北方冬期明挖基坑變形監(jiān)測分析研究

宋吉超

(北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,北京 100101)

0 引 言

長春市屬寒溫帶大陸型季風(fēng)氣候,四季分明,春季干旱多風(fēng),夏季炎熱多雨且短暫,秋季涼爽溫差大,冬季嚴寒而漫長。歷年各月極端最高氣溫38℃,最低氣溫-36.5℃,多年平均氣溫4.9℃,凍結(jié)期長達5個多月,12～4月份平均氣溫零下17℃,土的凍結(jié)深度為1.5～1.8 m,春季來臨后氣溫逐漸升高。

城市軌道交通工程具有建設(shè)規(guī)模大、建設(shè)周期長、地質(zhì)條件和環(huán)境條件復(fù)雜、工程風(fēng)險高的特點,我國北方土體表層冬凍春融,在其凍融循環(huán)的過程中對工程風(fēng)險的提高可謂是雪上加霜,土體性質(zhì)的變化將直接影響地鐵深基坑支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。尤其是秋冬和冬春冷暖交替季節(jié)是北方城市地下管線泄漏的多發(fā)期,再加上復(fù)雜的地質(zhì)條件等種種因素更是使軌道交通工程建設(shè)風(fēng)險難以控制。因此,冬期停工期間的監(jiān)測在風(fēng)險管控中的作用就尤為重要,監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性為工程安全復(fù)工提供了重要的保障。

1 工程概況

長春市地鐵2號線袁家店站位于綠園區(qū)雙豐鄉(xiāng)袁家店,在西四環(huán)路與站前街交叉口的東北角,為換乘車站,規(guī)劃輕軌6號線在地鐵以南平行從地下穿過。袁家店站廳公共區(qū)為遠期預(yù)留接口,本期3、4號出入口為預(yù)留口。場地以北為荒地及高壓鐵塔線路,以西為西四環(huán)路,以南為民用住宅,以東為荒地及道路。本車站周邊環(huán)境主要以荒地為主,根據(jù)現(xiàn)有管線資料,基坑施工范圍內(nèi)無管線,如圖1所示。

圖1 袁家店站平面示意圖

2 結(jié)構(gòu)形式與施工方法

袁家店站為地下島式車站,站臺寬度為13 m,車站寬度為20.5～32.9 m,有效站臺長 118 m,車站全長 310 m。其中現(xiàn)澆段 122 m,裝配段 188 m,車站主體覆土3.0～5.0 m左右,部分為雙層三跨箱型框架結(jié)構(gòu),部分為裝配式管片結(jié)構(gòu)。車站西側(cè)區(qū)間采用盾構(gòu)法和單洞雙線暗挖法施工,樓板處需為盾構(gòu)提供接收條件,東側(cè)采用盾構(gòu)法施工,樓板結(jié)構(gòu)需為盾構(gòu)提供始發(fā)條件。車站附屬結(jié)構(gòu)包含2個風(fēng)亭、3個出入口、2個疏散口、1個緊急疏散口及1個預(yù)留出入口,均采用明挖法施工。

基坑平面布置:基坑長度310 m,裝配段 188 m,現(xiàn)澆段 122 m,如圖2所示。

圖2 基坑支護結(jié)構(gòu)平面示意圖

車站現(xiàn)澆段及裝配段基坑橫斷面:圍護樁+鋼支撐和圍護樁+豎向五道錨索錨拉的支護形式,如圖3所示。

圖3 車站現(xiàn)澆段及裝配段基坑橫斷面示意圖

3 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

擬建長春地鐵2號線一期工程袁家店站位于松遼波狀平原東緣與吉東山地接址帶,屬長春波狀臺地,地勢北高南低,地面高程202.72～210.23 m,場地整平標(biāo)高為 204.515 m。場地北部填土較厚,為土坡,高程在206.48～210.23 m。根據(jù)地質(zhì)報告場區(qū)地層由雜填土、黏土及泥巖組成;第一層為雜填土厚度1.2～7.9 m,第二層為粉質(zhì)黏土厚度 2.6 m,第三層為全風(fēng)化泥巖厚度2～7 m,第四層為強風(fēng)化泥巖厚度16.9～22.3 m。

現(xiàn)場勘察過程中,于鉆探過程中發(fā)現(xiàn)一層地下水,為碎屑巖類裂隙水。含水層巖性為泥巖與泥質(zhì)粉砂巖,無穩(wěn)定水位,主要接受上層潛水的滲透補給及側(cè)向的徑流補給,排泄方式主要為相對含水層中的徑流形式。在勘察過程中遇少量上層滯水,水量不大,水位埋深2.90～8.50 m(高程199.42～202.46 m),主要賦存于泥巖中。其主要補給來源為大氣降水和地表水入滲,排泄方式主要為蒸發(fā)和微弱的徑流排泄,并向下滲透補給巖石含水層。其水位具有明顯的豐、枯水期變化,豐水期水位上升,枯水期水位下降,年變化平均值約 1.00 m,場地整平后最高水位為地表以下 1.50 m,如圖4所示。

