基坑工程的信息化施工監(jiān)測(cè)分析與實(shí)踐

馮翠霞 （華建集團(tuán)股份有限公司申元巖土工程有限公司，上海 200040）

1 引言

隨著近年來(lái)城市建設(shè)的不斷發(fā)展，基坑工程呈現(xiàn)出開(kāi)挖深度深、面積大、設(shè)計(jì)復(fù)雜、環(huán)境保護(hù)要求高的特點(diǎn)。由于城市土地資源的緊缺和局限性，使得基坑工程一直都是巖土工程中一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題[1-5]。

一般來(lái)說(shuō)，城市地道起著分流車輛、優(yōu)化城市交通的作用，故多設(shè)計(jì)在城市主干道。但在基坑施工階段，由于交通擁擠、場(chǎng)地不足、管線雜亂，兩邊各種建筑物和構(gòu)筑物林立，制約地道基坑工程的安全施工。所以，開(kāi)展城市地道基坑圍護(hù)及鄰近建、構(gòu)筑物的變形監(jiān)測(cè)研究，對(duì)基坑工程的安全建設(shè)具有重要意義。

在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，由于地質(zhì)條件、荷載條件、材料性質(zhì)、施工條件和外界其它因素的復(fù)雜影響，很難單純從理論上預(yù)測(cè)工程中可能遇到的問(wèn)題，而且，理論預(yù)測(cè)值不一定能全面準(zhǔn)確地反映工程的各種變化。所以，在理論指導(dǎo)下有計(jì)劃地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工程監(jiān)測(cè)已成為現(xiàn)今保障基坑工程安全施工的重要有效的手段之一。特別是對(duì)于類似本工程復(fù)雜的、規(guī)模較大的工程，就必須在施工組織設(shè)計(jì)中制定和實(shí)施周密的監(jiān)測(cè)計(jì)劃。本文通過(guò)對(duì)某地道基坑圍護(hù)變形和鄰近建、構(gòu)筑物沉降的監(jiān)測(cè)分析，探討了軟土地區(qū)城市地道基坑工程施工中的一些問(wèn)題。

2 工程概況

上海市區(qū)某地道工程，路線總長(zhǎng)1095.16m，分南地道和北地道，其中南側(cè)地道全長(zhǎng)約760m，北側(cè)地道全長(zhǎng)約500m。

2.1 地質(zhì)條件

沿線場(chǎng)地45.30m深度范圍內(nèi)地基土均屬第四紀(jì)濱海～河口相、淺海相、沼澤相和河口～湖澤相沉積物。主要由粘性土、粉土及砂土組成，一般呈水平層理分布。根據(jù)地基土的特征、成因、年代及物理力學(xué)性質(zhì)可劃分為8個(gè)主要層次，其中第②、⑦層根據(jù)土性不同劃分為若干個(gè)亞層，第⑦l層中局部分布有第⑦1t層。

地下水類型分淺部土層潛水和深部土層(第⑦層)承壓水。因本工程涉及深基坑，故淺部的潛水及第⑦層中的承壓水與本工程建設(shè)密切相關(guān)。

2.2 周圍環(huán)境

地道沿線場(chǎng)地路網(wǎng)密布、交通繁忙、人口密集，建筑物眾多，并下穿內(nèi)環(huán)線高架及軌道交通3號(hào)線等重要構(gòu)筑物。兩側(cè)建筑林立，地道距南北兩側(cè)建筑物距離均較小，基本上沒(méi)有預(yù)留人行便道的空間。地道主體結(jié)構(gòu)暗埋段NA21、NA22段距磚混結(jié)構(gòu)多層住宅最近僅6.0m，主體結(jié)構(gòu)外側(cè)尚有Φ850三軸攪拌樁及DN800雨水管道。主體結(jié)構(gòu)暗埋段BA06段距磚混結(jié)構(gòu)多層住宅最近僅5.1m，主體結(jié)構(gòu)外側(cè)尚有Φ850三軸攪拌樁及DN1000雨水管道。

2.3 圍護(hù)設(shè)計(jì)

A段分布有環(huán)高架橋、輕軌橋墩及大連路立交橋墩，對(duì)變形控制要求非常高，故設(shè)計(jì)采用了Φ850～1000mm 的鉆孔灌注樁作圍護(hù)結(jié)構(gòu)（坑外設(shè)兩排攪拌樁進(jìn)行止水），以期通過(guò)提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，起到減小和控制基坑開(kāi)挖過(guò)程中引起的變形。基坑其余部位，坑外荷載相對(duì)較小，采用Φ650～850mm三軸攪拌樁內(nèi)插型鋼（密插）作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

