深竖井施工地表及围护结构变形规律研究★

陈 周，赵英龙，周巾森，裴建良，李洪涛，姚 强

(1.中国水利水电第七工程局有限公司,四川 成都 610213; 2.四川大学水利水电学院,四川 成都 610065)

0 引言

在深竖井施工过程中,需要对竖井支护结构及周边地层变形进行全方位的监测,用于指导竖井施工和保障施工安全。我国在20世纪90年代开始对竖井和基坑工程施工进行全方位监测,经过多年来的大量研究,竖井和基坑工程监测技术得到了很大的进步和发展[1]。

王志坚和郝军[2]基于光纤光栅传感器的实时监测系统,对断层地质条件下的竖井井壁变形进行了监测。赵康等[3]同样基于光纤光栅传感技术,解决了潮湿、腐蚀井筒内壁条件下打孔监测难的问题。于成相和李芹涛[4]、赵喜江等[5]采用高精度三维激光扫描技术,对煤矿竖井井筒变形进行了全面监测。王鹏飞等[6]采用测斜技术,对基坑支护结构水平位移进行了监测。陈邦铎[7]详细阐述了地铁车站基坑变形监测方案、地表沉降监测、建筑物沉降和倾斜监测等技术。

运用上述监测技术,学者们对竖井工程变形及破坏规律进行了大量研究。李文辉[8]、国计鑫等[9]基于现场变形监测研究了倒挂井壁法施工竖井及周边地表的变形规律。付耀宇[10]研究了地铁工程竖井深基坑开挖的变形规律。李锦亮[11]分析了软土地区基坑施工围护结构、隧道与竖井的变形特点与规律,研究了各项保护措施对减小竖井差异沉降的效果。宋许根等[12]依据程潮铁矿地表变形、岩体变形和井筒裂缝监测资料,分析东主井井筒变形破坏的成因。高良博等[13]基于GM模型与灰色Verhulst模型对地铁竖井沉降变形进行了预测。

本文针对高富水砂层大直径深竖井工程监测变形规律鲜有研究的问题,以西霞院水利枢纽输水及灌区工程某深竖井为工程背景,详细说明了竖井施工变形监测方案,并详细分析了高富水砂层大直径深竖井施工期围护结构以及周边地层变化规律,可为今后类似工程提供参考。

1 工程概况

西霞院水利枢纽输水及灌区工程位于河南省黄河北岸,涉及洛阳、焦作、新乡三市的6个县(市、区)。工程从洛阳市吉利区西霞院水库坝下北岸已建灌溉闸引水,通过新建一条自西向东长114.283 km的输水总干渠,在为上游新建西霞院灌区供水的同时,将供水保证率较高的黄河水引调至武嘉灌区、人民胜利渠总干渠和大功灌区,年引黄总量2.13亿m3,发展灌溉面积2.08万ha,为下游武嘉灌区、人民胜利渠及大功灌区补水面积9.34万ha,工程布置各类渠系13条,新、改建骨干建筑物570座。其中武陟县境内输水总干渠穿沁河隧洞段桩号为XZ93+204.3—XZ96+154.3,长2 850 m。线路沿方陵村以北由西向东穿越沁河至南贾村以南敷设,中间下穿沁河。

出口检修井作为盾构接收井使用,位于南贾村以南一片杨树林、果林及麦苗田中。检修井直径21.8 m,采用1 500 mm圆形地下连续墙,井底板高程为-52.76 m,井深约42.8 m。在检修井勘探深度范围内,地层属第四纪新近沉积物,检修井开挖涉及地层从上至下分别为轻粉质壤土、重粉质壤土、粉质黏土、重粉质壤土、中细砂。沁河右岸地下水赋存于中细砂中,埋深14.2 m～22.1 m。

检修井采用明挖顺作法施工。如图1(a)所示,检修井采用高压喷旋桩封底,在检修井基坑底部形成连续的固结体,从而有效隔断地下水与基坑的连通。高喷封底平面范围超出地下连续墙外边线2 m,竖向范围为基坑底面以下10 m,成孔深度54.59 m。桩间完全搭接,不留空隙。如图1(b)所示,盾构接收洞口采用高喷加固措施,形成连续的块状固结体,实现加固止水作用。盾构接收洞口加固高压旋喷桩桩间完全搭接,不留空隙;加固范围为长12 m,宽17 m,深19 m,最大灌浆深度42.64 m。

2 检修井施工监测方案

本项目所采用的测试仪器有全站仪、水准仪、测斜仪等,工程监测项目包括地下连续墙墙顶水平位移、墙体水平位移、净空收敛变形以及地表竖向位移等,监测点位布置图如图2所示。

