深圳地铁2号线侨香站基坑监测分析

赵庆强,张建龙,王 辉,刘修桥

(1.广东工业大学,广东广州510006;2.广东华隧建设股份有限公司,广东广州510635)

1 工程概况

侨香站是深圳地铁2号线东延线的一个中间站,该站位于侨香路上,车站西端斜跨侨香路,东端斜跨农园路,车站基坑工程大致呈东西走向,平面形状复杂,呈现不规则的“凹槽”形,东西走向长172.54 m,基坑西端最大宽度65.33 m,东端最大宽度49.73 m,基坑标准段宽度为19.1 m,基坑深17.39 m～18.50 m,站址周边地下管网已经形成,管线密集,在侨香路车站范围基坑内有一根直径800 mm的混凝土雨水管,埋深4.12 m;车站东南侧有港中旅花园二期高层住宅;其中24栋楼离基坑最近距离4.89m,化粪池离基坑3.83m;东北侧有翠海花园高层住宅小区;车站西侧为侨香路的西北侧主要有香格丽苑高层住宅小区;车站西北侧主要有侨香村住宅小区。

2 工程地质条件及基坑围护方案

基坑车站范围内上覆地层主要为第四系全新统人工填筑土、冲洪积砂土、卵石土及黏性土层,第四系残积黏性土,下伏基岩为燕山期。地下水主要有第四系孔隙水、基岩裂隙水,地下水埋深为3.10 m～9.20 m。

基坑工程所在地层较复杂,对周边环境影响较大,对安全性能要求较高,本站采用φ 1 000 mm钻孔灌注桩(部分φ 800 mm)+桩间φ 600 mm旋喷桩+内支撑的围护结构体系,除在基坑阴角处安装了部分混凝土角支撑外,其他部位在基坑深度范围内2 m、6 m、12 m处设置了三道钢管内支撑。

3 基坑监测目的

在基坑工程实践中发现与设计值估值相比,实际工程的工作状态往往存在一定的差异,其主要原因是:由于地层性质存在着变异性和离散型,地质勘察所获得的数据很难准确代表土层的全面总体情况,钻探取样对土样的扰动和应力释放难免会造成一定程度的试验误差;基坑围护结构设计和变形预估时,对土层和围护结构所作的模型分析、简化假定及参数选用与实际相比有一定的近似性[1];另外,施工过程中的各种因素也会引起围护结构的受力处于动态变化。若基坑围护结构及周边建筑变形超过允许范围,将危及基坑外侧建筑物和构筑物的安全,因此在开挖和结构施工过程中必须加强围护结构与周边环境的监测,及时掌握基坑开挖过程中的动态变形情况,为施工过程提供及时的反馈信息,对施工方案进行优化,缩短施工工期[2],降低工程造价,提供有效决策依据,确保整个支护体系及周边建筑的安全。

4 基坑监测方案

针对基坑深度大,平面形状复杂、基坑距离建筑物较近的特点,依据有关规范[3-5]并结合基坑特点确定监测内容如下:基坑边壁(围护桩)的深层水平位移(测斜)、钢支撑轴力测试、周边建筑物的沉降测试,桩身内力测试。监测项目确定后,不同的监测项目应根据其特点以及工程实际情况布设测点,测点的布设充分考虑基坑的地质状况与基坑围护的方案,根据经验和理论的预测来考虑测点的布设范围和密度,监测点布设见基坑测点平面图1。

图1 基坑测点平面布置

4.1 深层水平位移

随着基坑深度的增大,地下水位的变化,基坑外侧深层土体也会发生变化,引起深层水平位移,因此深层水平位移的监测是控制深基坑位移的重要手段[1]。①测点埋设:深层水平位移监测一般采用设置测斜管利用测斜仪测定,将与钢筋笼等长的测斜管绑扎在钢筋笼上,同步放入成孔内,通过浇筑混凝土固定于桩体内,测斜管安装如图2所示;通常将测点均匀布置在围护结构各边跨跨中,间距为20 m～30 m,本基坑周边布设27个测斜孔,在基坑平面挠曲计算值较大的位置,测点应适当加密,测点平面布置图见图1;②监测方法:沿一个方向将测斜仪探头缓慢放入管底,从下往上,每隔间距0.5 m提升一次,并读取相应数据,直至管顶,完成一个方向的测量;然后沿垂直方向重复上述操作,完成另一个方向操作,将数据导入计算机,按测点的分段长度,计算出不同高程处的实际水平位移,整理出有关结果,绘出深度～位移变化曲线图,为施工决策提供有效的依据[6];③监测频率:施工过程中1次/d,累积变形量≤50 mm,变形速率≤3.0 mm/d。