為增強(qiáng)整個(gè)支護(hù)體系的剛度和強(qiáng)度，采用鋼筋混凝土支撐體系，混凝土強(qiáng)度適當(dāng)提高至等級(jí)C35。

3 基坑監(jiān)測(cè)內(nèi)容

考慮到本工程具有基坑開(kāi)挖深度較深，基坑邊距離較長(zhǎng)；基坑離民房樓較近，居民生活區(qū)管線較多；基坑穿過(guò)輕軌線、內(nèi)環(huán)線和立交橋等重要交通線下；第②3層粘質(zhì)粉土，滲透系數(shù)較大等特點(diǎn)。因此，監(jiān)測(cè)工作必須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)等有關(guān)方面的變形控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)施[6-8]，同時(shí)對(duì)周邊道路、建筑物及基坑本體作重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

圖1 輕軌線承臺(tái)附近基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面設(shè)計(jì)圖

測(cè)點(diǎn)布置主要選擇在約3倍基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)布點(diǎn)，設(shè)置的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：①周邊建、構(gòu)筑物變形監(jiān)測(cè)（F1～F78、G1～G10）；②圍護(hù)頂部變形監(jiān)測(cè)（Q1～Q120）；③支撐軸力監(jiān)測(cè)(Z1～Z33）；④坑外水位觀測(cè)（SW1～SW35）。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 周邊建、構(gòu)筑物變形監(jiān)測(cè)分析

圖3為該地道工程鄰近重點(diǎn)監(jiān)測(cè)建筑物——C區(qū)642號(hào)房屋的地表沉降隨時(shí)間變化曲線圖，其各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置如圖2所示。

從圖中曲線變化規(guī)律可見(jiàn)，在同一剖面，測(cè)點(diǎn)沉降大致隨距基坑的距離增大而減小。其中測(cè)點(diǎn)F61和F62沉降小（小于5mm）且穩(wěn)定，故判斷地道基坑開(kāi)挖對(duì)此處的影響已經(jīng)較小，所以選擇3倍于基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)布點(diǎn)是合理的。而測(cè)點(diǎn)F60、F63～F66布設(shè)在基坑附近，沉降較大，但同時(shí)這些測(cè)點(diǎn)因區(qū)間位置不同又表現(xiàn)出差異性：F60、F63測(cè)點(diǎn)沉降較小，分析是因?yàn)樽髠?cè)即為輕軌線橋墩所在，該處設(shè)計(jì)施工上對(duì)沉降控制嚴(yán)格，所以鄰近的F60、F63測(cè)點(diǎn)的沉降也得到了一定的控制；F64～F66測(cè)點(diǎn)的沉降較大，其中F65接近報(bào)警值，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和基坑支護(hù)，以控制沉降的進(jìn)一步發(fā)展。

地道場(chǎng)地土層性質(zhì)

圖5為地道工程中輕軌線承臺(tái)地表沉降隨時(shí)間變化曲線圖，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示。

該區(qū)域基坑設(shè)計(jì)為Φ850～1000mm的鉆孔灌注樁作圍護(hù)結(jié)構(gòu)+坑外設(shè)兩排攪拌樁進(jìn)行止水，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，更為嚴(yán)格的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)使得該區(qū)域處的沉降得到了很好的控制。在統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)，進(jìn)行的是南側(cè)地道的開(kāi)挖施工，故從圖中曲線也可反映出，施工對(duì)北側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)G7、G8的影響較小。對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)G9及G10，在8月18日左右，因鄰近基坑開(kāi)挖圍護(hù)，位移有較大變化，但隨后即緩慢回落，并趨于穩(wěn)定。沉降控制在報(bào)警值范圍內(nèi)，保證了輕軌線的安全運(yùn)營(yíng)。

4.2 圍護(hù)頂部變形監(jiān)測(cè)

圍護(hù)頂部變形監(jiān)測(cè)共設(shè)置了120個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分布于南北地道圍護(hù)頂部?jī)蓚?cè)。圖6和圖7為其中Q42和Q48測(cè)點(diǎn)布置圖及其圍護(hù)頂部豎向位移隨時(shí)間變化曲線圖。Q42測(cè)點(diǎn)處，圍護(hù)頂部變形較小且基本穩(wěn)定；Q48測(cè)點(diǎn)處，圍護(hù)頂部變形較大，9月2號(hào)后沉降進(jìn)一步加大，究其原因，應(yīng)為這段時(shí)間該區(qū)域地下結(jié)構(gòu)施工，對(duì)圍護(hù)的擾動(dòng)較大。

同時(shí)，圍護(hù)頂部水平位移在支撐的控制下，基本穩(wěn)定在4～5mm之間。

4.3 支撐軸力監(jiān)測(cè)分析

圖8和圖9為南側(cè)地道Zi-8測(cè)點(diǎn)的布置圖及其支撐軸力隨時(shí)間變化的曲線圖。該處為地道暗埋段，開(kāi)挖深度較大，支撐系統(tǒng)包含三道支撐，分別為第一道混凝土支撐和第二、三道鋼支撐。

