苏州乐园站深基坑监测分析实例

陈树杰 廖振宇

(无锡市轨道交通发展有限公司,江苏无锡 214043)

由于城市的迅猛发展,深基坑问题逐渐成了设计和施工的重要问题之一。为了确保基坑设计、施工的可靠性,除了在分析模型、计算方法、选用概率理论来尽量拟合实际情况以外,还必须进行现场监测。现场监测作为确保基坑工程施工安全可靠进行的必要和有效手段,对于验证原设计方案、局部调整施工参数以及改进和提高设计水平等具有现实的指导意义。

1 工程实例

苏州乐园路站标准段开挖深度为15.9～21.2 m,端头井开挖深度为17.3～17.6 m,采用800厚31～38 m深的地下墙进行围护；换乘节点基坑开挖深度23.2 m,局部最大开挖深度25.0 m。

苏州乐园站位于苏州乐园大门东侧,平行长江路,其北端为金山路,本站站位现址为苏州乐园停车场。基坑周边建筑物较少,南端井西面为阳光大酒店,换乘段西面为天恩大酒店,建筑物年代较新,结构为框架结构。周边管线大部分为电力、电信等软线,其他为自来水管线。其中标准段末端靠近天恩大酒店,是本工程最大的风险源,也是本工程保护的重点建筑物。

苏州地区多是淤泥质黏土和粉质黏土,属于软地基,墙体变化量比较大,容易引起周边环境的变化。

2 监测数据

基坑开挖和降水施工将不可避免地对周边环境带来不利影响,为此应加强对外围环境及支护结构的监测,及时了解施工中的动态变化情况以指导施工,便于及时采取相应措施。为确保基坑支护结构及周边建筑物的安全,在基坑开挖、支护及后续结构施工阶段进行了以下项目的监测：基坑围护结构墙体水平位移监测(测斜)、墙顶位移监测、建筑物沉降监测、支撑轴力监测、钢格构立柱的变形监测、坑外水位监测等。

为了清晰全面地分析监测数据,将苏州乐园站分为四个部分来介绍,分别为南端井、标准段、换乘段、北端井。

2.1 墙体水平位移监测

墙体水平位移监测变化曲线如图1、图2、图3、图4所示。

2.2 墙顶位移监测

墙顶位移监测曲线如图5、图6所示。

2.3 建筑物沉降

建筑物沉降情况如图7、表1、表2所示。

2.4 立柱沉降

立柱沉降情况如图8、表3所示。

2.5 支撑轴力

由于支撑轴力布点的特殊性,为了方便清晰地看到轴力随基坑开挖的变化趋势,选择有代表性的轴力计作为研究对象(如图9、图10、图11、图12所示)。

图1 南端井端头

图2 标准段

图4 北端头井

图6 北端井墙顶水平位移

图7 天恩大酒店房屋沉降

图8 立柱沉降

表1天恩大酒店房屋沉降数据mm

测点编号10-2711-711-1811-2411-3012-612-13JZ23-0.82-5.29-7.24-9.27-8.41-9.67-11.97JZ24-0.74-3.88-4.01-5.61-5.9-7.2-9.68JZ25-0.57-4.77-5.54-6.95-7.21-8.47-10.72JZ26-0.79-6.99-9.75-11.72-11.14-12.83-16JZ27-0.71-8.26-12.38-13.71-14.47-16.13-19.3JZ28-0.48-3.53-7.72-8.65-9.62-10.97-14.35JZ29-0.6-5.91-9.93-10.8-11.93-13.3-16.87JZ30-0.71-3.2-7.09-8.15-8.28-9.88-12.36

表2 最大累计变化量

表3 立柱沉降数据 mm

图9 第一道支撑 图10 第二道支撑 图11 第三道支撑 图12 第四道支撑

2.6 坑外水位

坑外水位随时间变化趋势如图13、表4所示。

图13 坑外水位变化趋势

表4坑外水位数据统计mm

11-2312-231-232-263-234-235-246-257-228-21SW13180-12893493001127929841943897839SW14-1714-2680-2231-2212-2805-2864-2657-2645-2631-2537SW21-395-904-471-473-402-351-442-406-438-388SW22-330-964-872-896-917-384-377-289-325-305SW27-1309-561-1219-1250-877-206-306-375-420-344SW28-1855-1888-3591-3558-2254-1807-1881-1727-1769-1621SW29-1900-1470-3853-3815-3595-4486-4318-4251-4016-3899

3 监测数据的分析

综合分析墙体位移数据变化情况分析,开挖第四层土时,是基坑开挖的关键时期,基坑越深,周边土体压力也随之增大,而且速度很快,墙体的最大土体压力位置下移,最大位移量出现在12～16 m之间。底板浇筑前,第三道和第四道支撑受力最大,报警值在这个时期极易出现。因此，浇筑底板的速度一定要快,时间要短,禁止基坑开挖到底后长时间的闲置。一般情况下,底板浇筑完成后,整个基坑处于受力平衡状态,基坑趋近于稳定。

拆撑也是一个关键时期,由于支撑的拆除,基坑由原来的受力平衡状态转变成另一种状态,致使墙体产生再次变形,而且拆除关键支撑墙体变化量比较大,一般在3～5 mm之间,甚至达到8～10 mm。

墙顶水平位移、垂直位移变化趋势是一致的,但是引起二者变化的直接原因不相同,墙顶垂直位移主要是坑内土体卸载坑底隆起引起,墙顶水平位移主要是坑外主动土压力大于被动土压力,坑外土体向坑内移动所造成的。

