苏州地铁超宽超深基坑工程监测与分析

2010-09-04贾彩虹杨国忠张雪颖

铁道建筑 2010年10期

贾彩虹，杨国忠，张雪颖

(1.河海大学岩土工程科学研究所，南京 210098;2.南京工程学院建筑工程学院，南京 211167;3.中国水利水电第十四工程局有限公司，昆明 650041)

随着城市地铁建设的飞速发展，深基坑工程呈现出了开挖面积大、开挖深度深、形状复杂、支护结构形式多样和周边环境保护要求严格等特点。深基坑工程是一项极具挑战性、高风险和高难度的岩土工程技术热点课题［1-4］。作为一个复杂的综合性岩土工程，施工的每一个阶段，结构体系和外荷载的变化对支护结构的变形、内力有很大的影响。工程实践表明，对于复杂的深基坑工程必须在施工过程中采用监控量测和信息反馈技术，跟踪动态管理等技术措施来解决工程中复杂的技术问题，保障基坑与周边环境的安全和功能使用需要。

1 工程概况及水文地质条件

1.1 工程概况

本工程位于苏州市区中心，车站基坑保护等级为1级。车站西北侧为著名的观前传统风貌保护区，1倍基坑深度范围有文启堂、陈宅等省市级控制保护文物;西南侧距1号风井1.6 m有市级控保建筑紫藤院和新医科门诊楼及沿街1、2层铺面;东北侧1倍基坑深度范围有丽景苑高级住宅区以及在建和基广场高层建筑。

基坑工程围护采用地下连续墙，呈长方形，分为东端头井、西端头井和标准段，限于篇幅，本文主要对东端头井进行监测分析。东端头井基坑平面尺寸为41.4 m×35.6 m，开挖深度达20.4 m，为超宽超深基坑。东端头井地墙厚1 m，深37 m，基底采用φ850 mm三轴水泥土搅拌桩加固，基坑内设4排格构柱，沿基坑竖向设6道支撑，其中第1、3道为钢筋混凝土支撑，其余为φ609 mm钢管支撑，第6道为结合标准段底板纵向支撑，钢支撑采用十字相交。

1.2 水文地质条件

苏州市地处江南水网区，地表水的水位主要受大气降水和太湖排水影响，并受人为控制，常年水位1.10～1.30 m(黄海高程系)，其年变幅1 m左右。潜水稳定水位埋深在地面下1.30～1.90 m，高程1.33～1.94 m(黄海高程系)。该工程的地层参数见表1。

表1 基坑地层参数

2 施工方案及监测方案

2.1 施工方案

东端头井基坑主体围护结构采用地下连续墙，采用分层水平下挖，纵向放坡，横向先中间后两边，首先开挖出2根直撑并支撑好，然后挖斜撑位置，支撑后再挖基坑内中心的土方。自基坑中心沿垂直于斜撑方向向基坑角点分段、分层、限时地开挖并架设支撑。

2.2 监测点的布置

监测点布置如图1。

2.3 监测内容和监测频率

监测内容包括地下连续墙的墙顶沉降、墙体侧向位移、立柱沉降、地表沉降、周边地下管线沉降、支撑轴力、坑外地下水位等。监测频率为:基坑开挖0～15 m时1次/d，基坑开挖＞15 m至浇垫层时2次/d，浇垫层至浇底板7 d内1次/d，浇底板7～30 d时1次/2 d，浇底板30～180 d时1次/周。

2.4 监测报警值

监测报警值为:墙顶沉降 ±3 mm/d或 ±28 mm(墙顶水平位移报警值见表2);地表沉降±3 mm/d或±30 mm;地下管线沉降3 mm/d或10mm;建筑物沉降±3 mm/d或 ±20 mm;墙体测斜 ±3 mm/d或 ±29 mm;坑外水位下降500 mm/d或±1000 mm;支撑轴力大于设计值的90%。

表2 开挖期间墙顶水平位移报警值 mm

图1 监测点布置示意

3 监测结果与分析

根据施工设计结合基坑周边的开挖情况，基坑施工过程的节点为:2008年2月8日开挖第1层土，在冠梁底以下1.0 m施作第1道钢筋混凝土支撑;2月13日开挖第2层土，在冠梁底以下6.0 m施作第2道钢支撑;2月23日开挖第3层土，在冠梁底以下10.0 m施作第3道钢筋混凝土支撑;3月16日开挖第4层土，在冠梁底以下14.0 m施作第4道钢支撑;3月27日开挖第5层土，在冠梁底以下17 m施作第5道钢支撑;4月7日开挖第6层土;4月27日开始浇筑垫层;5月7日开始浇筑底板混凝土，拆第5道支撑;5月26日开始浇筑中板拆第2道支撑;6月20日浇筑顶板，拆第3、4道支撑。