圖4 地層及地下水位分布示意圖

4 風(fēng)險工程及監(jiān)測重點

袁家店站主體明挖基坑結(jié)構(gòu)工程自身風(fēng)險等級為一級,無周邊環(huán)境風(fēng)險,綜合判定本工程監(jiān)測等級為一級,如表1所示。

表1 風(fēng)險源工程統(tǒng)計表

本工程周邊環(huán)境較為簡單,監(jiān)測重點基坑結(jié)構(gòu)自身,主要是基坑開挖時周邊地表沉降及差異沉降和基坑軸力等關(guān)鍵工序的施工時,對其巡查及監(jiān)測力度應(yīng)加強,關(guān)注基坑自身的變形。

車站范圍內(nèi)地下水位高于結(jié)構(gòu)底板,采用降水施工,現(xiàn)場巡查過程中要加強關(guān)注地下水的控制情況,土方開挖時樁間易造成滲漏水、涌泥等對工程自身及周邊環(huán)境造成不利影響,施工過程需著重加強巡查工作。

5 監(jiān)測工作內(nèi)容及要求

5.1 監(jiān)測范圍

本工程監(jiān)測范圍為基坑自身支護結(jié)構(gòu)及施工影響范圍內(nèi)的周邊環(huán)境。周邊環(huán)境監(jiān)測范圍取從基坑邊緣向外2倍開挖深度或從隧道中線向外2倍隧道埋深即2.0H(H為基坑開挖深度或隧道底板埋深)且不小于 30 m范圍,其中地下水位監(jiān)測選擇基坑四角和長邊中點。

5.2 儀器監(jiān)測對象、項目及精度

儀器監(jiān)測的對象、項目、儀器及精度如表2所示。

表2 儀器監(jiān)測的對象、項目、儀器及精度

5.3 現(xiàn)場監(jiān)測頻率

結(jié)合施工工況和凍土特點監(jiān)測頻率調(diào)整為:主體基坑開挖期間1次/2天,冬期停工期間1次/7天;結(jié)構(gòu)施工期間,1次/周;經(jīng)數(shù)據(jù)分析確認達到基本穩(wěn)定后1次/月。

5.4 監(jiān)測點布設(shè)及監(jiān)測方法

(1)地表沉降監(jiān)測:為保護測點不受碾壓影響,道路及地表沉降測點標(biāo)志采用窖井測點形式,采用人工開挖或鉆具成孔的方式進行埋設(shè)。觀測采用幾何水準(zhǔn)測量方法,使用Trimble DINI03電子水準(zhǔn)儀觀測,采用電子水準(zhǔn)儀自帶記錄程序,記錄外業(yè)觀測數(shù)據(jù)文件。監(jiān)測點監(jiān)測主要技術(shù)指標(biāo)按《工程測量規(guī)范》GB50026—2007三等垂直位移監(jiān)測網(wǎng)技術(shù)要求觀測,采用閉合水準(zhǔn)路線時可以只觀測單程,采用附合水準(zhǔn)路線形式必須進行往返觀測,取兩次觀測高差中數(shù)進行平差。往測的觀察順序:后、前、前、后,返測的觀察順序:前、后、后、前。

(2)樁頂沉降監(jiān)測:監(jiān)測點埋設(shè)在冠梁的頂部用沖擊鉆鉆出深約 10 cm的孔,再把監(jiān)測標(biāo)志(小棱鏡)放入孔內(nèi),縫隙用錨固劑填充。樁頂沉降監(jiān)測采用幾何水準(zhǔn)測量方法,使用Trimble DINI03電子水準(zhǔn)儀進行觀測,其技術(shù)要求及觀測注意事項與道路地表沉降監(jiān)測相關(guān)要求一致。

(3)樁頂水平位移監(jiān)測:監(jiān)測點埋設(shè)在冠梁的頂部用沖擊鉆鉆出深約 10 cm的孔,再把監(jiān)測標(biāo)志(小棱鏡)放入孔內(nèi),縫隙用錨固劑填充。本工程根據(jù)現(xiàn)場條件,監(jiān)測點水平位移觀測采用極坐標(biāo)法。

(4)支撐軸力監(jiān)測:軸力計采用頻率讀數(shù)儀進行讀數(shù),監(jiān)測精度達到0.25%F·S,并記錄溫度。

6 監(jiān)測成果分析說明

本文監(jiān)測成果分析說明只針對袁家店站主體基坑冬期停工期間,主要目的是為了避免現(xiàn)場施工擾動和車輛荷載等影響,各項監(jiān)測數(shù)據(jù)分析取值時間段為:2015年11月10日～2016年4月10日。