图2 测斜管和钢筋计安装示意

4.2 建筑物沉降监测

基坑一定范围内建筑物的监测,是基坑监测的重点项目之一[3],一般进行垂直与水平位移监测,多数只进行垂直位移(沉降)监测。①测点埋设:监测点一般布置在建筑物的四周角点、中点以及内部承重墙(柱)上,间距为15 m～20 m。港中旅花园小区化粪池及23栋和24栋高层住宅距离基坑较近,测点沿住宅楼拐角布设,共布设10个测点,测点平面布置图见图1,这样可以反映出建筑物不均匀变形情况,有助于变形分析与预警;②监测方法:采用精密水准仪按照有关技术规程[5]规定的方法观测;通过平差计算各测点的高程,第一次观测高程作为监测点的初始高程,以后各次观测高程减去初始高程即为累积沉降,前后两次高程之差为本期沉降量,运用沉降速率法[6]导出相关数据并绘出沉降速率与时间的关系曲线,供有关单位参考指导下一步施工;③监测频率:施工过程中1～2次/d,累积沉降量控制在-20 mm～+10 mm范围内,沉降速率≤2.0 mm/d。

4.3 支撑轴力监测

轴力计是用于监测基坑围护桩体和水平支撑受力变化的仪器,由于基坑平面复杂,所以钢支撑监测断面取在最危险的部位。①测点埋设:轴力计安装在钢支撑与圈梁接头的位置,每根钢支撑安装两个轴力计;②监测方法:轴力计安装完毕后用频率仪测定其初始频率,在施工过程中每次对其频率进行测定并换算成轴力值;③监测频率:施工过程中1次/d,实测轴力小于容许轴力3 000 kN。

4.4 桩体内力监测

对桩身内力的监测主要是利用绑扎在支护桩主筋上的钢筋应力计来进行观测,每个剖面对称布置两组钢筋计,具体安装如图2所示。①测点埋设:监测断面选择支护结构中弯矩较大的部位,本支护结构设计弯矩最大值出现在2 m～12 m范围内,故在2 m～12 m范围内每2 m对称安装2个钢筋计;②监测方法:在基坑开挖初期用频率接收仪测定钢筋计初始频率,在施工过程中每次对其频率进行测定并换算成弯矩值;③监测频率:施工过程中1次/d,实测轴力小于容许轴力,计算弯矩小于设计弯矩。

5 监测成果分析

本基坑有以下特点,一是开挖深度大,二是基坑周围为城市主干道且靠近住宅,地下管道密集。结合该基坑特点,在基坑施工过程中实行信息化施工[8],对基坑土方开挖和结构施工过程进行跟踪监测,将观测数据通过粗差剔除、平差处理、数据转换得到测点新一期的观测值,与前期观测值形成观测序列并采用回归分析的方法建立测点随时间的变化趋势线[9]。根据监测数据反馈的监测信息,及时调整相应的开挖、支护、施工等参数,降低基坑开挖对周边环境的影响。

5.1 深层水平位移分析

基坑周边共布设27个测斜孔,测斜管与围护桩体同深,测斜管预先固定在围护桩的钢筋笼上且靠近基坑内侧方向,连同钢筋笼一起浇注在混凝土中。下面以基坑危险断面处测点ZCX-27(基坑长边中点处)、ZCX-17(阳角处)、ZCX-12(阳角处)测斜孔为例就其监测结果进行分析。

(1)根据深层水平位移变化曲线图可知(见图3、图4、图5),在土体开挖初期,深层水平位移曲线近似呈直线变化,原因是土方开挖初期,基坑周边土体扰动较小,土体变形呈现出蠕变特性,至7月5日ZCX-12测斜孔最大位移12.02 mm,ZCX-17测斜孔最大位移5.88 mm,ZCX-27最大位移15.32 mm;随着开挖深度的增加,基坑内土体卸载,基坑周围主动土压力增加,挤压围护结构,致使围护结构迅速向基坑内侧迁移,基坑变形呈现出明显的空间效应;深圳地区7月份进入汛期,降雨频繁,围护结构止水帷幕施工质量较差,基坑周围经常有渗水现象,加上该地区地下水位较高,基坑内外水位差异变化明显,在基坑场地内外形成了地下水主要向坑内和基坑西南侧排出的非稳定渗流场,围护结构长期处于高水位的浸泡和渗流场作用,对围护结构和稳定产生了不利影响[10]。基坑开挖约12 m处,ZCX-12测斜孔最大位移40.25 mm,ZCX-27最大位移32.17 mm,ZCX-17测斜孔最大位移50.32 mm,其中ZCX-17测斜孔最大变形超过50 mm,超过允许值,最大变形速率为3.27 mm/d,超过报警速率值,监测人员据此向施工单位报警,建议及时加装支撑,并采取相应加固措施,调整施工方案,避免了险情的发生,同时也确保了基坑开挖及支护作业的顺利进行。

