靜力水準(zhǔn)在超深基坑中間柱沉降實時遠(yuǎn)程監(jiān)測中的應(yīng)用

馬召林，李元海，李 竹

(1.中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南 洛陽 471009;2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008;3.天津城投建設(shè)有限公司，天津 300381)

0 引言

隨著城市高層建筑和地鐵的建設(shè)發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的超深基坑工程。超深基坑開挖引起周邊土體變形，對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和環(huán)境產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時將影響結(jié)構(gòu)的正常使用，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)本身或周邊環(huán)境的破壞，造成資金重大損失和人員傷亡，在工程建設(shè)中不乏慘重教訓(xùn)［1］。因此，必須重視信息化施工在工程安全監(jiān)控中的重要作用［2－4］。由于環(huán)境條件的限制，技術(shù)人員實地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集往往不夠全面，或存在不可避免的誤差。因此，在開挖過程實施跟蹤監(jiān)測，并將信息及時反饋，及時掌握支護(hù)結(jié)構(gòu)和基坑內(nèi)外土體移動，隨時調(diào)整施工參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計，或采取相應(yīng)措施，以確保施工安全順利進(jìn)行。在超深基坑工程監(jiān)測中，除了使用常規(guī)監(jiān)測方法外，還根據(jù)工程特點及監(jiān)測新方法的適用條件，針對深基坑的立柱沉降監(jiān)測，選擇使用靜力水準(zhǔn)儀測量等新技術(shù)。與采用全站儀、GPS等儀器的傳統(tǒng)監(jiān)測方法相比，遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測具有及時性、準(zhǔn)確性和快速性。隨著近年來我國科技的攻關(guān)，其技術(shù)日趨成熟，并在工民建［5］、水利水電［6］、地鐵［7］等行業(yè)中得到成功運(yùn)用。由于特殊的工作環(huán)境，導(dǎo)致地鐵工程對監(jiān)測的精度、遠(yuǎn)程控制和實時性要求將越來越高，因此，遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測技術(shù)必然成為地鐵監(jiān)測工作中的一項重要手段，具有廣泛的推廣價值。

本文基于自動化監(jiān)測技術(shù)，建立靜力水準(zhǔn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)測系統(tǒng)，對天津站交通樞紐主基坑工程蓋挖結(jié)構(gòu)施工過程中的中間柱［8］進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)測，為工程安全施工提供信息技術(shù)服務(wù)。無論是從保證天津站交通樞紐主基坑工程的施工安全和風(fēng)險控制，還是為后續(xù)類似工程積累經(jīng)驗，以及提升信息化施工技術(shù)水平方面都具有重要意義。

1 工程概況

1.1 工程簡介

天津站交通樞紐工程是集普速鐵路、京津城際高速鐵路、城市軌道交通、公交和周邊市政道路于一體的特大型綜合項目。集中在以鐵路天津站前后廣場為核心，東至李公樓立交橋，西至五經(jīng)路，南至海河，北至新開路區(qū)域范圍內(nèi)。工程范圍包含站后交通廣場、站前景觀廣場和相關(guān)市政交通工程。其中，站后交通廣場集中了地鐵2，3，9號線天津站、京津城際高速鐵路天津站及站后公交樞紐、停車樓等市政配套工程。建設(shè)總面積為456 200 m2。

天津站交通樞紐工程的主基坑工程位于后廣場，主要由1—4標(biāo)段組成，包括地鐵2，9號線天津站蓋挖逆作施工，地鐵3號線(含地鐵2，9號線結(jié)點部分)天津站工程，地鐵2，9號線天津站站后明挖區(qū)間與停車樓工程，1，2標(biāo)采用蓋挖逆作施工，3，4標(biāo)采用明挖施工。

土建2標(biāo)位于擬建城際鐵路站房西側(cè)的地下，東西長約230 m，南北向?qū)?0～150 m，占地面積約1.98萬m2，開挖深度25～30 m，采用蓋挖逆作法施工。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，墻深49～55 m，墻厚1.2 m。工程樁采用φ2 200 mm鉆孔灌注樁，孔深65～88 m，有效樁長50 m左右，此部分鉆孔灌注樁在施工期間為豎向支撐體系的一部分，在使用階段作為抗浮樁使用;樁上采用φ1 000 mm鋼管混凝土永久柱和φ800 mm鋼管柱作為豎向支撐結(jié)構(gòu)，柱內(nèi)灌C50微膨脹混凝土。2標(biāo)段Z28～Z169中間樁柱監(jiān)測點布置示意圖如圖1所示。

