蘇州地鐵超寬超深基坑工程監(jiān)測(cè)與分析

賈彩虹，楊國(guó)忠，張雪穎

(1.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，南京 210098;2.南京工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，南京 211167;3.中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，昆明 650041)

隨著城市地鐵建設(shè)的飛速發(fā)展，深基坑工程呈現(xiàn)出了開挖面積大、開挖深度深、形狀復(fù)雜、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式多樣和周邊環(huán)境保護(hù)要求嚴(yán)格等特點(diǎn)。深基坑工程是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性、高風(fēng)險(xiǎn)和高難度的巖土工程技術(shù)熱點(diǎn)課題［1-4］。作為一個(gè)復(fù)雜的綜合性巖土工程，施工的每一個(gè)階段，結(jié)構(gòu)體系和外荷載的變化對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力有很大的影響。工程實(shí)踐表明，對(duì)于復(fù)雜的深基坑工程必須在施工過程中采用監(jiān)控量測(cè)和信息反饋技術(shù)，跟蹤動(dòng)態(tài)管理等技術(shù)措施來解決工程中復(fù)雜的技術(shù)問題，保障基坑與周邊環(huán)境的安全和功能使用需要。

1 工程概況及水文地質(zhì)條件

1.1 工程概況

本工程位于蘇州市區(qū)中心，車站基坑保護(hù)等級(jí)為1級(jí)。車站西北側(cè)為著名的觀前傳統(tǒng)風(fēng)貌保護(hù)區(qū)，1倍基坑深度范圍有文啟堂、陳宅等省市級(jí)控制保護(hù)文物;西南側(cè)距1號(hào)風(fēng)井1.6 m有市級(jí)控保建筑紫藤院和新醫(yī)科門診樓及沿街1、2層鋪面;東北側(cè)1倍基坑深度范圍有麗景苑高級(jí)住宅區(qū)以及在建和基廣場(chǎng)高層建筑。

基坑工程圍護(hù)采用地下連續(xù)墻，呈長(zhǎng)方形，分為東端頭井、西端頭井和標(biāo)準(zhǔn)段，限于篇幅，本文主要對(duì)東端頭井進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。東端頭井基坑平面尺寸為41.4 m×35.6 m，開挖深度達(dá)20.4 m，為超寬超深基坑。東端頭井地墻厚1 m，深37 m，基底采用φ850 mm三軸水泥土攪拌樁加固，基坑內(nèi)設(shè)4排格構(gòu)柱，沿基坑豎向設(shè)6道支撐，其中第1、3道為鋼筋混凝土支撐，其余為φ609 mm鋼管支撐，第6道為結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)段底板縱向支撐，鋼支撐采用十字相交。

1.2 水文地質(zhì)條件

蘇州市地處江南水網(wǎng)區(qū)，地表水的水位主要受大氣降水和太湖排水影響，并受人為控制，常年水位1.10～1.30 m(黃海高程系)，其年變幅1 m左右。潛水穩(wěn)定水位埋深在地面下1.30～1.90 m，高程1.33～1.94 m(黃海高程系)。該工程的地層參數(shù)見表1。

表1 基坑地層參數(shù)

2 施工方案及監(jiān)測(cè)方案

2.1 施工方案

東端頭井基坑主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，采用分層水平下挖，縱向放坡，橫向先中間后兩邊，首先開挖出2根直撐并支撐好，然后挖斜撐位置，支撐后再挖基坑內(nèi)中心的土方。自基坑中心沿垂直于斜撐方向向基坑角點(diǎn)分段、分層、限時(shí)地開挖并架設(shè)支撐。

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1。

2.3 監(jiān)測(cè)內(nèi)容和監(jiān)測(cè)頻率

監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括地下連續(xù)墻的墻頂沉降、墻體側(cè)向位移、立柱沉降、地表沉降、周邊地下管線沉降、支撐軸力、坑外地下水位等。監(jiān)測(cè)頻率為:基坑開挖0～15 m時(shí)1次/d，基坑開挖 ＞15 m至澆墊層時(shí)2次/d，澆墊層至澆底板7 d內(nèi)1次/d，澆底板7～30 d時(shí)1次/2 d，澆底板30～180 d時(shí)1次/周。

2.4 監(jiān)測(cè)報(bào)警值

監(jiān)測(cè)報(bào)警值為:墻頂沉降 ±3 mm/d或 ±28 mm(墻頂水平位移報(bào)警值見表2);地表沉降±3 mm/d或±30 mm;地下管線沉降3 mm/d或10mm;建筑物沉降±3 mm/d或 ±20 mm;墻體測(cè)斜 ±3 mm/d或 ±29 mm;坑外水位下降500 mm/d或±1000 mm;支撐軸力大于設(shè)計(jì)值的90%。

