基于監測信息平臺的地鐵車站基坑圍護結構深層水平位移分析探討

陳曉丹(廣州地鐵設計研究院有限公司,廣東廣州 510010)

基于監測信息平臺的地鐵車站基坑圍護結構深層水平位移分析探討

陳曉丹?
(廣州地鐵設計研究院有限公司,廣東廣州 510010)

摘 要:利用廣州地鐵監測信息平臺,對10個地鐵車站基坑圍護結構深層水平位移監測數據進行統計分析,定量上統計水平位移數據參數,定性上劃分出圍護結構深層水平位移八種典型曲線形態。提出對于深層水平位移監測數據分析,應包括曲線形態。結合統計結果和工程情況提出分析和建議。

關鍵詞:基坑監測;深層水平位移;監測信息平臺

1　概 述

對于基坑開挖施工過程圍護結構深層水平位移的監測,一般采用預埋測斜管,通過測斜儀觀測各深度位置水平位移的方法。工程上常將這種深層水平位移監測方法稱為“測斜監測”。樁身水平位移監測是目前基坑施工安全控制中最重要有效的監測方法[1],深層水平位移監測能夠對孔位的墻(樁)體全高度進行水平位移測試。

本文統計項目為廣州地鐵5號線土建施工第三方監測Ⅱ標段車站基坑,工程范圍上覆第四系地層,主要由全新統和上更新統人工填土、海陸交互相沉積層、沖洪積層和殘積層組成,下伏基巖為白堊系沉積層和震旦系變質巖。區域內基坑工程面臨主要不良地質作用有砂土、軟土、白堊系殘積層和花崗巖風化層遇水軟化等。區域內地下水豐富、埋深淺,一般水位埋深為地面下1 m～3 m,水位受季節、潮汐影響明顯。地下水賦存方式有第四系孔隙水和基巖風化裂隙水。各車站基坑支護結構設計概況如表1所示。

各基坑支護結構設計概況 表1

2　監測要求及監測信息平臺

2．1測點布設

沿圍護結構間隔20 m～30 m布置測斜管,測斜管埋設位置重點選擇位移較大(或危險)的位置。測斜管埋設質量控制重點一是要連接暢通;二是要保證埋設深度,使孔底要進入穩定地層;三是要做好標示和保護。

2．2監測周期和頻率

基坑第三方監測頻率,一般情況下間隔時間不超過7 d,在開挖階段,間隔時間不超過3 d,特殊情況下每天1次,基坑出現險情時需根據實際情況進行不限次數觀測。監測至車站主體結構施工完成以及土體回填完畢為止。

2．3報警值設置

監測設置報警值為累計水平位移超過25 mm ～30 mm,位移速率超過2 mm/ d。

2．4監測信息平臺

監測信息反饋是動態管理的基礎,信息反饋手段包括電話通知、書面文件、網絡通訊等。為提高監測信息反饋水平,廣州地鐵5號線專門開發了地鐵監測信息平臺[2]。業主要求監測單位在現場監測完成后6 h內將監測數據上傳至信息平臺,使有關方面可以通過先進的網絡信息手段,及時了解監測情況,查詢監測的歷史數據,對提高監測信息反饋速度和質量發揮了重要作用。近年來監測信息系統應用越來越多[3]。

文獻[4]介紹了廣州地鐵5號線開發的監測數據信息平臺。平臺結構劃分為三層(如圖1所示):①數據采集層:工程資料、人工或自動監測數據采集記錄并上傳;②數據中心層:工點圖形設計功能、系統權限管理功能、數據分析預測功能、系統數據修改功能、平差處理計算功能和監測報表生成功能;③用戶使用層:監測數據預警功能、本期數據查詢功能、歷史數據查詢功能、圖形曲線查詢功能、數據使用提示功能和工程進度查詢功能。

圖1　監測信息平臺結構框圖

本線路工程施工中,監測結果通過信息平臺快速反饋給管理部門和施工現場,達到報警時系統自動進行判別報警,有關方面及時采取了相應的應對措施,全部工程安全建成。

本文利用該平臺數據查詢功能,進行多基坑監測數據的統計,利用大數據對基坑圍護結構體深層水平位移規律進行分析。

3　監測數據統計及分析

3．1監測數據統計

參加統計基坑數量10個,測斜孔179個,主要統計累計位移和位移速率兩項指標,數據統計結果如表2所示。

從表2可以看出,參加統計的基坑平均開挖深度18．5 m,累計位移最大值74．4 mm,單日最大位移量9．1 mm,最大位移位置大部分在中間偏下位置。達到報警值孔數有70個,占統計孔數的39%。每個基坑均有墻體累計水平位移和位移速率達到報警值,部分基坑累計位移較大,位移速率也較大。

從統計結果還可以看出,對于設置內支撐體系的地鐵車站基坑,開挖到一定深度以后,圍護結構體水平位移最大值一般出現在基坑開挖深度的中部以下位置。

根據統計結果分析,雖然全部基坑工程實現安全施工,但部分基坑累計位移最大值和位移速率最大值較大,達到報警狀態的測孔數量也較多,應提高設計安全度,加強施工控制措施,將位移總量和位移速率控制在更小范圍內,更好規避施工風險,確保工程安全。

