武汉地铁范湖站基坑重点段监控量测探讨与分析

曾瑞,肖永力,涂超(湖北省神龙地质工程勘察院,湖北武汉 430030)

武汉地铁范湖站基坑重点段监控量测探讨与分析

曾瑞∗,肖永力,涂超
(湖北省神龙地质工程勘察院,湖北武汉 430030)

摘 要:在基坑开挖的过程中,由于地质情况、支护条件、水文条件等因素的影响,可能会引起支护结构及周边环境的变化,严重的会引起一定的财产人身损失。本文根据武汉地铁基坑的实例,通过对支护结构的变形监测数据,对基坑重点变形段进行监测分析,提供科学严谨的数据供各方采取有力措施,从而确保地铁基坑的安全。

关键词:基坑监测；深层水平位移；轴力；沉降；信息化施工

1　前 言

随着越来越多的城市开始修建地铁,因地铁车站开挖而引起的基坑、周边环境变形的问题也越来越多。地铁基坑一般地处闹市区,场地狭窄,周边环境复杂,开挖深度大,开挖过程中的自身变形及引起的周边变化跟施工、设计、监测等均息息相关。本文根据武汉地铁范湖站基坑的监测数据展开分析,并及时给出工程预警,及时采取了相关措施,从而确保了基坑及周边环境的安全,避免了事故的发生,也为以后类似的工程提供了有力的参考。

2　工程概况

武汉市轨道交通三号线全长28 km,设站23座,范湖站为第14座车站。车站位于规划马场角路与青年路的交叉口处,沿规划马场角路布置于路下,车站与2号线范湖站通过通道换乘。

3　项目概况

范湖车站基坑其详细工况如下:本站主体基坑长266．4 m,标准段宽度为20．1 m,基坑标准段开挖深度约25 m,层数为地下3层,单柱两跨式岛式站台车站,地下分站厅、设备、站台3层,车站标准段结构外包尺寸为21．01 m×20．10 m,顶部覆土约3．3 m ～3．6 m。主体建筑面积16 443 m2,附属建筑面积6 808 m2,总建筑面积23 251 m2。车站主体围护结构采用1 000 mm厚地下连续墙,并入岩以满足抗浮要求,支护为混凝土支撑或钢支撑;范湖站主体结构基坑支护第一道支撑采用800 mm×800 mm钢筋混凝土支撑,第二～六道支撑采用16 mm厚609钢管支撑,附属结构基坑支护采用两道16 mm厚609钢管支撑。基坑监测点位布置图如图1所示:

图1　基坑监测点位布置图

4　工程地质与水文地质

4．1工程地质

拟建场区地形平坦,原始地貌属长江冲积Ⅰ级阶地。各岩土层的地层岩性如下:

(1)填土(Qml)层

①杂填土,层厚0．40 m～7．1 m。②淤泥(Ql),其厚度0．6 m～2．3 m,埋深0．8 m～4．5 m。

(2)第四系全新统冲积(Q4al)层

①粉质黏土与粉土、粉砂互层(Q4al),其厚度1．5 m～4．2 m,埋深1．5 m～2．3 m。②黏土(Q4al),其厚度0．5 m～6．4 m,埋深1．0 m～5．7 m。③黏土(Q4al)其厚度1．1 m～5．9 m,埋深0．4 m～6．8 m。④淤泥质粉质黏土(Q4al),最大厚度达27．9 m。其一般厚度1．5 m～7．5 m,埋深2．2 m～10．0 m。⑤粉质黏土夹粉土(Q4al),其厚度0．7 m～8．6 m,埋深5．0 m～12．0 m。⑥粉质黏土与粉土、粉砂互层(Q4al),厚度2．3 m～9．5 m,埋深6．7 m～17．0 m。⑦粉细砂(Q4al),其厚度3．5 m～14．3 m,埋深10．8 m ～22．8 m。⑧粉质黏土(Q4al),其厚度0．6 m～6．8 m,埋深18．5 m～42．0 m。⑨细砂(Q4al),厚度6．2 m ～31．7 m,埋深21．0 m～32．6 m。⑩中粗砂夹砾卵石( Q4al),其厚度0．5 m～13．7 m,埋深35．4 m ～50．0 m。