3.1 墙体测斜

沿基坑围护边每隔24 m设置1组对称的测斜孔，“+”向坑内，“-”向坑外，测斜孔的布置见图1中的W6～W11。监测点 W9侧向位移见图2，各测点的墙体最大水平位移见表3。

各监测点关键阶段的变化规律类似，基坑水平位移基本向坑内方向发展，由于支撑的施作对水平位移的发展起到一定的限制作用，且使其稍向基坑外回复。以W9为例说明其变化规律，开挖第一层土(2月8日)，挖土对连续墙侧移影响很小，变化曲线接近于直线。开挖第2、3层土时(2月13日～3月15日)变化曲线为“弓形”，开挖第3层土后位移增量较大，最大水平位移发生的部位也随之下降。基坑中部的水平位移发展最快，基坑底部桩身的水平位移影响较小。开挖第4至6层土时(3月16日后)，曲线变化规律近似呈“β形”，不同工况之间的变形增量较小，变形渐趋稳定。

开挖阶段，墙体变形最大、最危险的地方不在桩顶而出现在基坑中部到2/3基坑深度处。浇筑底板期间(5月7日至5月25日)墙体上部位移增量较大，这主要是由于基坑尺寸超宽超深，支护桩墙嵌固深度与基坑深度之比为0.83，坑底暴露时间较长引起的。底板浇筑完毕(5月25日)后墙体位移基本保持不变，这是因为随着下部结构的施工，基础底板和每层结构梁板刚度形成后对地下连续墙产生了有效的约束。随着结构自重的不断增加，基底以下被动区的土体回弹受到限制并产生少量压缩变形，能够为地下连续墙提供的支撑反力逐渐增加。支撑起到了很好的稳定变形作用，使基坑的整体刚度明显增加，变形基本稳定。

由图2和表3可知，墙体的水平位移均小于表2中墙顶水平位移报警值。

3.2 墙顶沉降

沿墙顶圈梁每25 m左右设置1个墙体沉降监测点，“+”为上抬，“-”为下沉。测点的布置见图1中的Q6～Q11，在施工过程中Q7测点遭到破坏，无监测数据。墙顶位移时程曲线如图3所示，墙顶最大位移见表4。

由图3可看出:开挖第3层土前，墙顶略有下沉;开挖第3层土(2月23日)后，随着开挖深度增加，墙顶隆起量逐渐增加，但不是线性增加，其日隆起增量逐步减小。在每一层开挖过程中，隆起量会逐渐增加，但随着支撑的设置，隆起量会有明显减小。

图3 墙顶沉降时程曲线

表4 墙顶最大位移

3.3 立柱沉降

沿基坑纵向开挖段每25 m左右布设1个立柱沉降监测点，测点的布置见图1中LZ4和LZ5。

立柱沉降曲线如图4所示，立柱隆起产生的原因一是深层土的卸荷回弹;二是由于开挖形成的压力差导致的土体塑流;三是基坑底部土体吸水膨胀。卸荷回弹是主要的原因，随着开挖深度的增加，隆起量在不断增大，接近于折线形变化，浇筑垫层后最终趋于稳定。3月27日，开始开挖第5层土，由于挖土较深，土体大量卸荷，使得立柱回弹迅速加大。4月27日基坑开始浇筑垫层，基础底板混凝土浇筑使得荷载增加较多，且已经浇筑的基础梁板刚度不断增加，对立柱的约束已经形成，随着结构自重的不断增加，最终趋于稳定值，同时立柱间的回弹差异也保持稳定。可以看出立柱的隆起量相对于施工工况有一定的滞后性，LZ5回弹最大值为41.64 mm(5月1日)，LZ4回弹最大值为46.42 mm(5月19日)，LZ5和 LZ4出现的时间不同，是由于施工的顺序不同;但是差异回弹不大，最大差值为6.05 mm(5月13日)，为基坑开挖深度的0.03%。立柱和地墙的差异沉降最大值为34.36 mm(5月1日)，为基坑开挖深度的0.17%，说明围护结构和内支撑形成了整体性较好的体系。为了减少隆起量和差异沉降，应尽量减少基坑暴露时间。