在2021年6月25日开始监测地表竖向位移监测,沿竖井径向共布设8条测线,编号分别为DBC1—DBC8,每条测线上布设8个或11个测点;在2021年7月1日开始墙顶水平位移、墙体水平位移监测,沿周向方向布设8个测点监测墙顶水平位移,编号为ZQS1—ZQS8,布设8条铅直测线监测墙体水平位移,编号为ZQT1—ZQT8;随着竖井的下挖,逐层布设净空收敛变形监测点,共布设六层测点,每层四个测点,编号格式为“KJK层号-测点号”,各层净空收敛测点布设时间与开挖进度的对应关系如图3所示。12月25日检修井基坑内二衬结构已全部施工完毕。

3 监测数据分析

3.1 地表沉降分析

竖井开挖会改变附近土层的应力状态,使土层应力重分布,从而使竖井周围地表产生竖向的沉降。因此,在竖井周围设置了一系列的监测点来动态监测地表沉降规律。由于共设置了76个沉降监测点位,为了更为清晰地展示地表沉降规律,选取竖井开挖期间部分监测点的沉降数据,绘制监测数据随时间和空间的变化曲线。此外,监测数据受测试仪器、监测环境、监测人员等因素的影响,沉降数据中会存在噪声,本文采用小波分析[1]对数据进行了降噪处理。

首先以距离竖井最近的监测点为例,绘制了这些监测点位竖向位移随时间的变化曲线,如图4所示。其中,正值表示隆起,负值表示沉降。从图4中可以看出,除DBC1-1测点出现隆起外,其余测点变形均表现为沉降,并且随着竖井的开挖,竖井周围的地表沉降也在不断增大。地表变形主要可以分为两个阶段,9月20日以前(即开挖至23 m左右)为第一阶段,主要表现为地表沉降持续增大;9月20日以后为第二阶段,地表变形基本趋于稳定,继续下挖对于地表沉降的影响较小。受非均质地层的影响,竖井周围的地表沉降也称非对称、非均匀分布,测点DBC6-1,DBC7-1,DBC8-1的最大沉降量相对较大,分别为4.13 mm,4.96 mm,2.49 mm,而其余测点的沉降量均小于1.55 mm。

然后以DBC7系列的监测点为例,绘制了这些监测点位竖向位移随空间位置的变化曲线,如图5所示。图5中部分数据表现为隆起,为典型的异常值,但不影响地表沉降整体趋势的判断。在不同的开挖深度条件下,随着测点与地下连续墙外侧距离的增加,地表沉降均呈逐渐减小的趋势。其中距离竖井最近的地表点沉降最大,最大沉降为4.96 mm。除DBC7系列的监测点以外,其余测线上的监测点也表现出类似的规律,且最大沉降量均比DBC7-1测点的最大沉降量小。因此,地表整体的最大沉降量约为5 mm,该沉降处于安全范围内,说明竖井开挖对周围地表沉降的影响较小。

3.2 墙顶水平位移分析

墙顶所有监测点在竖井开挖期间的水平位移随时间的变化曲线如图6所示,其中所有监测数据均为正值,表示向竖井内变形。墙顶水平位移规律主要可以分为两个阶段,10月10日以前(即开挖至30 m左右)为第一阶段,主要表现为墙顶水平位移持续增大;10月20日以后为第二阶段,墙顶水平位移基本趋于稳定,继续下挖对于墙顶水平位移的影响较小。随测点位置变化,最大墙顶水平位移也有所差异。其中,ZQS8号测点的墙顶水平位移明显高于其他测点,最大墙顶水平位移约为8.24 mm;而其余测点的墙顶水平位移变化规律基本一致,最大墙顶水平位移范围为3.13 mm～5.31 mm。

3.3 墙体水平位移分析

地下连续墙典型铅直测线在竖井开挖期间的墙体水平位移分布如图7所示,其中正值表示向竖井内变形,负值表示向竖井外变形。从图7中可以看出,随着竖井的逐渐下挖,出露的地下连续墙表现为向竖井内变形,而未出露的部分变形较小。例如,当开挖深度为10 m～20 m时,地下连续墙顶部10 m～20 m范围内向竖井内变形;当开挖深度为30 m时,地下连续墙顶部30 mm范围内向竖井内变形,埋深30 m以下的地下连续墙变形很小。但是当开挖深度超过30 m时,地下连续墙的变形趋于稳定,不再随开挖深度的增加而增大。对于地下连续墙变形的部分,随着测点埋深的增加,地下连续墙的水平位移逐渐减小,其中墙顶的水平位移最大。在开挖完成后,ZQT8测线上墙顶的水平位移最大,约为10 mm;而其余测线上墙顶的最大水平位移相对较小,约为4.5 mm;这与全站仪观测的墙顶水平位移规律类似。