(3)下伏基岩为白垩-下第三系东湖群(K-Edn)

①强风化泥质粉砂岩,其厚度1．5 m～7．5 m,埋深38．2 m～50．1 m。②中风化泥质粉砂岩,其揭露厚度4．0 m～14．0 m,埋深41．0 m～52．5 m。

4．2水文地质

(1)地表水

(2)地下水类型分为上部滞水、潜水、孔隙承压水、碎屑岩裂隙水。

4．3周边环境

该站位于规划马场角路与青年路的交叉路口,规划马场角路路下,路口北侧有惠苑假日酒店,马场角路北侧为在建葛洲坝国际广场北区住宅小区,南侧为规划葛洲坝国际广场。地下管线沿规划马场角路布置于路下。车站内主要有电力、电信、自来水、排水等管线。

本基坑工程特点:开挖较深,地质条件差,地下水位高,对明挖基坑的开挖,结构抗浮稳定性及结构墙防渗有较大影响。

5　监测技术难点

(1)本工程基坑开挖较深,最大挖深25 m,属一级基坑。

(2)地处长江一级阶地,地质条件差,地下水位较高,开挖及降水对周边环境影响较大。

(3)周边建筑物距离较近,靠近青年路一侧有大量的市政管线,同时车站基坑西端头临近已运行的地铁二号线,监测要求精度高、监测难度较大。

(4)测量工作内容多、持续时间长,测量精度要求高。

(5)信息反馈要求及时准确。

(6)数据处理复杂。

(7)场地内较为狭窄,各种工种交叉作业,测量作业环境干扰大。

6　监测项目

①水平位移监测;②竖向位移监测;③深层水平位移监测(测斜);④倾斜监测;⑤裂缝监测;⑥地下水水位监测;⑦结构应力轴力监测;⑧周边环境变形监测等。

7　监测数据分析

本文重点以具有代表性变形的车站西端头为例,限于篇幅,主要针对以下监测项目进行分析。

7．1基坑周边地表沉降

由于范湖站西端头临近道路,在本次监测中,着重在周边二条道路上布设沉降观测点,如图2所示。

图2　基坑西端头监测点位布置图

一般来说,基坑开挖过程中,围护结构在水土压力及坑内支撑的共同作用,会发生一定程度的水平变形,这种变形会导致基坑周边环境发生沉降变形。降水也会导致周围环境发生一定程度的沉降,同时由于围护结构的渗漏水也会引发地面的沉降。由于范湖站采用的是地下连续墙,冠梁顶的刚度较大,所以本次地面的沉降变形主要由降水及围护结构水平变形引起。上述两种因素导致的沉降按下式计算:(1)降水引起的地面沉降按下式计算[1]

式中:△sw——水位下降引起的地面沉降(cm);

Ms——经验系数;Ms= M1×M2。对于一般黏性土M1可取0．3～0．5;粉质黏土、粉土、粉砂互层M1可取0．5～0．7;淤泥、淤泥质土M1可取0．7～0．9。当降水维持时间3个月之内时M2可取0．5～0．7;当降水维持时间超过3个月时M2可取0．7～0．9。

σwi——水位下降引起的各计算分层有效应力增量(kPa);

△hi——受降水影响地层(自降水前的水位至含水层底板之间)的分层厚度(cm);

n——计算分层数;

Esi——各分层的压缩模量(kPa)。

(2)围护结构水平位移引起的地面沉降按下式估算[2]

式中:V0为墙后土体损失量(m3/ m);φ为围护结构深度范围内土体的当量摩擦角(°);h0为基坑的开挖深度(m)。

综合以上两项计算,范湖站的地面沉降理论值为25 mm左右,实际测量的绝大多数地面点沉降均小于这一数值。前期已施工完成的相邻地铁二号线范湖站其地表沉降为30 mm。其变形曲线如图3所示[3]。

图3　地铁二号线范湖站地面沉降曲线图

3号线范湖车站西端头周边建筑物由于基础的原因,下沉降量较小。临近西端头青年路上的3个地面点的沉均小于理论值,最大的累计沉降量达到了8．47 mm。其变形曲线与二号线范湖站相类似,均表现在挖至中下段时下降明显,其变形曲线如图4所示。

