桩基监测法在“皖电东送”1000KV沪西变电站工程中的应用

贺虎，王志强，李岩，周宏，马勇杰

(1.国家电网公司交流建设分公司，北京市100052;2.华东电力设计院，上海市200063)

0 引言

“皖电东送”1000kV沪西变电站工程位于上海市青浦区练塘镇，围墙内占地面积9.8万m2。站址原貌为泻湖沼泽平原，地质情况较复杂。站区原地表水系发达，有成片人工开挖的鱼塘和贯穿南北的河道。场地进行了大面积回填，鱼塘区域回填深度达3～4m。根据地质勘测情况，站址区地基土上部分布有灰色淤泥质粉质粘土，该土层厚度达7.5～13.6m，透水性能差，承载力非常软弱。站区地下水位非常高，一般埋深在0.50m左右，且受雨季影响大。

沪西变电站桩基工程共3种桩型，总桩数约16 200根，施工周期长达6个月。其中:1000kV设备、设备支架及建筑物基础下方布置φ400 mm的预应力高强混凝土(prestressed high-intensity concrete，PHC)管桩;1000kV构架基础下方布置φ600 mm的PHC管桩;110kV设备及支架基础下方布置钻孔灌注桩;全站道路及电缆沟底部布置水泥土搅拌桩。PHC管桩采取静压沉桩，布置密集，主变区域间距为2.0m×2.4m，总桩数约1 200根，1000kV气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear，GIS)区域间距为2.4m×2.4m，总桩数约为1 000根。沪西变电站地基处理工程是一个大型、复杂、密集桩群的施工项目［1-4］。

国家电网公司交流建设分公司组织设计、监理、施工、监测等单位及专家团队，针对沪西变电站地基工程的特点、难点，进行全面深入的研讨论证。为确保地基处理工程质量和临近运行站安全，在沪西变电站工程中应用了桩基监测法。

1 桩基监测的必要性

桩基施工监测是在预制桩施工过程中(含施工完成后的一定时间内)，对由于桩基施工而引起的超孔隙水压力变化、深层土体位移、土体抬升等实施动态监测的有效手段。

1.1 桩基施工监测是桩基检测的重要补充

虽然桩基检测与桩基监测都是进行桩基质量控制的有效手段，但两者有着不同的作用。桩基检测，是在桩基施工完成后，通过对桩体进行高应变、低应变检测，以此判断桩体完整性的方法，是一种“事后”检测措施。而桩基施工监测则是在桩基施工过程中对由于施工引起的土体孔隙水压力变化、深层土体侧向位移、周围土体纵向挤压抬升(反映为邻近桩体抬升)、地面位移(反映为运行站围墙位移)等进行动态监测的方法，是一种“过程”监测措施。桩基监测能为桩基施工过程中的施工质量控制提供依据，达到信息化施工的要求。

1.2 桩基施工监测是行业标准的强制要求

按DL/T 5024—2005《电力工程地基处理技术规程》第14.3.1(21)项要求，“在软土地区，为减少后续施工桩对已施工桩的影响并确保邻近建(构)筑物、地下管线的安全，以及确定基坑开挖合理时间，必须进行岩土工程监测”。沪西变电站工程地处软土地区、桩群布置密集，PHC管桩与运行的500kV练塘变电站最近距离约为90m，符合该标准的适用范围。

1.3 桩基施工监测是施工指导的量化手段

虽然桩基施工具有成熟的经验，比如:在一定范围内，先施工PHC管桩，后施工钻孔灌注桩和水泥土搅拌桩;在PHC管桩密布区域，应先施工中部PHC管桩，后施工四周PHC管桩等，但上述施工经验缺少定量控制指标。而桩基监测所采取的各项监测手段，均能通过监测数据和报警值设置，量化指导桩基施工的施工速率、施工工序、休止时间、开挖间隔、检测重点抽检部位等。另外，1000kV GIS基础不均匀沉降控制标准要求高(不超过2‰)，需要从桩基施工源头开始量化控制。