(2)监测期间,发现测点ZCX-17和ZCX-27侧向位移变化异常,测点ZCX-17除侧向位移缓慢增大外,还间歇出现侧向负位移,最大负位移5.23 mm,通过监测分析发现,ZCX-17附近经常有挖机、运土车等重型车辆通过,给基坑造成了很大的附加荷载,加大了基坑侧壁的土压力,这些附加荷载除产生塑性变形外,还产生部分弹性变形,在基坑开挖警戒期,建议尽量不要在基坑场地堆放大量钢筋、大型设备等,以减轻场地的附加荷载;ZCX-27处基坑顶部产生负位移,原因是基坑开挖约15 m处,基坑侧向位移速率变化较大,超过预警值3.0 mm/d,监测人员及时通知施工单位和设计方,通过采取措施,支撑轴力在原设计值的基础上提高20%,基坑顶部虽然产生部分负位移,但提高轴力设计值有效抑制了基坑变形,在后续施工过程中,侧向位移变化趋于缓慢。

图3 ZCX-12深层水平位移变化曲线

图4 ZCX-17深层水平位移变化曲线

(3)由图3、图4、图5可知,在基坑土方开挖及地下结构施工的整个监测过程中,深层水平位移曲线沿深度方向在基坑浅部开挖时基本上呈线性变化,基坑深部开挖时近似呈抛物线变化,整体曲线形态大体呈“弓”形,最大位移点出现在基坑的中部,最小点在底部,出现这种现象的原因,是基坑浅部开挖时,基坑围护桩处于悬臂状态,其最大位移点在顶部,随着开挖深度的增加,支撑开始设置,由于围护桩和圈梁的整体刚度较大,再加上安装支撑并进一步施加预应力,从而有效抵抗了基坑的侧移,在后续的基坑开挖工序下,围护结构进一步朝基坑内侧变形。底板浇注完成后,基坑的深层水平位移增长缓慢,累计位移量虽超过允许值50 mm,但位移增长速率已控制在0.5mm/d以内,从而可以判断基坑测斜曲线已趋于稳定,原因是底板将两侧的围护结构联成一个整体,整体刚度增大,有效地抵抗了基坑两侧土体的侧压,围护桩水平位移也逐渐趋于稳定。

图5 ZCX-27深层水平位移变化曲线

5.2 周边建筑物沉降分析

在整个施工过程中,建筑物沉降监测主要为最靠近基坑的港中旅二期23栋和24栋楼,现以其中三点JCJ-3、JCJ-6和JCJ-9为例进行分析,由图6的沉降速率变化曲线可以看出,在施工过程中,建筑物沉降主要经历了两个阶段,第一阶段为从基坑开挖至底板浇筑阶段(2009-04-20至2009-09-20),在此过程中建筑物沉降明显呈增大趋势,沉降最大值达到30 mm,沉降原因可从两方面分析,一是随着基坑开挖深度的增加,开挖面土体应力释放,造成开挖面土体向基坑内侧移动,基坑周边土体逐步沉降,从而引起建筑物随之沉降;二是基坑范围内地下水丰富,对建筑物沉降影响较大[6],在施工开挖降水过程中,随着地下水位降低,含水层排水导致周边土体沉降从而引起建筑物沉降。第二阶段为结构浇筑至顶板回填阶段(2009-09-25至2009-11-10),此段时间内建筑物沉降趋于平缓,一个半月时间内沉降量为3 mm左右,主要由土体孔隙比变化引起缓慢固结沉降引起。同时通过监测数据分析不难发现,在10-01至10-15这段时间内,最大沉降速率为0.35 mm/d,此时建筑物沉降并不稳定,而在2009-10-15至2009-11-15这段时间内,建筑物沉降速率为0.009 mm/d,此时建筑物沉降已经趋于稳定,最大沉降量虽超过30 mm,但由于及时采取安装支撑、浇筑底板等基坑加固措施,从2009-04-15到2009-11-10施工中后期沉降量没有继续变大,沉降量最大值始终控制在30 mm左右,说明基坑已处于稳定状态,上述结果表明建筑物的沉降与地下水升降、变形体周边约束条件有关,变形具有明显的空间工程效应[10]。