表2 開挖期間墻頂水平位移報(bào)警值 mm

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

根據(jù)施工設(shè)計(jì)結(jié)合基坑周邊的開挖情況，基坑施工過程的節(jié)點(diǎn)為:2008年2月8日開挖第1層土，在冠梁底以下1.0 m施作第1道鋼筋混凝土支撐;2月13日開挖第2層土，在冠梁底以下6.0 m施作第2道鋼支撐;2月23日開挖第3層土，在冠梁底以下10.0 m施作第3道鋼筋混凝土支撐;3月16日開挖第4層土，在冠梁底以下14.0 m施作第4道鋼支撐;3月27日開挖第5層土，在冠梁底以下17 m施作第5道鋼支撐;4月7日開挖第6層土;4月27日開始澆筑墊層;5月7日開始澆筑底板混凝土，拆第5道支撐;5月26日開始澆筑中板拆第2道支撐;6月20日澆筑頂板，拆第3、4道支撐。

3.1 墻體測(cè)斜

沿基坑圍護(hù)邊每隔24 m設(shè)置1組對(duì)稱的測(cè)斜孔，“+”向坑內(nèi)，“-”向坑外，測(cè)斜孔的布置見圖1中的W6～W11。監(jiān)測(cè)點(diǎn) W9側(cè)向位移見圖2，各測(cè)點(diǎn)的墻體最大水平位移見表3。

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)關(guān)鍵階段的變化規(guī)律類似，基坑水平位移基本向坑內(nèi)方向發(fā)展，由于支撐的施作對(duì)水平位移的發(fā)展起到一定的限制作用，且使其稍向基坑外回復(fù)。以W9為例說明其變化規(guī)律，開挖第一層土(2月8日)，挖土對(duì)連續(xù)墻側(cè)移影響很小，變化曲線接近于直線。開挖第2、3層土?xí)r(2月13日～3月15日)變化曲線為“弓形”，開挖第3層土后位移增量較大，最大水平位移發(fā)生的部位也隨之下降?；又胁康乃轿灰瓢l(fā)展最快，基坑底部樁身的水平位移影響較小。開挖第4至6層土?xí)r(3月16日后)，曲線變化規(guī)律近似呈“β形”，不同工況之間的變形增量較小，變形漸趨穩(wěn)定。

開挖階段，墻體變形最大、最危險(xiǎn)的地方不在樁頂而出現(xiàn)在基坑中部到2/3基坑深度處。澆筑底板期間(5月7日至5月25日)墻體上部位移增量較大，這主要是由于基坑尺寸超寬超深，支護(hù)樁墻嵌固深度與基坑深度之比為0.83，坑底暴露時(shí)間較長(zhǎng)引起的。底板澆筑完畢(5月25日)后墻體位移基本保持不變，這是因?yàn)殡S著下部結(jié)構(gòu)的施工，基礎(chǔ)底板和每層結(jié)構(gòu)梁板剛度形成后對(duì)地下連續(xù)墻產(chǎn)生了有效的約束。隨著結(jié)構(gòu)自重的不斷增加，基底以下被動(dòng)區(qū)的土體回彈受到限制并產(chǎn)生少量壓縮變形，能夠?yàn)榈叵逻B續(xù)墻提供的支撐反力逐漸增加。支撐起到了很好的穩(wěn)定變形作用，使基坑的整體剛度明顯增加，變形基本穩(wěn)定。

由圖2和表3可知，墻體的水平位移均小于表2中墻頂水平位移報(bào)警值。

3.2 墻頂沉降

沿墻頂圈梁每25 m左右設(shè)置1個(gè)墻體沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，“+”為上抬，“-”為下沉。測(cè)點(diǎn)的布置見圖1中的Q6～Q11，在施工過程中Q7測(cè)點(diǎn)遭到破壞，無監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。墻頂位移時(shí)程曲線如圖3所示，墻頂最大位移見表4。

由圖3可看出:開挖第3層土前，墻頂略有下沉;開挖第3層土(2月23日)后，隨著開挖深度增加，墻頂隆起量逐漸增加，但不是線性增加，其日隆起增量逐步減小。在每一層開挖過程中，隆起量會(huì)逐漸增加，但隨著支撐的設(shè)置，隆起量會(huì)有明顯減小。

圖3 墻頂沉降時(shí)程曲線

表4 墻頂最大位移

3.3 立柱沉降

沿基坑縱向開挖段每25 m左右布設(shè)1個(gè)立柱沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的布置見圖1中LZ4和LZ5。