以ZQT8测线为例,图8展示了不同埋深的测点监测的地下连续墙水平位移随时间的变化规律。从图8中可以看出,仅埋深在0.5 m,10 m和20 m的测点有位移变化,而埋深超过30 m的测点几乎没有位移变化,受竖井下挖影响小。可见,竖井开挖对地下连续墙变形影响的深度不到30 m。埋深0.5 m和10 m的测点在竖井下挖初期就产生了位移变化,在9月10日(已开挖20 m左右)变形趋于稳定,不再受下挖影响;而埋深20 m的测点在8月10日(已开挖12 m左右)开始变形,而在10月9日(已开挖至30 m左右)变形趋于稳定。埋深0.5 m的测点监测到的位移最大,约10 mm,量值在可控范围内,对竖井施工安全的影响较小。

3.4 净空收敛变形分析

沿竖井高程方向布设了6层净空收敛变形监测设施,布设高程分别为8 m,15 m,21 m,26 m,35 m和40 m。其中第一层的4个测点监测到的位移随时间的变化如图9所示,其中正值表示向竖井外变形,负值表示向竖井内变形。在第一层测点布设后,监测到的竖井变形较小,而在9月1日(开挖至17 m左右)后,第一层测点净空收敛变形逐渐增大,在10月9日(已开挖至30 m左右)后收敛变形已达最大值,并趋于稳定。同一层四个测点的最大收敛变形并不相同,KJK1-1,KJK1-2,KJK1-3,KJK1-4监测到的最大收敛变形分别为-4.23 mm,-3.37 mm,-2.99 mm,-2.41 mm,其中1号测点的收敛变形最大,其余监测层也均在1号测点出现收敛变形最大值。

各监测层1号测点的收敛变形随时间的变化曲线如图10所示。由于第5层所有测点观测的收敛变形以向竖井外变形为主且为大幅度三角形波形,与其余层向竖井内变形和单调变化规律不服,为典型的异常值,因此未在图中展示。与第一层测点的变化规律类似,其余层测点均在9月1日(开挖至17 m左右)后开始变形,而在10月9日(已开挖至30 m左右)后收敛变形趋于稳定。此外,KJK1-1,KJK2-1,KJK3-1测点埋深小于25 m,监测的水平位移相对较大;KJK4-1,KJK5-1,KJK6-1测点埋深大于25 m,监测的水平位移相对较小;最上层的KJK1-1测点监测的位移最大,随着埋深的增加,收敛变形逐渐减小。这些变形规律与测斜仪监测的墙体水平位移规律类似。

3.5 地下连续墙水平变形综合分析

本项目采用全站仪、测斜仪和收敛变形监测等多种手段对地下连续墙的水平变形进行了监测,因此本文进一步对不同手段监测的地下连续墙在开挖完成后的水平变形进行了对比,如图11所示。从图11中可以看出,不同监测手段获得的水平变形数据略有差异,例如部分净空收敛变形和墙顶水平位移监测数据比测斜仪所测的水平位移更大,主要原因在于墙顶水平位移监测和净空收敛变形设施布设在构筑物表面,易受到施工机具设备等扰动,产生更大的粗差。若忽略粗差的影响,所测地下连续墙水平变形规律基本一致,且墙顶所测水平位移误差小于0.5 mm。测斜仪所测水平变形和净空收敛变形均表明:埋深大于30 m的地下连续墙水平变形较小,而埋深小于30 m的部分会产生水平位移;墙顶的位移最大,除8号位置以外的最大水平位移约4.5 mm;随着监测点埋深的增加,地下连续墙水平位移逐渐减小。

4 结论

本文以西霞院水利枢纽输水及灌区工程某检修井为工程背景,对检修井地下连续墙墙顶水平位移、墙体水平位移、净空收敛变形和地表竖向位移进行了监测,并基于监测数据分析了高富水砂层大直径深竖井工程地下连续墙和周边地层变形规律。主要结论如下:1)在不同的开挖深度条件下,随着地表监测点与地下连续墙外侧距离的增加,地表沉降均呈逐渐减小的趋势。其中距离竖井最近的地表点沉降最大,最大沉降为4.96 mm。当竖井下挖至23 m左右时,地表沉降基本趋于稳定,继续下挖对于地表沉降的影响很小。2)随着竖井的下挖,地下连续墙墙顶水平变形、墙体水平变形和净空收敛变形向竖井内变形,变形量值逐渐增大,当下挖至30 m左右时,地下连续墙墙顶水平变形、墙体水平变形和净空收敛变形均趋于稳定,继续下挖对于地下连续墙水平位移的影响很小。3)竖井开挖完成后,地下连续墙水平位移随着监测点埋深的增加而逐渐减小,埋深大于30 m的监测点水平位移很小,埋深小于30 m的监测点会产生相对较大的水平位移,其中墙顶的位移最大,除8号测点的水平位移达10 mm以外,其余测点的最大水平位移约4.5 mm。