1.2 天津站基坑蓋挖法中間柱受力特點

天津站交通樞紐第2標(biāo)段采用蓋挖逆作法施工。中間設(shè)多排中間立柱，它既是蓋挖逆作期間的臨時支柱，又是車站結(jié)構(gòu)的重要承載傳力結(jié)構(gòu)。中間立柱采用1 000 mm鋼管柱。中間立柱基礎(chǔ)采用C30、S10鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，設(shè)計樁徑2.2 m，樁最深達(dá)80 m。中間立柱與車站梁、板結(jié)構(gòu)相接形成結(jié)點結(jié)構(gòu)。確保中間樁基礎(chǔ)成孔質(zhì)量、防止塌孔及中間柱的安裝精度，平面定位精度、垂直定位精度是決定能否安全優(yōu)質(zhì)完成天津站工程任務(wù)的關(guān)鍵。

圖1 Z28～Z169中間柱監(jiān)測點布置示意圖Fig.1 Layout of monitoring points of Z28～Z169 intermediate columns

蓋挖逆作法中間樁柱主要承受豎向荷載，施工階段豎向荷載在中間柱和邊墻之間分配，結(jié)構(gòu)封底后，豎向荷載在中間柱、邊墻和底板之間分配。在基坑開挖和形成結(jié)構(gòu)的過程中，由于垂直荷載增加和土體卸載的影響，將會引起中間柱之間、邊墻和中間柱之間的差異沉降，由此而產(chǎn)生的對結(jié)構(gòu)體系的影響比明挖順筑法嚴(yán)重得多。豎向支撐體系過大的差異沉降，不僅會在頂、中板等水平構(gòu)件中產(chǎn)生過大的附加應(yīng)力，而且給節(jié)點連接帶來困難［5］。設(shè)計對中間柱的總沉降值要求不大于20 mm，差異沉降不大于15 mm，需要在施工中對中間樁柱的沉降進(jìn)行適時監(jiān)控，動態(tài)控制差異沉降。

2 靜力水準(zhǔn)遠(yuǎn)程自動化安全監(jiān)測技術(shù)原理及特點

2.1 原理

靜力水準(zhǔn)測量是按照流體在重力作用下總是保持同一水平這一基本原理來實現(xiàn)的。全套設(shè)備主要包括測高儀、多用途可調(diào)電源、連通管和蓄水罐等部件。測高儀工作核心部分是測量探頭，當(dāng)水面停止在某一水平面時，探針跟蹤到水平面即停止動作，從測高儀豎尺及測微表盤上即可得出讀數(shù)。它是根據(jù)固定在監(jiān)測點上眾多單元的內(nèi)液面相對變化來確定監(jiān)測點的相對沉降或隆起，將待測區(qū)域的沉降隆起與基準(zhǔn)點相比較即可得到施工影響區(qū)內(nèi)的測點的絕對沉降隆起量。測試原理如圖2所示。

圖2 靜力水準(zhǔn)儀原理示意圖Fig.2 Principle of hydrostatic leveling

儀器由主體容器、連通管、電容傳感器等部分組成。當(dāng)儀器主體安裝墩發(fā)生高程變化時，主體容器相對該位置產(chǎn)生液面變化，引起裝有中間極的浮子與固定在容器頂?shù)囊唤M電容極板間的相對位置發(fā)生變化，通過測量裝置測出電容比的變化即可計算得到測點的相對沉降。

2.2 靜力水準(zhǔn)測量的主要特點

1)靜力水準(zhǔn)裝置具有良好的精度。即使用于野外作業(yè)，只要將各觀測頭間的溫差控制在±2℃，并采取一定的防風(fēng)措施，該裝置完全能夠達(dá)到±0.1 mm的精度。

2)結(jié)構(gòu)簡單、監(jiān)測點多、測量范圍大、實時監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、施工和維護(hù)工作量少。

3)靜力水準(zhǔn)遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測技術(shù)具有數(shù)據(jù)采集自動化、實時監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、防電及防干擾能力強(qiáng)、測量精度高等常規(guī)監(jiān)測技術(shù)無法比擬的優(yōu)點。