1.4 沪西变电站桩基工程的特殊性

沪西变电站站址地质情况复杂，土体稳定性极差，桩基工程桩型多、桩数多、布置集中、施工工期紧，且东侧临近运行的500kV练塘变电站，南侧和西侧临近新开挖的河道。特殊的地质地理环境和复杂的设计方案，导致集中桩群施工质量缺陷、围墙挡土墙及河道护坡位移、运行站围墙及基础位移的可能性大、风险高，必须实施量化监测手段，确保建设安全。

2 桩基施工监测项目

2.1 超孔隙水压力监测

上海地区处于沿海软土地区，地基土中分布有深厚的淤泥质土，含水率高，渗透性低。对于饱和软粘土，孔隙中充满水，这些水在稳定状态时有一个平衡的压力，这是孔隙水压力。当集中打入PHC管桩时，由于PHC管桩为挤土桩，土体会受到桩基施工的外力挤压，土体中的孔隙水也因受到挤压而无法快速渗透，导致土中原有水压力上升，由此产生超孔隙水压力。

超孔隙水压力监测，主要是通过对超孔隙水压力的增长和消散过程的观测，了解各种情况下沉桩对孔隙水压力形成的影响，分析可能对工程产生的危害，必要时提出警告和建议，调整施工进度安排，预估沉桩结束后到基坑开挖所需的休止时间。

超孔隙水压力监测通过在密集桩群区域布置孔隙水压力计来进行观测。在沪西变电站工程中，在主变、1000kV GIS等桩基密集区域共布置孔压计8组(P1 ～P8)，每组4 个孔压计，深度为4、8、12、20m，分别监测孔压计所在土层在沉桩过程中孔隙水压力的变化情况。孔隙水压计式布置见图1。

图1 孔隙水压力计深度分布Fig.1 Depth distribution of pore water pressure gauge

2.2 深层土体位移监测

由于沉桩引起的挤土效应，土体侧向位移对邻近的基桩产生侧向挤压，导致桩体在纵向范围内不同程度的水平偏位，一般顶部偏位大，底部偏位小。深层土体位移通过布置测斜孔来进行观测，有效掌握地基土变形。沪西变电站工程在主变东侧PHC管桩与灌注桩之间布置6个测斜孔(C1～C6)，在GIS东侧布置3个测斜孔(C7～C9)，深度为30m，进入⑥2号草黄色粉质粘土层。

2.3 桩顶位移监测

密集桩群施工过程中，由于挤土效应，后沉桩对邻近的基桩除在水平方向有水平位移影响外，在垂直方向还可能造成邻近的基桩桩头抬升。为此，桩顶位移监测选择容易产生较大偏位或抬升影响的单桩，进行位移观测，了解桩头偏位的过程。在沪西变电站工程中，分别在主变区域布置4根(Z1～Z4)，1000kV GIS区域布置4根(Z5～Z8)监测桩。监测桩在工程桩上进行加长，至地表下0.40m。

2.4 邻近建筑位移监测

在现有的练塘站与沪西站之间的临时围墙上设置4个位移监测点(W1～W4)，进行围墙位移的监测。沪西变电站工程桩基监测点平面布置如图2所示。

图2 沪西变电站工程桩基监测点平面布置Fig.2 Layout of pile foundation monitoring points in Huxi Substation

2.5 报警限值

根据设计和有关规程要求:超孔隙水压力达到上覆有效压力80%时报警;土体位移每天达30 mm，或累计达到60 mm时报警;桩顶位移连续多日达10 mm，或累计达到100 mm时报警，累计抬升20 mm时报警。

监测的报警限值依据JGJ 94—2008《建筑桩基基础设计规范》［5］、上海市 DGJ 08 －37—2002《岩土工程勘察规范》［6］及 DLT 5024—2005《电力工程地基处理技术规程》［7］的相关要求，并结合以往的工程经验和设计要求综合确定。

3 桩基施工监测法

主变区域桩基施工周期为2012年3月6日～4月29日，监测周期为2012年3月2日～6月10日。主变区域分南、北2段分别沉桩，每段又分东、西两侧往返沉桩。如主变区域北段东侧先从南至北向3～4排沉桩，再由北向南折返沉桩。主变区域南段亦是如此。