2015年11月10日,袁家店站主體基坑進入冬期停工狀態(tài)。拼裝段15軸至32軸墊層鋪設(shè)完成,開挖長度 120 m;32軸至38軸之間第五層錨索張拉完成,開挖長度 48 m;38軸至40軸之間正在張拉第四層錨索,開挖長度 15 m,開挖深度 25 m;40軸至43軸之間正在張拉第三層錨索,長度 15 m,深度 20 m。現(xiàn)澆段主體已完成,目前已回填,東側(cè)端頭旋噴樁施工完畢。

2016年4月10日,袁家店站主體基坑復(fù)工,開始進行管片拼裝施工。

氣溫說明(圖5):2015年長春市入冬以來氣溫逐漸降低,從11月15日開始日最低氣溫穩(wěn)定在0℃以下,同年12月26日最低氣溫達到-24℃;2016年1月22日,整個冬期氣溫最低點達到-28℃;從3月9日開始氣溫逐步回升,3月31日氣溫為5℃,此時正式回升至0℃以上,4月6日氣溫最高達到17℃;整個冬期平均氣溫為-11℃。

圖5 階段性歷史氣溫統(tǒng)計表

6.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

階段變化及累計變化最大值統(tǒng)計如表3所示。

表3 階段變化及累計變化最大值統(tǒng)計

6.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

(1)地表沉降監(jiān)測

本期基坑周邊地表沉降測點自入冬以來監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較為平穩(wěn),如圖6所示,直至2016年3月31日氣溫開始回升至零上,此階段土體處于凍融期,監(jiān)測點數(shù)據(jù)存在明顯上浮情況。測點DBC-11累計變形值從+3.9 mm上浮至+18.5 mm后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定,階段變形量為+14.6 mm;測點DBCJ-11累計變形值從-9.7 mm上浮至-3.2 mm后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定,階段變形量為+6.5 mm;測點DBCJ-10累計變形值從-78.2 mm上浮至-63.6 mm后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定,階段變形量為+14.6 mm;測點DBC-10累計變形值從-79.2 mm上浮至-66 mm后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定,階段變形量為+13.2 mm。

圖6 長春地鐵2號線袁家店站主體基坑地表沉降時程曲線圖

(2)樁頂沉降監(jiān)測

本期基坑支護結(jié)構(gòu)樁頂沉降監(jiān)測點自入冬以來整體監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較為平穩(wěn),冬期數(shù)據(jù)有較小的沉降起伏波動,如圖7所示,直至2016年2月25日氣溫開始逐步回升,此階段凍層最下方土體開始緩慢融化,監(jiān)測點數(shù)據(jù)存在較小的上浮情況。測點ZDCJ-3累計變形值從+1.2 mm上浮至+5.8 mm后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定,階段變形量為+4.6 mm;ZDCJ3-Z累計變形值從+1.5 mm上浮至+6.5 mm后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定,階段變形量為+5 mm;ZDCJ4-Z累計變形值從-1.9 mm上浮至+3.5 mm后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定,階段變形量為+5.4 mm;ZDCJ6-Z累計變形值從-3.1 mm上浮至+3.8 mm后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定,階段變形量為+6.9 mm。

圖7 長春地鐵2號線袁家店站主體基坑樁頂沉降監(jiān)測點變化時程曲線圖

(3)樁頂水平位移監(jiān)測

本期基坑支護結(jié)構(gòu)樁頂水平位移監(jiān)測點自入冬以來整體監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較為平穩(wěn),冬期數(shù)據(jù)有較小的偏移波動,如圖8所示,從2015年12月30日監(jiān)測點發(fā)生向基坑內(nèi)偏移的趨勢,此時冬期氣溫進入最低階段,同時支撐軸力增大。測點ZDWY3-Z累計變形值從 +15.4 mm增加至+19.9 mm后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定,階段變形量為 +4.5 mm;測點ZDWY4-Z累計變形值從 +20.4 mm減小至 +19.7 mm后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定,階段變形量為 -0.7 mm;測點ZDWY8-Z累計變形值從 +12.7 mm增加至 +19 mm后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定,階段變形量為 +6.3 mm;測點ZDWY9-Z累計變形值從 +11.7 mm增加至 +19.4 mm后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定,階段變形量為 +7.7 mm。

圖8 長春地鐵2號線袁家店站主體基坑樁頂水平位移時程曲線圖

(4)支撐軸力監(jiān)測

本期基坑第一道鋼支撐軸力測點自入冬以來整體監(jiān)測數(shù)據(jù)相對變化較為平穩(wěn),但從2015年12月20日開始氣溫逐漸降低,如圖9所示,此時冬期氣溫進入最低谷,鋼支撐軸力急劇增大。測點27#支撐軸力值從+67.2 kN增加至+594 kN后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定,階段變形量為 +526.8 mm;測點20#支撐軸力值從 +106.5 kN增加至 +571.8 kN后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定,階段變形量為 +465.3 kN;測點25#支撐軸力值從 +42.6 kN增加至 +440.25 kN后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定,階段變形量為 +397.65 kN;測點145#支撐軸力值從 +120.1 kN增加至 +528.2 kN后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定,階段變形量為 +408.1 kN。