3 靜力水準(zhǔn)遠(yuǎn)程自動化安全監(jiān)測實施方案

靜力水準(zhǔn)遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測技術(shù)滿足中間柱沉隆控制高標(biāo)準(zhǔn)的要求。對于蓋挖法基坑工程來說，測點布設(shè)及監(jiān)測可在蓋挖頂板施作完成后，下部開挖施工開始并具備測點埋設(shè)工作空間后開始，將儀器及線路布設(shè)于中間柱上并采取保護(hù)措施后與主控電腦連接，隨之結(jié)合工況進(jìn)行日常監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集工作。

本技術(shù)作為蓋挖法結(jié)構(gòu)的中間柱沉隆監(jiān)測技術(shù)，首次應(yīng)用于超大基坑工程，無成功先例可以借鑒，實施過程中存在測點數(shù)量多、安裝復(fù)雜、施工影響大等困難。對此，應(yīng)在實施過程中進(jìn)行周密地部署、組織，通過業(yè)主、施工單位的協(xié)調(diào)、配合，積極進(jìn)行新技術(shù)創(chuàng)新研究，從而確保本技術(shù)在實踐中得以成功應(yīng)用。

3.1 靜力水準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)天津站交通樞紐主基坑工程的特點及相應(yīng)監(jiān)測經(jīng)驗，采用DAMS－5Ⅳ型智能分布式工程安全監(jiān)測系統(tǒng)來實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測的目的，此系統(tǒng)在北京相關(guān)地鐵穿越工程施工中有過成功使用的先例，系統(tǒng)由沉降觀測的數(shù)據(jù)自動化采集系統(tǒng)和工程安全監(jiān)控管理系統(tǒng)2部分組成，如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.3 Remote and automatic monitoring system

數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)由電容感應(yīng)式靜力水準(zhǔn)儀、電容感應(yīng)式位移計、電水平梁式傾斜儀、數(shù)據(jù)采集智能模塊、監(jiān)控主機(jī)和計算機(jī)等構(gòu)成。數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)具有監(jiān)測、顯示、操作、數(shù)據(jù)存儲、綜合信息管理、系統(tǒng)自檢、遠(yuǎn)程控制、安全管理和防電等功能，并具有抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高的優(yōu)點。同時，數(shù)據(jù)采集智能模塊的數(shù)據(jù)采集單元具有實時時鐘管理、參數(shù)及數(shù)據(jù)掉電保護(hù)、電源備用、自診斷、抗電、選測和單測等功能。

3.2 靜力水準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)安裝

現(xiàn)場安裝前對數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行拷機(jī)及相關(guān)試驗，對模塊進(jìn)行篩選，確保其達(dá)到規(guī)定技術(shù)指標(biāo)。數(shù)據(jù)采集單元DAU 2000的安裝位置按安裝圖施工，要考慮儀器接入，DAU維護(hù)方便，一般在觀測站高度不宜超過1.6 m，用4個地腳螺栓連接，安裝后機(jī)箱平整，儀器進(jìn)線整齊、標(biāo)識明確，信號線、通訊線、電源線與DAU接線端子的接頭均用鍍銀冷壓接頭，以保證可靠性。將機(jī)箱的接地端子連接到觀測站地線上。DAU 2000安裝如圖4所示，現(xiàn)場水準(zhǔn)斷面與采集單元設(shè)置如圖5所示。

4 靜力水準(zhǔn)監(jiān)測結(jié)果及分析

4.1 中間柱累計沉降分析

根據(jù)2標(biāo)段靜力水準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析，Z28～Z169中間柱隆起變化如圖6所示。

圖6 Z28～Z169中間柱隆起變化圖Fig.6 Uplifting of Z28～Z169 intermediate columns

由圖6分析可知，2標(biāo)自2008年9月負(fù)二層土方開始開挖，開挖深度約6.60 m，到11月初開挖完成，該階段中間柱隆起值為7.03～14.75 mm，結(jié)合1標(biāo)靜力水準(zhǔn)分析，1標(biāo)負(fù)二層開挖中間柱隆起12 mm左右，2標(biāo)隆起值要比1標(biāo)偏大，但相差不大，其隆起范圍都在10～15 mm。