1000kV GIS区域桩基施工周期为2012年5月17日～6月16日，监测周期为2012年5月4日～8月10日。采取“S”形路径从南至北推进。

3.1 超孔隙水压力监测

主变区域，在单侧从南至北沉桩过程中，超孔隙水压力上升较大，但未超过报警值。而在折返沉桩后，因施工速率较快，超孔隙水压力因积聚效应，前次的还没有释放，又迅速上升，大幅度超过报警值，也表明本工程场地孔隙水压力的释放非常困难，没有良好的排水释压途径。主变区域按照5倍桩径的桩间距，初期每日每台桩机的沉桩数宜控制在15～20根，后期折返施工时宜控制在15根以内。主变场地典型的超孔隙水压力观测曲线见图3(图中虚线处为上覆有效压力80%)。

图3 P3超孔隙水压力观测曲线Fig.3 Observation curves of excess pore water pressure at P3 point

GIS区域在每天每台桩机在同一区域施工数超过30根桩的情况下，孔隙水压力超标现象普遍，但其总体超标幅度较主变区域小。经分析，GIS区域桩间距要比主变区域大(为6倍桩径)是主要原因，其次GIS区域场地回填较好、塑料排水板先期插设为次要原因。按照桩间距为6倍桩径，施工方式为成排向同一方向推进，打桩初期每日每台桩机的沉桩数宜控制在20～25根，后期施工中部的桩宜控制在每天15根以内。GIS场地典型的超孔隙水压力观测曲线见图4(图中虚线处为上覆有效压力80%)。

在桩基施工结束的休止过程中，经监测，20m处的超孔隙水压力消散速率较12m处快，主要因为12m深度范围内为淤泥质粉质粘土，其超孔隙水压力消散较为缓慢。

图4 P6超孔隙水压力观测曲线Fig.4 Observation curves of excess pore water pressure at P6 point

3.2 深层土体位移(测斜)

主变区域东侧沉桩经过测斜管附近后，测斜管测得的土体位移变化较大，而后期折返回到主变西部的桩基施工对东侧的土体位移影响明显减小，但会继续叠加。距桩群边桩约6m的监测点最大累计位移大多超过60 mm，位移方向与打桩挤土方向一致;桩基施工对20m外的土体仍有一定影响，但总体位移较小，距边桩20m处的监测点最大累计位移约21 mm，位移方向与打桩挤土方向一致，表明随着水平距离的增加，挤土效应明显收敛。

GIS区域监测成果显示，在距测点东西水平线5～8m范围内(最近的桩基实际距离8～10m)，桩基施工的挤压效果已经比较明显，而距测点东西水平线5m范围内(最近的桩基实际距离6m)的桩基施工对测点的挤压效应最大，而一般最邻近的桩基施工结束后，测点所反映的土体位移基本已达到最大位移，距桩群边桩约6m的深层土体位移监测点最大累计位移大都超过60 mm，位移方向与打桩挤土方向一致，后期较远的桩基施工基本没有大的影响［8-9］。

典型的深层土体位移监测曲线见图5。

3.3 桩顶位移监测

图5 C2和C7深层土体位移监测曲线Fig.5 Observation curves of deep soil displacement at C2 and C7 point

主变区域除监测桩Z4累计最大矢量位移为61.35 mm外，其他3根监测桩的累计水平位移超过报警值(100 mm)，最大累计矢量位移达 129～171 mm;桩基结束休止后，桩顶位移回落不明显。经分析，主要原因是沉桩施工速率较快，特别是在折返沉桩过程中未减缓施工速率，造成超孔隙水压力和桩顶位移都超过报警值［10-11］。

1000kV GIS区域除监测桩Z5位移监测数据没有超标外，其他3根监测桩的累计水平位移均较大，都超过100 mm的报警值，最大累计矢量位移达110～135 mm，桩基施工结束休止后位移回落不大。垂直位移Z6监测桩在施工中有超过报警值的现象，最大累计抬升达+24 mm。