本項目以監測為依托的工程動態管理實踐證明,深層水平位移監測在反映基坑安全狀態、指導基坑動態設計和動態施工控制方面發揮了重要作用。

3．2深層水平位移典型曲線形態

監測過程中,除了根據深層水平位移監測結果當前的水平位移累計值、變化速率和歷史數據判斷圍護結構的安全性外,對墻體深層水平位移變化曲線形態進行觀察分析,可以更好地判斷監測結果的合理性和可靠性,結合設計和施工情況,分析位移發展原因,提出工程建議措施。

正常曲線形態是基坑支護設計、施工控制、水文地質和周邊環境等的綜合反映,曲線形態與這些影響因素應相符合,否則應分析原因。

本文利用廣州地鐵監測信息平臺圖件曲線查詢功能,對測孔深層水平位移曲線狀態進行觀察研究,列出工程測試中出現的幾種典型曲線形態(如圖2所示),提出各形態曲線產生原因和應采取的對策措施(如表3所示)。

圖2和表3將測孔深層水平位移曲線劃分為8種典型曲線形態,第1種～4種曲線形態屬正常測試形態,第4種～5種形態需認真分析,判斷是正常測試結果還是測試偏差,第7種～8種形態屬測試偏差。實際工程中的測試曲線,有可能是其中某種形態,也有可能是其中兩種或多種形態結合的結果。

圖2　深層水平位移八種典型曲線形態

序號曲線形態名稱　曲線形態描述　產生原因分析　　對策措施1　喇叭狀從上到下呈從大到小的漸變曲線,曲線呈向上張開的半喇叭口狀。設計圍護結構為懸臂形式;未及時施加首層支撐。重點注意頂部位移發展情況;盡快施加第一道支撐。2　中鼓狀中部鼓出,呈拋物線狀。鼓出位置處于開挖面上部,隨著開挖深度的加大逐漸下移。內支撐施工時常見情況。與開挖進度和設計參數比較,判斷位移量是否處于正常范圍值。3　底鼓狀中下部鼓出段較長,水平位移總量大。縱向支撐間距過大;超挖、未及時架設內支撐;設計支撐剛度不夠。提醒現場單位嚴禁超挖,及時設置支撐或加密支撐布置;判斷位移量是否處于正常范圍值;觀測圍護結構是否出現水平向裂縫。4　反向位移(頂部)向基坑外位移。基坑偏壓受力;巖土層結構面有規律傾斜;支撐應力過大。與墻頂水平位移位移測點觀測結果進行比較,并分析原因。5　不規則　不規則曲線,多呈波浪形。墻體剛度較小,支撐位置位移相對較小;地層影響。復測并分析原因,注意結合支撐位置、附近土層情況進行分析。6　錯動狀　錯動情況。測斜管或圍護結構出現錯動。復測并分析原因。

7　底部轉動從底部起曲線即開始傾斜,測出的水平位移值偏小。測斜管埋設深度不夠,管底部已有位移。埋管時底部應進入不動部位一定深度。可結合圍護結構頂部水平位移點位移情況進行修正。8　始齒狀　初始幾個測點的變化不規則。測斜傳感器在孔底靜置時間不夠,傳感器狀態未穩定即開始測試。復測。嚴格按照深層水平位移操作細則作業。

測試曲線使用前需初步判斷測試結果是否正常合理。水平位移監測數據質量的一個重要條件,是深層水平位移曲線底部應有一段垂直線段,靠近開挖面時,曲線逐步傾斜彎曲,這表明測斜管底部埋設至不動地層,靠近開挖面時圍護結構開始逐漸產生位移。如果深層水平位移曲線底部一開始就出現傾斜,說明測試起點處于已發生位移位置,整個測斜孔的監測數據會產生偏差,結果分析時需考慮該因素,必要時進行數據修正。另外,孔底開始觀測數據不正常跳躍(曲線反映為鋸齒形狀),應是測斜傳感器在孔底靜置時間不夠,傳感器溫度處于變化狀態即開始測試,影響測試數據的準確性。

從曲線形態分析可以看出,對于深層水平位移監測數據,除了常規上對累計位移量、位移速率以及歷史數據的分析,還應包括曲線形態的分析,這四個方面都是必不可少的。人們往往關注累計位移量、位移速率和歷史數據分析,缺乏對曲線形態的分析,這樣對監測結果的分析是不夠全面的,難以查明位移產生的原因,從而采取有效對策。監測人員需不斷總結經驗,測試數據出來后首先判斷測試結果是否合理可靠,然后根據監測數據分析四個方面特征,結合工程情況綜合思考,提出針對性強的分析意見和建議。

3．3深層水平位移影響因素

利用監測信息平臺,結合工程實際情況,我們分析了影響地鐵基坑圍護結構深層水平位移的因素,主要包括以下幾個方面:

一是支護方式的影響。地鐵車站基坑圍護結構主要采用連續墻和圍護樁兩種形式。連續墻結構整體性好,特別是防水性能好,適應性好,對施工安全控制有利,但造價較高。采用圍護樁結構樁間止水處理難度較大。