在負(fù)二層層板施作階段，中間柱沉降比較穩(wěn)定，沉降變化為－1.46～0.23 mm，平均都有小于1 mm的下沉量。2標(biāo)負(fù)三層自2009年3月開挖至今，開挖深度在7.04 m左右，基本開挖完成，該階段隆起最大值為19.41 mm(Z157)，最大累計隆起量已達(dá)到34.94 mm。根據(jù)1標(biāo)數(shù)據(jù)分析(1標(biāo)負(fù)三層開挖隆起15 mm左右)，2標(biāo)負(fù)三層開挖隆起量與所預(yù)測的15～20 mm基本相符合，隨著負(fù)三層底板施作，預(yù)計沉降變化值在1 mm左右，隆起將開始趨于穩(wěn)定。

Z52至東側(cè)邊墻中間柱隆起變化數(shù)據(jù)分析如圖7所示。

圖7 Z52～東側(cè)邊墻中間柱隆起變化圖Fig.7 Uplifting of Z52～Z57 intermediate columns and the east wall

2標(biāo)短軸方向中間柱隆起，在負(fù)二層開挖期間，隆起量為7.72～10.28 mm，在負(fù)二層層板施作階段，沉降變化較小，為 －1.12～0.26 mm;負(fù)三層開挖至今，已基本開挖完畢，累計隆起量為13.67～25.63 mm，平均在21 mm左右，最大值為25.63 mm(Z54)，與長軸方向隆起值相比偏小，負(fù)三層開挖階段，隆起量為7.97～15.84 mm，與前期隆起預(yù)測值相接近。但大部分已超過中間柱隆起控制值(中間樁柱隆起控制值為20 mm)。

4.2 中間柱差異沉降分析

中間柱隆起的差異沉降是控制主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫進(jìn)而發(fā)生破壞的重要參數(shù)，因此應(yīng)在施工過程中嚴(yán)格控制其發(fā)展趨勢。在此研究相鄰柱差異沉降的影響，對于相鄰柱差異沉降控制值按設(shè)計為10 mm。

長軸方向選取比較典型的幾組相鄰柱進(jìn)行比較分析，差異沉降變化圖如圖8和圖9所示。

圖8 Z28～Z169中間柱差異沉降變化圖Fig.8 Differential settlement of Z28～Z169 intermediate columns

南北向中間相鄰柱差異沉降最大值為3.78 mm(Z85～Z68)。Z28～Z169中間柱差異沉降為1.02～3.78 mm。

由圖8可知，目前在基坑開挖和主體結(jié)構(gòu)施工過程中，中間柱隆沉未產(chǎn)生較大的差異值，主體結(jié)構(gòu)暫時處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。但是，由于累計隆起值相對較大，仍需施工單位能夠及時采取有效的措施，抑制中間柱的持續(xù)隆起趨勢，控制其累計隆起值，保證結(jié)構(gòu)安全可控。

圖9 Z52至東側(cè)邊墻中間柱差異沉降變化圖Fig.9 Differential settlement of Z52～Z57 intermediate columns and the east wall

由圖9可以看出，東西向中間相鄰柱差異沉降最大值為5.65 mm(Z56～Z57)，整體差異沉降值為0.79～5.65 mm，也未產(chǎn)生較大的沉降差異值，所有相鄰柱差異沉降量均在控制值范圍內(nèi)，整體能夠保證結(jié)構(gòu)的安全可控與穩(wěn)定。

綜上分析，2標(biāo)基坑中間柱表現(xiàn)出隆起的趨勢，且累計隆起值相對都較大，目前基坑中間柱最大累計隆起值達(dá)到了34.94 mm(Z157)，中間樁柱隆起控制值為20 mm。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)整理分析可知，基坑土方開挖過程中，中間柱主要呈現(xiàn)隆起趨勢，在層板澆筑階段，柱的沉降變化不大，并有一定下沉量，說明層板澆筑對中間柱隆起有一定抑制作用，因此，為控制中間柱隆起值過大，應(yīng)盡量加快土方開挖和層板施作等措施。