立柱沉降曲線如圖4所示，立柱隆起產(chǎn)生的原因一是深層土的卸荷回彈;二是由于開挖形成的壓力差導(dǎo)致的土體塑流;三是基坑底部土體吸水膨脹。卸荷回彈是主要的原因，隨著開挖深度的增加，隆起量在不斷增大，接近于折線形變化，澆筑墊層后最終趨于穩(wěn)定。3月27日，開始開挖第5層土，由于挖土較深，土體大量卸荷，使得立柱回彈迅速加大。4月27日基坑開始澆筑墊層，基礎(chǔ)底板混凝土澆筑使得荷載增加較多，且已經(jīng)澆筑的基礎(chǔ)梁板剛度不斷增加，對(duì)立柱的約束已經(jīng)形成，隨著結(jié)構(gòu)自重的不斷增加，最終趨于穩(wěn)定值，同時(shí)立柱間的回彈差異也保持穩(wěn)定。可以看出立柱的隆起量相對(duì)于施工工況有一定的滯后性，LZ5回彈最大值為41.64 mm(5月1日)，LZ4回彈最大值為46.42 mm(5月19日)，LZ5和 LZ4出現(xiàn)的時(shí)間不同，是由于施工的順序不同;但是差異回彈不大，最大差值為6.05 mm(5月13日)，為基坑開挖深度的0.03%。立柱和地墻的差異沉降最大值為34.36 mm(5月1日)，為基坑開挖深度的0.17%，說明圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)支撐形成了整體性較好的體系。為了減少隆起量和差異沉降，應(yīng)盡量減少基坑暴露時(shí)間。

圖4 立柱變形時(shí)程曲線

3.4 地表沉降

監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿基坑外四周布置，見圖1中 D6～D10。且選取4組布置成斷面形式，斷面垂直于基坑邊線，每斷面3～8點(diǎn)不等，如 D8-1～D8-7和 D10-1～D10-5。在施工過程中D9測(cè)點(diǎn)遭到破壞，無監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。地表沉降時(shí)程曲線見圖5和圖6。

圖5 地表沉降時(shí)程曲線

圖6 同一斷面各測(cè)點(diǎn)地表沉降時(shí)程曲線

影響地表沉降的因素主要有:①地下水位的下降引起土的固結(jié)沉降;②支護(hù)墻體的位移引起周圍地表的凹陷。由于在監(jiān)測(cè)過程中地下水位變化不大(見圖9)，故地表沉降主要是由支護(hù)墻體的位移引起的。

由圖5可知，D6～D8的變化規(guī)律類似，先下沉，然后上抬，最終趨于穩(wěn)定。沉降變化幅度很小，D6最大下沉量-4.63 mm，最大上抬量5.00 mm;D7最大下沉量-6.00 mm，最大上抬量2.91 mm;D8最大下沉量-3.89 mm，最大上抬量3.76 mm。D10隨著開挖深度的增加，地表下沉量增大，開挖第5層土至澆注墊層前(3月27日至4月27日)地表下沉速率較大，澆筑中板 (5月29日)后，沉降減小并逐漸趨于穩(wěn)定。地面最大沉降值為-21.31 mm，發(fā)生在4月25日的D10測(cè)點(diǎn)，處在安全范圍內(nèi)(±30 mm)。

由圖6可知，同一斷面上各點(diǎn)的變化規(guī)律基本相同，距坑邊一定距離的范圍內(nèi)沉降最大，隨后沿遠(yuǎn)離坑壁方向逐漸減小，距離坑壁越遠(yuǎn)變化幅度越小，最終逐漸穩(wěn)定。每開挖一層，坑后地表都有一定量沉降的增加，每層形成的沉降分布曲線形狀相似。

3.5 周邊管線沉降

監(jiān)測(cè)點(diǎn)按沿管線每10 m布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。以給水管線監(jiān)測(cè)點(diǎn)GZ為例進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置如圖1中GZ10～GZ15，給水管線的沉降時(shí)程曲線如圖7所示。

圖7 周邊管線沉降時(shí)程曲線

由圖7可知，對(duì)同一管線上各測(cè)點(diǎn)而言，GZ10、GZ11、GZ12、GZ13變化規(guī)律基本一致，基坑開挖長(zhǎng)邊中點(diǎn)附近GZ10、GZ11、GZ12各測(cè)點(diǎn)沉降較大，而基坑角點(diǎn)附近 GZ13、GZ14測(cè)點(diǎn)沉降相對(duì)較小。GZ14、GZ15在3月17日前變化規(guī)律與其他測(cè)點(diǎn)基本一致，3月17日后GZ14、GZ15下沉量減小并逐漸隆起，最終趨于穩(wěn)定。