二是地層條件的影響。地層條件的影響明顯,出現位移較大的基坑,大都軟土厚度較大。個別基坑在開挖初期就有明顯的位移,基坑開挖深度僅4 m,就發現明顯的水平位移,經及時采取措施后位移才得到控制。

三是施工控制的影響。設計工作完成后,施工措施是影響位移最主要的因素。除了開挖卸載引起預料中的位移外,影響最明顯的是支撐架設的時機。監測中部分基坑多次發現超挖引起的位移異常增大,經報警提醒后,采取措施加快支撐的架設,控制了位移的繼續發展。

須重視基坑施工控制中容易出現超挖的問題。如果因超挖過多,位移或結構的位移變化率太大,造成結構損傷,混凝土結構出現裂縫時,還應采取措施消除因此造成的安全隱患。

鋼支撐拆除階段,圍護結構會出現一定程度的位移突變,支撐拆除后應及時監測。監測結果還表明,爆破施工也會使圍護結構的位移增大。由于爆破施工原因,在同一位置多次發現超過1 mm的位移。爆破振動過大除了影響圍護結構位移外,還可能會影響支撐體系穩定性,對爆破施工必須采取有效的控制措施。

監測表明,施工中超挖、支撐架設不及時是深層水平位移異常增大最重要的影響因素,應嚴禁超挖施工。

四是周邊環境條件的影響。周邊環境條件影響包括附近工程施工、地面開裂造成雨水下滲、周邊地下給排水管線開裂滲漏、地面水系的存在和地面堆載等。

五是工程動態管理的影響。當監測發現位移出現異常情況時,必須迅速采取對策,防止位移的繼續發展。通常采取的措施有:①進一步確認監測數據:包括檢查儀器狀態、測量記錄和計算過程、工況是否吻合、必要的復測等;②信息反饋:異常情況信息要及時反饋到規定的有關部門和人員;③分析原因,采取措施:會同業主、監理、施工、設計和政府監管部門等綜合分析原因,根據情況采取必要措施,控制位移的發展。

需要指出,雖然深層水平位移是反映基坑安全狀況的一個最主要監測指標,但影響基坑安全的因素是多方面的,例如對圍護樁形式的基坑,出現樁間涌水涌砂風險極大。要保證基坑安全,需結合其他監測數據、現場巡視等手段綜合分析判斷。

4　結 語

(1)本文利用工程項目開發的監測信息平臺查詢功能,對多個基坑圍護結構體水平位移進行統計,為工程經驗積累提供參考材料。作者從定量上統計這些基坑圍護結構體水平位移數據,定性上劃分出圍護結構體水平位移8種典型曲線形態,實際測試曲線應是這8種形態中的1種,或者是其中2種或2種以上形態的組合。

(2)定量統計結果表明,本標段地鐵車站基坑的設計和施工措施總體上是合理的,但安全度需加強。

(3)對定性分類得出的深層水平位移8種典型曲線形態,說明了各自的特征、產生原因,提出應采取的對策措施。提出工程上對于深層水平位移監測數據,除了累計位移量、位移速率以及歷史數據的分析,還應包括曲線形態的分析。

(4)影響深層水平位移的因素是多方面的,本標段監測分析指出,施工中超挖是造成圍護結構水平位移過大的最主要原因,必須重視。

(5)雖然深層水平位移是反映基坑安全狀況的一個重要監測指標,但影響基坑安全的因素是多方面的。要保證基坑安全,需結合其他監測數據、現場巡視等手段綜合分析判斷。

參考文獻

[1] 任建喜,高廷廷．地鐵車站深基坑圍護結構變形規律監測研究[J]．西安科技大學學報,2011(4)．

[2] 周二眾,劉星,青舟．深基坑監測預警系統的研究與實現[J]．地下空間與工程學報,2013,9(1)．

[3] 郝傳才．地鐵監測信息系統的應用[J]．廣州建筑,2006, 34(5):33～36．

[4] 孫國峰．淺談深基坑水平位移監測[J]．科技創新導報, 2008．

Analysis and Investigation of Deep Horizontal Displacement of Metro Stations’Excavation Retaining Structure Based on Monitoring Information Platform

Chen Xiaodan
(Guangzhou Metro Design and Research Institute Co．,Ltd．Guangzhou,510010 China)

Abstract:By using Guangzhou metro monitoring information platform,the deep horizontal displacement monitoring data of ten metro stations’excavation retaining structure are counted and analysed,the parameters of horizontal displacement are counted quantitatively and eight typical curve forms of deep horizontal displacement of excavation retaining structure are divided qualitatively．The conclusion is put forward that the analysis of deep horizontal displacement monitoring data should be considered with curve forms and analysis and suggestion are made by combining with statistical results．

Key words:excavation monitoring;deep horizontal displacement;monitoring information platform

文章編號:1672-8262(2015)04-165-04中圖分類號:TU196+．4

文獻標識碼:B

收稿日期:?2015—04—30

作者簡介:陳曉丹(1963—),男,高級工程師,研究方向為工程勘測。