對于超深基坑，大面積開挖所帶來的隆起影響程度和范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通基坑，但從目前主體結(jié)構(gòu)狀態(tài)來看，并未出現(xiàn)明顯異常，結(jié)構(gòu)本身并未因為隆起量超過控制值而產(chǎn)生破壞，因此，在隆起量控制上一方面施工本身應(yīng)根據(jù)監(jiān)測情況采取積極措施加強(qiáng)控制，另一方面應(yīng)根據(jù)實際情況適當(dāng)放寬控制值，期間繼續(xù)加強(qiáng)觀測，并對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行觀察，最終制定合適的控制量來指導(dǎo)施工，做到既不讓理論數(shù)據(jù)約束手腳，又能保證結(jié)構(gòu)安全，特殊情況特殊處理。

4.3 中間柱隆起控制分析

雖然隆起量超標(biāo)，但由于其較為均勻，目前結(jié)構(gòu)本身并未發(fā)現(xiàn)明顯異常，仍處于安全狀態(tài)。所以，在基坑開挖過程中，可適當(dāng)放寬中間柱累計隆起控制值?？紤]開挖面積和開挖深度的影響，對中間柱隆起應(yīng)確定合適的安全控制值，嚴(yán)格控制差異沉降。開挖深度對中間柱隆起影響變化如圖10所示。

圖10 典型柱隆起隨深度變化圖Fig.10 Relationship between uplifting and excavation depth

由圖10可知:至2009年5月15日負(fù)三層開挖完成，Z52東側(cè)邊墻軸線方向，開挖長度約為57 m，中間柱隆起最大值發(fā)生在 Z55鋼管柱，最大隆起值為25.63 mm;Z28～Z169軸線方向，開挖長度122 m，中間柱隆起最大值發(fā)生在Z157鋼管柱，為34.94 mm。

根據(jù)靜力水準(zhǔn)對中間柱隆起監(jiān)測數(shù)據(jù)以及擬合分析，表1給出了基坑開挖過程中對中間柱累計隆起值的控制標(biāo)準(zhǔn)，并且可以根據(jù)開挖深度的不同及分層開挖不同階段制定不同的控制標(biāo)準(zhǔn)。2標(biāo)段負(fù)三層開挖完成后，在差異沉降控制值不超過10 mm的情況下，可將累計沉降控制值在Z28～Z169軸線方向調(diào)整為35～40 mm，在 Z52～Z57軸線方向調(diào)整為25～30 mm，既能夠保證結(jié)構(gòu)安全可控，又能夠保證施工順利進(jìn)行。

表1 基坑開挖深度與長度對中間柱最大隆起值Table 1 Relationship among maximum intermediate column uplifting，excavation depth and excavation length

5 結(jié)論及建議

本文詳細(xì)介紹了靜力水準(zhǔn)遠(yuǎn)程自動化安全遠(yuǎn)程實時監(jiān)測技術(shù)的原理、特點、功能以及實際監(jiān)測實施方案，同時，對天津站交通樞紐主基坑工程采用該監(jiān)測技術(shù)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了分析。通過靜力水準(zhǔn)監(jiān)測技術(shù)的實際應(yīng)用及對中間柱隆沉監(jiān)測結(jié)果分析，得出如下結(jié)論與建議。

1)靜力水準(zhǔn)遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測技術(shù)具有數(shù)據(jù)采集自動化、實時監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、測量精度高等優(yōu)點，滿足超深基坑蓋挖法的中間柱沉隆控制的自動化遠(yuǎn)程實時監(jiān)測要求。

2)天津站蓋挖法中間樁柱在施工過程中絕對沉降值為 13.82 ～45.17 mm，隆起值為 1.42 ～34.94 mm，差異沉降為1.02 ～14.65 mm(滿足規(guī)范0.000 2L要求)。

3)天津站部分中間樁柱最大沉隆值超過控制標(biāo)準(zhǔn)，但實際支撐結(jié)構(gòu)均處于安全狀態(tài)，因此，建議其控制基準(zhǔn)值可根據(jù)開挖深度及開挖階段適當(dāng)增大，以保證結(jié)構(gòu)安全可控和施工的順利進(jìn)行。

4)蓋挖法中間柱靜力水準(zhǔn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用存在的主要問題表現(xiàn)在實施過程中測點數(shù)量多、安裝復(fù)雜、施工影響較大等問題，在后續(xù)應(yīng)用中有待改進(jìn)或研究解決。

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