3.6 內(nèi)支撐軸力

支撐軸力一般沿基坑縱向每?jī)蓚€(gè)開挖段約25 m左右設(shè)1組，每組設(shè)2只應(yīng)力計(jì)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置如圖1中ZL4和ZL5。以ZL4為例進(jìn)行說明，內(nèi)支撐軸力的時(shí)程曲線如圖8所示，“+”為壓力，“-”為拉力，ZL4-1表示第1道支撐，同理ZL4-5表示第5道支撐。由表5可知，在施工過程中支撐軸力最大值均小于控制值。

由圖8可知，支撐距離越大，開挖深度越深，支撐軸力也越大。第1、3道為鋼筋混凝土支撐，其變化可分為4個(gè)階段:①增長(zhǎng)階段，隨著混凝土強(qiáng)度的形成和開挖深度的增加，支撐軸力增加明顯，并趨于峰值;②穩(wěn)定階段，由于下一道支撐參與工作，軸力會(huì)有所變化，但總的趨勢(shì)是比較穩(wěn)定的;③再次增大階段，由于第5道和第2道支撐拆除，或換撐過程中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力調(diào)整使得業(yè)已穩(wěn)定的軸力再次出現(xiàn)上升段;④最終穩(wěn)定階段，開始澆筑底板混凝土后，鋼筋混凝土的支撐軸力趨于穩(wěn)定。

在多云或晴天，由于氣溫的日變化幅度較大，傍晚的軸力比早上增大12%左右，而在下雨天氣，則軸力減小或不變。影響鋼筋混凝土軸力的因素很多，除挖土、澆筑支撐或底板、拆除支撐等施工因素外，一些不可預(yù)見的或不可測(cè)的因素也起很重要的作用，如溫度變化、混凝土收縮、支撐的結(jié)構(gòu)體系、施工條件以及應(yīng)力計(jì)本身精度等。

第2、4、5道為φ609 mm鋼管支撐，支撐預(yù)加軸力后，隨開挖深度的增大，支撐軸力均有所上升。原因是隨著土方的開挖，土體卸載，被動(dòng)土壓力減小，導(dǎo)致樁身水平位移有向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)展的趨勢(shì)，鋼支撐軸力逐漸增大。開挖結(jié)束后，支撐軸力的增長(zhǎng)速率下降，隨著底板混凝土的澆筑，支撐軸力基本趨于穩(wěn)定。

圖8 ZL4支撐軸力時(shí)程曲線

表5 ZL4支撐軸力最大值

3.7 水位

坑外水位在-1.8 m左右，水位變化在±300 mm以內(nèi)，坑外水位時(shí)程曲線如圖9所示，“ -”表示水位在地表以下。

地下水位下降會(huì)引起土體附加應(yīng)力的增加，從而造成土體的附加沉降，由圖9可知地下水位并未有較大變化，說明墻體的止水功能良好，未出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏現(xiàn)象。

圖9 坑外水位時(shí)程曲線

4 結(jié)語

1)本工程為超寬超深基坑，基坑深層土體開挖引起的坑內(nèi)土體回彈將帶動(dòng)立柱、支撐和圍護(hù)墻體隆起。其差異沉降會(huì)影響到支撐與圍護(hù)結(jié)構(gòu)連接部位的受力性能(可能由受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗艋蚴芾?，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，不僅應(yīng)采取措施減少隆起量，還應(yīng)采用合理的構(gòu)造措施對(duì)支撐與圍護(hù)結(jié)構(gòu)連接部位的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。

2)基坑深層土體開挖會(huì)引起較大的墻體側(cè)移和地表沉降，且這部分土體變形不可完全恢復(fù)。應(yīng)盡量加大墻體嵌固深度，施工中應(yīng)盡量減少深層土體開挖后的無支撐暴露時(shí)間?；娱_挖到底后，及時(shí)設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)、澆筑墊層和混凝土底板，利用結(jié)構(gòu)自重和支撐的剛度來降低基坑開挖卸荷引起的土體側(cè)移和地表沉降。

3)對(duì)于超深基坑的支撐，尤其是鋼筋混凝土支撐，必須加強(qiáng)對(duì)其軸力的監(jiān)測(cè)，防止支撐屈曲而導(dǎo)致基坑整體失穩(wěn)。在施工關(guān)鍵部位時(shí)，應(yīng)緊跟工況發(fā)展對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)處理與反饋分析。

［1］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ120-99 建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

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