圖2 C區(qū)642號(hào)房屋監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

圖3 C區(qū)642號(hào)房屋地表沉降隨時(shí)間變化曲線

圖4 a4輕軌線承臺(tái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

圖5 輕軌線承臺(tái)地表沉降隨時(shí)間變化曲線

圖中可見(jiàn)，支撐軸力受開(kāi)挖深度影響密切。當(dāng)開(kāi)挖深度較小時(shí)，第一道支撐受力，表現(xiàn)為軸力小且較為穩(wěn)定，土體自身能較好地控制位移；隨著開(kāi)挖深度加大，第二道支撐施作并開(kāi)始與第一道支撐共同發(fā)揮作用，兩者的軸力都表現(xiàn)為逐漸增大；開(kāi)挖深度繼續(xù)加大時(shí)，第三道支撐施作，由于此時(shí)主動(dòng)土壓力大且第二道支撐在第二天即被拆除，故第三道支撐上的軸力增加很快，并超過(guò)第一道支撐的軸力，起著主要地控制土體位移的作用。第一道支撐的軸力最終也趨于穩(wěn)定。

另外，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，在基坑開(kāi)挖的支撐和換撐階段，是軸力變化的敏感期，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，保障基坑始終處于安全運(yùn)行的狀態(tài)。

4.4 坑外水位觀測(cè)

圖6 圍護(hù)頂部變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)Q42和Q48布置圖

圖7 圍護(hù)頂部Q42和Q48豎向位移隨時(shí)間變化曲線

圖8 Zi-8支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖9 Zi-8支撐軸力隨時(shí)間變化曲線

圖10和圖11為SW8和SW9測(cè)點(diǎn)的布置圖及其坑外潛水水位隨時(shí)間變化曲線圖。監(jiān)測(cè)資料顯示，在9月16日前后，測(cè)點(diǎn)附近區(qū)域進(jìn)一步開(kāi)挖施工并架設(shè)第三道支撐，因此測(cè)點(diǎn)在該時(shí)間段水位下降較快。對(duì)比SW8和SW9曲線變化規(guī)律，SW9測(cè)點(diǎn)經(jīng)短暫水位下降后，四天后水位即得到恢復(fù)，而SW8測(cè)點(diǎn)水位有明顯下降，并最終在約1.2m深度趨于穩(wěn)定。可見(jiàn)，SW8觀測(cè)處的攪拌樁的咬合不夠緊密，樁體間存在著裂隙。所以，通過(guò)對(duì)坑外水位的變化監(jiān)測(cè)分析，可以在一定程度上反映該處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和止水效果。另一方面，由于SW9測(cè)點(diǎn)靠近輕軌線橋墩，沉降控制嚴(yán)格，對(duì)施工質(zhì)量提出了更高的要求，基坑止水效果較好，故坑外水位受坑內(nèi)施工影響小。

圖10 坑外水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)SW8、SW9的布置圖

圖11 SW8、SW9坑外潛水水位隨時(shí)間變化曲線

5 結(jié)語(yǔ)

①在本工程中選擇3倍基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)是合理的；提高圍護(hù)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度及止水標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)基坑圍護(hù)及臨近建、構(gòu)筑物的變形能起到很好的控制作用。

②基坑圍護(hù)頂部變形受工況影響明顯，在開(kāi)挖施工階段尤需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，信息化施工，避免圍護(hù)發(fā)生明顯位移而失穩(wěn)；支撐能有效控制圍護(hù)的水平位移，故施作合適的支撐是基坑圍護(hù)穩(wěn)定的保障。

③支撐軸力隨開(kāi)挖深度的增大而增大，且下一道撐的架設(shè)能有效地分擔(dān)不斷增大的主動(dòng)土壓力。在開(kāi)挖支撐或換撐階段，支撐軸力會(huì)發(fā)生顯著變化，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)及時(shí)調(diào)整支撐系統(tǒng)的受力均衡問(wèn)題，使得整個(gè)基坑開(kāi)挖過(guò)程能始終處于安全、可控的范疇內(nèi)。

④通過(guò)對(duì)坑外地下水位的觀測(cè)，可用于判斷圍護(hù)結(jié)構(gòu)的止水效果。在基坑開(kāi)挖施工中，需密切關(guān)注坑外水位的變化情況，當(dāng)水位持續(xù)下降時(shí)，應(yīng)提醒施工單位進(jìn)行及時(shí)、有效的堵漏準(zhǔn)備工作，防止施工中發(fā)生大面積涌砂現(xiàn)象。