根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》打入桩桩位允许偏差要求，中间桩允许偏差为1/2桩径(即200 mm)，因此，沪西变电站桩基均未超过桩位允许偏差值。各监测桩最终监测结果见表1。

3.4 邻近建筑位移监测

从监测数据来看，在桩基施工期间各位移点累计水平位移变化量在(+14～－27)mm之间(B方向)，垂直累计位移变化量在(+4～－6)mm，位移变化呈缓变型。桩基施工期间，临近的运行变电站围墙及内侧土体未出现明显裂缝，建筑物、道路及设备基础未发现异常情况。桩基监测工作有效确保了运行站的安全。位移观测结果见图6、图7。

4 桩基施工相关控制措施

4.1 超孔隙水压力及位移超标

为控制超孔隙水压力，桩基施工前需在沉桩区域内插塑料排水板，对于透水性能极差的灰色淤泥质粉质粘土，可在加密排水板的同时，采取铺设砂垫层透水的措施。施工时优化沉桩顺序，对于列数较多的密集桩群，可减少每次的施工列数，或采取“S”型沉桩路线，降低沉桩速率，避免集中沉桩。如发现超孔隙水压力及位移超标，可及时降低沉桩速率，调整沉桩顺序，如超标较严重需停工。同时，由于深层土体位移的影响范围广，当发现深层土体及桩顶位移超标后，需加强桩基开挖检测，验证桩体的完整性。

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4.2 邻近建筑位移超标

邻近建筑位移超标将直接导致运行站围墙开裂、地面裂纹、地下管道破坏等严重质量事故，需严格控制。主要控制措施是在桩基事故过程中动态监测，联合运行单位开展巡视，予以杜绝。

5 结论

(1)在桩基施工过程中进行超孔隙水压力、深层土体位移和桩顶位移等监测，制定报警标准，提供了桩基施工控制措施建议，并采取了相关处理措施(如及时调整了沉桩速率、沉桩工序、增设塑料排水板等)，及时将桩基施工监测数值恢复正常，对施工工序的调整和桩基施工质量控制发挥了应有的作用，特别是对大型复杂密集桩群在施工过程中容易发生的“漂移”现象进行了严格监控。经过1000kV沪西变电站桩基工程实践，重点部位桩基开挖检测，I类桩达到100%，达到了施工创优目标，为1000kV GIS大体积混凝土基础不均匀沉降等质量通病控制创造了有利条件，也为工程长期安全稳定运行奠定了良好基础。

(2)PHC管桩施工时的挤土效应明显，对已成桩产生一定的影响，主要表现为群桩外侧深层土体位移较明显，已成桩桩顶水平位移较大，桩顶抬升次之。在桩基施工期间，桩基施工处附近的超孔隙水压力监测点数据普遍较高，且上部土层中孔隙水压力消散也较缓慢，桩基施工对周围建筑物未产生明显影响。

(3)按照主变区域5倍桩径的桩间距，初期每日每台桩机的沉桩数宜控制在15～20根，折返施工时宜控制在15根以内。GIS区域按照桩间距为6倍桩径，施工方式为成排向同一方向推进，打桩初期每日每台桩机的沉桩数宜控制在20～25根，后期施工中部的桩宜控制在每天15根以内。

(4)根据监测结果，软土地区桩基施工后的基坑开挖，至少需在桩基施工休止40天后，且应结合超孔隙水压力的监测结果进行判断。要求超孔隙水压力消散率大于60%或超孔隙水压力小于上覆有效土压力的30%时，方可进行基坑开挖。

(5)GIS区域的超孔隙水压力总体超标幅度较主变区域小，应是得益于该区域场地回填较好，塑料排水板先期进行了插设等因素，而GIS区域桩间距要比主变区域大(为6倍桩径)也是主要原因。在桩基密度确定的情况下，增加塑料排水板数量能有效加速超孔隙水压力的释放，建议每根桩配2～3根塑料排水板，以加快孔隙水压力的消散，加速土体的固结。

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