图4 立柱变形时程曲线

3.4 地表沉降

监测点沿基坑外四周布置，见图1中 D6～D10。且选取4组布置成断面形式，断面垂直于基坑边线，每断面3～8点不等，如 D8-1～D8-7和 D10-1～D10-5。在施工过程中D9测点遭到破坏，无监测数据。地表沉降时程曲线见图5和图6。

图5 地表沉降时程曲线

图6 同一断面各测点地表沉降时程曲线

影响地表沉降的因素主要有:①地下水位的下降引起土的固结沉降;②支护墙体的位移引起周围地表的凹陷。由于在监测过程中地下水位变化不大(见图9)，故地表沉降主要是由支护墙体的位移引起的。

由图5可知，D6～D8的变化规律类似，先下沉，然后上抬，最终趋于稳定。沉降变化幅度很小，D6最大下沉量-4.63 mm，最大上抬量5.00 mm;D7最大下沉量-6.00 mm，最大上抬量2.91 mm;D8最大下沉量-3.89 mm，最大上抬量3.76 mm。D10随着开挖深度的增加，地表下沉量增大，开挖第5层土至浇注垫层前(3月27日至4月27日)地表下沉速率较大，浇筑中板 (5月29日)后，沉降减小并逐渐趋于稳定。地面最大沉降值为-21.31 mm，发生在4月25日的D10测点，处在安全范围内(±30 mm)。

由图6可知，同一断面上各点的变化规律基本相同，距坑边一定距离的范围内沉降最大，随后沿远离坑壁方向逐渐减小，距离坑壁越远变化幅度越小，最终逐渐稳定。每开挖一层，坑后地表都有一定量沉降的增加，每层形成的沉降分布曲线形状相似。

3.5 周边管线沉降

监测点按沿管线每10 m布设1个监测点。以给水管线监测点GZ为例进行分析，监测点的布置如图1中GZ10～GZ15，给水管线的沉降时程曲线如图7所示。

图7 周边管线沉降时程曲线

由图7可知，对同一管线上各测点而言，GZ10、GZ11、GZ12、GZ13变化规律基本一致，基坑开挖长边中点附近GZ10、GZ11、GZ12各测点沉降较大，而基坑角点附近 GZ13、GZ14测点沉降相对较小。GZ14、GZ15在3月17日前变化规律与其他测点基本一致，3月17日后GZ14、GZ15下沉量减小并逐渐隆起，最终趋于稳定。

3.6 内支撑轴力

支撑轴力一般沿基坑纵向每两个开挖段约25 m左右设1组，每组设2只应力计，监测点的布置如图1中ZL4和ZL5。以ZL4为例进行说明，内支撑轴力的时程曲线如图8所示，“+”为压力，“-”为拉力，ZL4-1表示第1道支撑，同理ZL4-5表示第5道支撑。由表5可知，在施工过程中支撑轴力最大值均小于控制值。

由图8可知，支撑距离越大，开挖深度越深，支撑轴力也越大。第1、3道为钢筋混凝土支撑，其变化可分为4个阶段:①增长阶段，随着混凝土强度的形成和开挖深度的增加，支撑轴力增加明显，并趋于峰值;②稳定阶段，由于下一道支撑参与工作，轴力会有所变化，但总的趋势是比较稳定的;③再次增大阶段，由于第5道和第2道支撑拆除，或换撑过程中的结构内力调整使得业已稳定的轴力再次出现上升段;④最终稳定阶段，开始浇筑底板混凝土后，钢筋混凝土的支撑轴力趋于稳定。

在多云或晴天，由于气温的日变化幅度较大，傍晚的轴力比早上增大12%左右，而在下雨天气，则轴力减小或不变。影响钢筋混凝土轴力的因素很多，除挖土、浇筑支撑或底板、拆除支撑等施工因素外，一些不可预见的或不可测的因素也起很重要的作用，如温度变化、混凝土收缩、支撑的结构体系、施工条件以及应力计本身精度等。

第2、4、5道为φ609 mm钢管支撑，支撑预加轴力后，随开挖深度的增大，支撑轴力均有所上升。原因是随着土方的开挖，土体卸载，被动土压力减小，导致桩身水平位移有向基坑内侧发展的趋势，钢支撑轴力逐渐增大。开挖结束后，支撑轴力的增长速率下降，随着底板混凝土的浇筑，支撑轴力基本趋于稳定。