该地面小于理论值及周边同等条件的其他车站地面沉降的原因,具体有①坑外降水较浅(约为11 m);②车站西端头为盾构始发开工较其他段早,降水范围小;③地连墙深度已入岩,基坑降水引起的周边地面沉降量与沉降差随地下连续墙插入深度的增加而减小[4];④车站西端头由于盾构始发而进行了高压旋喷,对土质进行了改良。同时,在穿越2号地铁线时对隧道内进行了同步注浆,对沉降的控制有积极的作用⑤西端头施工进度较快,及时进行了基坑的封底及主体施工,减少了后期的沉降量;⑥地表点未击穿道路硬层,致使不能真实反映地层的沉降。

图4　地铁三号线范湖站西端头周边环境沉降曲线图

7．2基坑围护结构深层位移

自2012年10月初车站西侧扩大端正式开挖至坑底基础施工完成期间,先是施工单位发现西侧连续墙出现了细微裂缝并发生渗漏,同时基坑支护的水平位移量逐步增大,最大44 mm,已超出了支护结构水平位移值(最大值)监控报警值为30 mm的要求。其间基坑的施工进程如下:

10月7日挖至第一层作业面,挖深约为2 m;

10月11日开挖至第二道支撑处,挖深约为7 m;

10月15日开挖至第三道支撑处,挖深约为12 m;

10月18日开挖至第四道支撑处,挖深约为16 m;

10月25日开挖至第五道支撑处,挖深约为20 m;

10月29日开挖至第六道支撑处,挖深约为25 m;

11月13日坑底垫层施工完毕,挖深约为26 m;

11月25日以后进行主体结构的施工;

位于基坑西侧连续墙中部SID2孔深层位移曲线的发展形势如图5所示。

由图5可知:除基坑开挖初期,基坑挖深至7 m之前,由于第一层混凝土支撑的强度的作用,前期曲线表现为向坑外位移外,基本上均表现为向坑内位移。随着开挖的进行,曲线随开挖深度的增加不断加大,同时最大位移部位不断下移。当开挖至负深22 m时,支护发生显著位移,开挖面的位移量为27．04 mm。开挖至底部时,位移量急剧增大,最大累计位移量为44 mm,同时

图5　SID2号孔深层位移-时间-深度变化曲线图

连续墙面出现渗漏现象,位移曲线凸肚现象明显。总体而言,基坑支护的变形随着开挖深度的不同,其变形最大处也在逐步下移,变形基本表现在开挖面以下3 m左右。而测斜孔顶端与底部位移变化量则相对较小,这与最上部为一道混凝土支撑及底部已嵌岩,强度较大有密切的关系。分析围护结构发生较大变形的原因,①开挖过快,周边土体应力释放过快;②原本在开挖至支撑处就应立即进行钢管的支撑,施工方常常支撑滞后;③支撑有效预加应力达不到设计要求,掉压现象经常发生;④西侧围护结构外侧三米处正在进行高压旋喷桩施工,对位移的变化影响很大;⑤内外降水高差过大等。以上综合因素,从而导致此处的变形明显加快。经过各方的紧急会议分析,采取以下措施:在第五道支撑与第六道支撑间增加一道直撑,暂停开挖第六道支撑下土方,对第五道支撑以下进行回填,停止高压旋喷桩的施工,减少坑内降水深度从而减小基坑内外的水头差,加密监测频率,及时反馈监测数据,用信息化方法来指导后期的工程施工等。以上措施有效地控制的围护结构的进一步变形,基坑变形速度明显减慢,其中增加的一道钢支撑作用尤为明显。

7．3基坑支撑轴力

现在的支撑轴力一般采用厂家提供的轴力计时行量测,用振弦式轴力计实测出钢支撑的实际频率变化,再根据出厂时标定的频率定值,求得支撑轴力。

一般计算分式:

P=K△F+b△T+B

式中:P——支撑轴力(kN);

K——轴力计的标定系数(kN/ F);

△F——轴力计输出频率模数实时测量值相对于基准值的变化量(F);

b——轴力计的温度修正系数(kN/℃);

△T——轴力计的温度实时测量值相对于基准值的变化量(℃);

