撐,從本文來看,具有較為重要的作用。但也僅限于出現緊急狀況,工期、費用、施工等問題均需要統(tǒng)籌考慮。

(4)對于重點段周邊沉降監(jiān)測顯示,落底式的地下連續(xù)墻對于控制周邊環(huán)境的下沉作用明顯。有樁基礎的建筑物比土體的下沉更加緩慢,下沉量也相對較小。

參考文獻

[1] DB42/159-2012．基坑工程技術規(guī)程[S]．

[2] 王鵬．地鐵基坑施工對周圍環(huán)境的影響分析[D]．上海:同濟大學,2009:20．

[3] 黃文亮．武漢地鐵范湖站深基坑降水技術應用[J]．隧道建設,2009(1):93～96．

[4] 劉國鋒,徐揚青,吳西臣．連續(xù)墻埋置深度對超深基坑降水效果的影響研究[J]．工程勘察,2014(1):51～58．

[5] 李慶偉,陳龍華,程金明．北京某深基坑監(jiān)測實例分析[J]．施工技術,2008,37(9):30～32．

Discussion and Analysis on Monitoring and Measurement of Key Excavation Sections of Wuhan Metro’s Fanhu Station

Zeng Rui,Yiao Yongli,Tu Chao
(Hubei Shenlong Institute of Geological Engineering Investigation,Wuhan 430030,China)

Abstract:In the process of excavation,the effects of geological conditions,support conditions,hydrological conditions,etc．may cause changes in supporting structure and surrounding environment,even result in serious loss of property and life．Taking the example of Wuhan Metro foundation excavation,this paper has presented the analysis to the key deformation sections of foundation excavation based on monitored deformation data of supporting structures,providing rigorous scientific data for all parties to take positive measures so as to ensure the safety of metro foundation excavation．

Key words:excavation monitoring;deep horizontal displacement;axial force;settlement;informatization construction

文章編號:1672-8262(2015)05-154-05中圖分類號:TU196,TU413．6

文獻標識碼:B

收稿日期:?2015—06—26

作者簡介:曾瑞(1972—),男,高級工程師,主要從事巖土工程監(jiān)測及研究工作。