圖9 長春地鐵2號線袁家店站主體基坑支撐軸力測點變化時程曲線圖

(5)樁體水平位移監(jiān)測、地下水位監(jiān)測

由于測斜孔內(nèi)積水,冬期溫度過低導(dǎo)致斜孔內(nèi)積水和地下水位孔內(nèi)結(jié)冰,無法進行正常的有效監(jiān)測,所以這兩監(jiān)測項目本文不做數(shù)據(jù)分析說明。

6.3 現(xiàn)場巡查情況

2015年11月10日入冬以來,袁家店站主體基坑一直處于冬期停工狀態(tài),現(xiàn)場巡查基坑支護結(jié)構(gòu)未見明顯變形及開裂,但基坑側(cè)壁存在少量滲漏水情況,隨著氣溫降低,漏水點結(jié)冰嚴重;基坑周邊地表未見明顯開裂、隆起等情況,如圖10所示。

圖10 現(xiàn)場巡查照片

7 冬期基坑監(jiān)測工作注意事項

北方冬期基坑監(jiān)測與其他季節(jié)施工監(jiān)測有所不同,現(xiàn)場作業(yè)暴露出諸多潛在問題及注意事項,下面從監(jiān)測點位保護及儀器設(shè)備兩方面闡述個人觀點。

(1)基坑周邊地表沉降監(jiān)測點埋設(shè)時必須穿越凍土層,且應(yīng)設(shè)有護筒及保護蓋,測點完畢應(yīng)立即蓋嚴,點位周邊需清理干凈,避免積雪等雜物混入導(dǎo)致冰凍無法監(jiān)測;基坑支護結(jié)構(gòu)樁頂沉降及水平位移監(jiān)測點必須設(shè)置便于監(jiān)測的保護裝置,冬期降雪很容易將其覆蓋,影響正常監(jiān)測,且冠梁上方應(yīng)設(shè)置防護欄桿并派專人定時清理積雪;樁體水平位移監(jiān)測點在測斜管施工時一定要嚴格控制綁扎質(zhì)量,接口處必須抹膠和纏防水膠帶處理,并做好管口蓋的保護工作,避免其進水導(dǎo)致冬期無法正常監(jiān)測;支撐軸力線束的轉(zhuǎn)角處要做好防折保護工作,避免破壞無法監(jiān)測。

(2)日常監(jiān)測儀器設(shè)備均應(yīng)及時充電,保證電量充足并配備滿電量備用電池;溫度劇烈變化對監(jiān)測儀器設(shè)備精度影響較大,需做好儀器保暖工作,觀測前應(yīng)正確設(shè)定記錄文件中各項控制限差參數(shù),尤其是溫度改正,觀測完成需現(xiàn)場檢核閉合或附合差值情況。

8 結(jié) 語

北方冬期土體凍融對基坑支護結(jié)構(gòu)存在一定影響,本文通過袁家店站冬期停工期間監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,結(jié)合工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件及現(xiàn)場巡查情況總結(jié)如下:

(1)北方冬期基坑監(jiān)測工作在條件允許時應(yīng)盡量在每天溫度相近時進行數(shù)據(jù)采集工作,尤其是支撐軸力受溫度影響變化很大,雖然鋼支撐受材質(zhì)影響會產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象,但從本文支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析中可見,隨著氣溫升高鋼支撐軸力仍相對穩(wěn)定,可見冬期支撐軸力增大主要來源于土體凍脹所產(chǎn)生的側(cè)壓力,且受鋼支撐熱脹冷縮現(xiàn)象影響相對較小。

(2)粉質(zhì)黏土巖具有凍脹敏感性,當(dāng)基坑降水效果不佳或存在無穩(wěn)定水位的碎屑巖類裂隙水等情況時,冬期氣溫較低會導(dǎo)致土體凍脹,且土體含水量越高,土體膨脹量越大,凍融期反應(yīng)越明顯。

(3)北方冬期基坑周圍巖土體凍融,導(dǎo)致基坑支護結(jié)構(gòu)背后土體側(cè)壓力增大,基坑支護結(jié)構(gòu)會發(fā)生變形,可能會影響基坑的穩(wěn)定性,可見冬期監(jiān)測數(shù)據(jù)亦能及時反映基坑受土體凍融影響的安全狀態(tài),為后續(xù)施工采取相應(yīng)有效措施提供了重要保障。