天恩大酒店靠近标准段,最近距离只有3 m,基坑稍微变形就会引起天恩大酒店的变形。从监测数据和建筑物变化趋势来分析,由于基坑墙体变化比较小,靠近天恩大酒店的墙体水平位移CX22最大变化量在20 mm左右,且比较平稳,对建筑物的影响较小。天恩大酒店建筑物基础为桩基础,结构为框架结构,建筑物年代较新,总体沉降量比较理想,其中最大累计沉降出现在靠近基坑边的JZ27(29.8 mm)。沉降规律与设计相符,靠近基坑的沉降量大,整体向基坑方向倾斜；随着基坑的开挖,沉降速率不断增加,底板浇筑完成后,变形趋势开始收敛。

立柱变形主要是坑底隆起造成的,变化量要远远大于连续墙墙顶变形。换乘段由于开挖较深,基坑面积大,立柱最大隆起量达到了29.18 mm，已经超过了报警值。监测报警后,监测单位主动加密监测频率,施工单位和各上级主管部门都非常重视,采取了各种措施,比如加快施工进度,抢浇底板,降低承压水的水头等等,最终立柱稳定在29 mm的位置。

从立柱变化趋势(图8)可以看出,在基坑开始卸载的时候,隆起量变化速率很快,开挖最后一层土时,隆起量基本上达到了最大,底板浇筑完成并凝固后,变化逐步减小,直至稳定。

通过支撑数据可以分析得出:

①支护结构设计中土体的物理力学参数选择不当。

深基坑支护结构所承担的土压力大小直接影响其安全度,但由于地质情况多变且十分复杂,要精确地计算土压力目前还十分困难,至今仍在采用库伦公式或朗肯公式。土体物理参数的选择是一个非常复杂的问题,尤其深基坑开挖后,含水率、内摩擦角和黏聚力三个参数是可变值,很难准确计算出支护结构的实际受力。在深基坑支护结构设计中,如果对地基土体的物理力学参数取值不准,将对设计的结果产生很大影响。

②基坑土体的取样具有不完全性。

③基坑开挖存在的空间效应考虑不周。

根据大量监测数据分析,基坑周边向基坑内发生的水平位移是中间大两边小。深基坑边坡的失稳,常常以长边的居中位置发生。这足以说明深基坑开挖是一个空间问题。传统的深基坑支护结构的设计是按平面应变问题处理的，对一些细长条基坑来讲,这种平面应变假设是比较符合实际的,而对近似方形或长方形深基坑则差别比较大。所以,在未进行空间问题处理前而按平面应变假设设计时,支护结构要适当进行调整,以适应开挖空间效应的要求。

④支护结构设计计算与实际受力不符。

工程实践证明,有的支护结构按极限平衡理论设计计算的安全系数,从理论上讲是绝对安全的,但有时却发生破坏；有的支护结构安全系数虽然比较小,甚至达不到规范的要求,但在实际工程中却满足要求。

极限平衡理论是深基坑支护结构的一种静态设计,而实际上开挖后的土体是一种动态平衡状态,也是一个土体逐渐松弛的过程,随着时间的增长,土体强度逐渐下降,并产生一定的变形,在设计中必须充分考虑到这一点。

根据支撑轴力的监测数据反映,本工程土方开挖初期,由于开挖速度较快,支撑轴力上升较大，这也与深层土体位移观测结果相对应。

由水位观测可以发现,坑外水位基本上呈现下降趋势。因坑内降水产生压力差,通过连续墙的缝隙渗入基坑,导致坑外水位下降。如果连续墙出现大的渗漏,坑外水位会出现急剧下降(例如SW29),当连续墙渗漏点被封堵后,坑外水位又会因为水源的补给而慢慢恢复。坑内水位和降水有直接关系,只有坑内水位降到设计位置才能顺利施工。对于多雨季节时出现的地下水位上升,应加大降水井抽水量,延长抽水时间的办降低地下水位,并加大地下水位监测的频率,确保施工的顺利进行。除采取以上监测措施外,每天应由工程经验丰富的技术人员对基坑稳定作肉眼观测,主要观察支护结构施工质量、围护体系渗水现象、施工条件的改变、坑荷载的变化、管道渗漏、降雨等情况对基坑的影响。注意基坑周围的地面裂缝、维护结构和支撑体系失常情况，邻近建筑物的裂缝、局部管涌现象,发现隐患及时处理。

4 结束语

建筑基坑的开挖与支护结构是一个系统工程,涉及工程地质、水文地质、工程结构、建筑材料、施工工艺和施工管理等多方面。它是集土力学、水力学、材料才学和结构力学等于一体的综合性学科，支护结构又是由若干具有独立功能的体系组成的整体。正因如此,无论是结构设计还是施工组织都应当从整体功能出发,将各组成部分协调好,才能确保它的安全可靠、经济合理。

地铁软土深基坑工程施工监测随工程地质水文条件变化,在工程实践中仍处于经验及工程类比的阶段。针对具体工程,常常通过设计和实际相结合的办法找出相应的监测方法,及时反馈信息,指导基坑施工。通过监测分析,在设计软土深基坑时必须考虑各种不利因素,针对不同的地质条件,采取不同的措施,充分考虑不同工况下基坑的变形及受力。在施工软土深基坑时应严格按时空效应执行,先撑后挖,短开挖、快支撑、速封闭、勤量测、速反馈,并且要充分熟悉地质资料,动态控制,必要时可对警戒值进行调整。

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