B——轴力计的计算修正值(kN)。注:频率模数F=f 2×10-3。

图6　西端头轴力累计变化曲线图

支撑轴力实际上是支撑对周围土压力的集中反应,其数值和挖土顺序、速度、深度密切相关[5]。在监测的过程中,可以发现,钢支撑轴力随时间的变化曲线如图6所示。一般而言,钢支撑在安装初期由于预加应力掉压出现下降的情况,常常导致初期支撑轴力不太稳定。随着基坑的开挖,上一道的支撑轴力有所减小,而开挖面处的支撑轴力有所增加。开挖处的迎土侧主动土压力增大,卸载处的土压力减小,从而围护结构向坑内进一步位移,钢支撑的轴力也逐步增大。从图上也可以看出,越是位于基坑上部的支撑,其轴力较小,发展速度也较为均衡。而越是位于坑底的支撑,其轴力不但增加较明显,同时其发展速度相对较快。

图中的Z3为防止险情发展,而在第五道支撑与第六道撑之间增加的一道直撑,有效地控制了长边的变形。与第五道撑初期预加应力只有250 kN一样,这道增加撑初加应力也仅为410 kN,这一方面表现为上一道支撑代为受力,另一方面也反映预加应力损失较快。一般而言,预加应力应达到设计值的40%～60%,才能有效地控制开挖出险的初期变形。经过设计,施工多方研究与改进,将预加应力增加到设计值的80%,虽然掉压仍然存在,但对控制基坑的进一步变形起到了积极的作用。

2012年11月下旬以后,随着坑内结构施工加载增大被动土压力以及边坡应力释放基本结束,基坑及周边环境基本处于稳定状态,位移量亦减小,整个基坑进入相对稳定时期。随后变形逐步停止。

8　结 语

(1)通过及时反馈地铁施工引起的周边环境变形情况,对变形明显且达到或超过控制标准的地段及时发布预警或报警,使有关部门采取有效控制措施,消除安全隐患,确保了地铁施工的顺利进行。因此信息化施工在地铁施工过程中必不可少。

(2)钢支撑轴力在预加应力的过程中,常常会出现应力下降的现象。在钢支撑尚未完全受力的情况下,如何更好地控制预加应力,对减少基坑变形有重要的意义,在后期的工作中也需要进一步研究。

(3)在深基坑的开挖过程中,在底部长边处及时增加一道横向支撑,从本文来看,具有较为重要的作用。但也仅限于出现紧急状况,工期、费用、施工等问题均需要统筹考虑。

(4)对于重点段周边沉降监测显示,落底式的地下连续墙对于控制周边环境的下沉作用明显。有桩基础的建筑物比土体的下沉更加缓慢,下沉量也相对较小。

参考文献

[1] DB42/159-2012．基坑工程技术规程[S]．

[2] 王鹏．地铁基坑施工对周围环境的影响分析[D]．上海:同济大学,2009:20．

[3] 黄文亮．武汉地铁范湖站深基坑降水技术应用[J]．隧道建设,2009(1):93～96．

[4] 刘国锋,徐扬青,吴西臣．连续墙埋置深度对超深基坑降水效果的影响研究[J]．工程勘察,2014(1):51～58．

[5] 李庆伟,陈龙华,程金明．北京某深基坑监测实例分析[J]．施工技术,2008,37(9):30～32．

Discussion and Analysis on Monitoring and Measurement of Key Excavation Sections of Wuhan Metro’s Fanhu Station

Zeng Rui,Yiao Yongli,Tu Chao
(Hubei Shenlong Institute of Geological Engineering Investigation,Wuhan 430030,China)

Abstract:In the process of excavation,the effects of geological conditions,support conditions,hydrological conditions,etc．may cause changes in supporting structure and surrounding environment,even result in serious loss of property and life．Taking the example of Wuhan Metro foundation excavation,this paper has presented the analysis to the key deformation sections of foundation excavation based on monitored deformation data of supporting structures,providing rigorous scientific data for all parties to take positive measures so as to ensure the safety of metro foundation excavation．

Key words:excavation monitoring;deep horizontal displacement;axial force;settlement;informatization construction

文章编号:1672-8262(2015)05-154-05中图分类号:TU196,TU413．6

文献标识码:B

收稿日期:∗2015—06—26

作者简介:曾瑞(1972—),男,高级工程师,主要从事岩土工程监测及研究工作。