图6 建筑物沉降速率时程曲线

5.3 钢支撑轴力分析

监测过程中,各种原因造成了测点仪器的破坏和中断,考虑数据的完整性和连续性,结合基坑断面情况,选择ZL-4处轴力监测结果进行支撑轴力分析。支撑轴力随时间变化过程曲线如图7所示,基坑开挖初期,土体扰动较小,施工单位为了方便土方开挖,延迟了支撑的安装时间,当基坑开挖到第一道钢支撑设计标高以下约2 m处,才开始架设支撑,此时桩体向基坑内侧变形已经很大,施工单位随后安装了第一道钢支撑并施加预应力,轴力计监测值已达1 200 kN左右;随着基坑开挖深度增加,土压力增大,支撑轴力增加的速率加快,至8月初第一道钢支撑轴力监测值已超过1 400 kN;此后第二、三道钢支撑及时安装并施加预应力之后,第一道钢支撑轴力值稍有减小,而第二、三道钢支撑轴力监测值开始逐步增大。当基坑开挖到底部设计标高处,此时轴力达到最大值,待底板浇筑完成后,轴力增大速率明显趋于缓慢,直至支撑拆除前,第一道支撑最终稳定在1 600 kN左右,第二道支撑最终稳定在1 680 kN,第三道稳定在1 800 kN,此时钢支撑受力基本稳定。监测结果表明,在基坑开挖过程中,坑外主动土压力增大,迫使围护结构变形向基坑内迁移,从而引起轴力变大,而轴力加大反过来进一步抵抗基坑侧壁位移的进一步发展,在基坑开挖到安装支撑的设计标高处,应及时安装支撑,否者将导致基坑侧壁产生过大的位移,进而引起周边建筑物沉降,危及周边建筑的安全,另外,底板对抑制围护结构变形、缓解基坑四周土压力释放也起到了重要作用,在基坑开挖过程中,对及时浇筑底板,应引起足够的重视。

图7 钢支撑轴力变化曲线

5.4 桩内力分析

从监测弯矩图8可以看出,基坑开挖初期,基坑顶部由于没有支撑作用,支护桩向着悬臂桩变形的方向发展,桩身内力表现为基坑内侧受压、外侧受拉。随后安装支撑并施加预应力,有效抑制了桩体内力的进一步变大并向负向发展,弯矩迅速增加到128.4 kN◦m,随着开挖深度增加,基坑周边主动土压力增大,迅速挤压围护结构,弯矩向场地临空和软弱部位的基坑内侧发展,最大值达到98.6 kN◦m,监测人员报告施工单位,及时采取架设支撑措施,控制了桩身内力的进一步增大。监测结果表明,本工程支护桩由于钢支撑的应用呈现出与悬臂桩应力完全不同的变化趋势,悬臂桩一般表现为基坑内侧受压、外侧受拉,而桩+支撑联合支护中支护桩在逐步安装的支撑作用下,出现了在桩身内侧部分区域出现受拉、部分区域出现受压,桩身外侧与内侧相反的变化趋势,其主要原因是支撑起了很大的作用,所以及时安装支撑能有效约束桩身内力增大。

6 结 语

通过对深圳地铁2号线侨香站基坑现场测试及监测分析,得出以下结论:

(1)监测的成果全面地反映了基坑结构受力和位移变形情况,深层水平位移变化受土体蠕变、地下水位升降以及附加荷载等因素影响,从深层土体水平位移随深度变化曲线可以看出桩体变形的最大值不是出现在基坑底部,而是出现在中部,呈现出“弓形”。底板浇筑后,桩体侧向位移的变化速率明显减小,可见在施工过程中,底板的约束作用是明显的,因此当基坑开挖至底后应该加快基坑底板的施工速度,减少基坑暴露的时间,从而减少基坑变形量。

图8 桩内力变化曲线

(2)基坑外侧建筑物沉降随基坑开挖深度增大而增大,而且与地下水的升降、变形体周边约束条件密切相关,沉降速率最大出现在基坑开挖到底后结构开始施工的期间内,变形具有明显的空间工程效应[10],这就要求在此施工期间基坑开挖要保持警惕。

(3)基坑开挖过程中,及时安装支撑并施加预应力不仅能有效控制轴力变化,而且支撑对支护结构桩内力约束影响显著,支撑的施加使桩体呈现出与悬臂桩应力完全不同的变化趋势,一般随着基坑开挖深度的增加,支护桩内力变形呈增加的趋势,在施工过程中及时安装支撑,能有效控制支护桩的桩身内力。

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