城市浅埋隧道基坑监测

赵 瑜，申奇发，代宏伟

(1.华北水利水电学院，河南郑州450011;2.河南省第一建筑工程集团有限责任公司，河南郑州450000)

随着城市建设的快速发展，许多城市对地下空间进行了不同用途的开发利用.而基坑规模和开挖深度的增大使临时围护结构变形和稳定问题变得复杂与突出.一方面，基坑尺寸和开挖深度的增大引发许多新问题，根据现有理论和经验难以解决;另一方面，随着城市建筑物密度增大，地下管线、地面交通等对基坑开挖及施工后产生的变位和不利影响有更为严格的要求［1］.因此，做好基坑工程监测，尤其是施工过程中的基坑监测十分重要.

1 工程概况

郑州市京广路拓宽改造及地下隧道工程，全线长3 900 m，隧道基坑开挖深度为11 m，宽为30 m.基坑安全等级为Ⅰ级，基坑围护结构采用桩锚支护.钻孔灌注桩长17 m，桩径0.7 m，间距 1.1 m，用0.6 m ×0.9 m的冠梁将各支护桩连成一体，形成围护桩墙.预应力锚索直径为0.15 m，间距1.6 m，锚索的水平倾角为15°.共布置2层锚索，第1层位于地面以下3 m处，第2层位于地面以下7 m处.锚索和支护桩通过工字钢腰梁相连接.工程采用的混凝土等级为C30.根据岩土工程勘察报告，隧道基坑开挖影响范围内的土体共分为5层，主要以粉土、粉砂为主.土层物理力学指标见表1.

表1 土层物理力学指标

隧道基坑和郑州火车站西出站口相邻，为南北走向，基坑周边道路交叉，管网遍布，施工环境非常复杂.基坑西侧有丹尼斯商场(5层)和希望加油站等重要建筑，建筑物相距基坑边线最近为5 m;东侧为居民楼，相距基坑边线约12 m，基坑开挖前对周边部分管线和建筑物进行了拆迁.场地地下水稳定水位埋深11.8～15.7 m.地下水位埋深大于基坑深度，所以不考虑地下水对基坑的影响.其中K2+160—K2+520段基坑开挖深度最深，距离周边建筑也较近，且土层结构复杂，具有一定的代表性，因此主要对这一段基坑的监测结果进行分析.基坑监测平面图如图1所示.

2 监测方案

对K2+160—K2+520段隧道基坑工程监测的内容有:①桩顶水平位移监测;②锚索应力监测;③深层水平位移监测;④建筑物沉降监测.

图1 基坑监测平面图

1)桩顶水平位移监测.采用徕卡TCA2003全站仪监测，测量精度为0.01 mm.在远离施工影响的地方，根据现场情况按规范要求制作设置3个观测基准点.基坑位移监测点布设在冠梁上，间距为25 m.共有水平位移观测点29个.

2)锚索应力监测.锚索应力采用XB－110锚索测力计和频率读数仪进行监测.锚索测力计测量范围0～1 000 kN，测量综合误差≤1.0.锚索应力监测点间距50 m，上、下2层锚索分别监测，共布设监测点13个.锚索应力计算公式［2］

式中:F为锚索应力，kN;K为标定系数，kN/Hz2;f0为初始频率，Hz;fi为测量频率，Hz.

3)深层水平位移监测.采用型号为XB338－2的滑动式测斜仪和直径80 mm的PVC测斜管监测.测量误差小于0.1 mm.测斜仪探头沿深度0.5 m测1个点，正反方向各测1次.然后取其差值的一半计算各段的位移量［2］

式中:"x为各段的位移量，mm;f为测斜仪最小读数，mm/με;"ε 为应变值，με.基坑两侧边坡均布置有测斜孔，测斜孔距离基坑1 m，根据工程场地实际情况，测斜孔间距为50～80 m.测斜管埋深为基坑深度的1.0～1.5倍，共有测斜孔12个.

4)建筑物沉降监测.采用徕卡DNA03电子水准仪监测，观测精度为0.01 mm.为了保证测量精度，监测中要求做到“定机、定人、定线路”.沉降观测点布设的原则［3］:监测点数量和位置应能全面反映建筑物沉降的情况;监测点必须布设在建筑物的关键部位.如转角、沉降缝两侧等;监测点间距6～12 m，共有沉降观测点30个.

3 监测结果分析

3.1 桩顶水平位移监测

监测结果表明，到基坑开挖完成时，最大桩顶水平位移值为16.9 mm，未达到报警值(25 mm).选取w61#桩(位于基坑中部)、w63#桩(位于基坑端部)、w73#桩(位于丹尼斯商场附近)进行分析，其桩顶水平位移曲线如图2所示.

图2 桩顶工期－水平位移曲线

由图2可知，各测点桩顶水平位移随着基坑开挖的进行，总体趋势是逐渐增大，但是，曲线又存在2个较平缓阶段，这是由于基坑开挖至3.5 m和7.5 m深度时，对基坑施加了2层锚索支护.锚索预应力抵消了部分土压力，减小了支护桩向基坑方向水平移动的速度.在基坑开挖完成后，土体、锚索、排桩达到一个新的受力平衡状态，使得桩体水平位移变化很小，所以在基坑开挖后期，位移曲线几乎成水平状.w73#桩桩顶位移值最大，这是因为丹尼斯商场距离基坑最近点只有5 m，在建筑荷载作用下，基坑变形相对严重.

3.2 锚索应力监测

锚索应力监测点较多，现以23#，27#锚索为例进行分析.两锚索张拉后最大应力值分别为270.4，265.2 kN，都未达到报警值360 kN.锚索应力变化如图3所示.

图3 23#，27#工期－锚索应力曲线

由图3可知，在张拉后短时间内，锚索发生较大的预应力损失，其主要原因是两侧锚索张拉造成中间锚索松弛;另外，自锁甲片和钢索的滑移、锚具的变形、腰梁和桩间的空隙等影响因素也会造成锚索预应力损失［4］.监测结果表明，在基坑开挖前期，锚索预应力有短暂的增加趋势，但是很快就趋于稳定.在图3中表现为应力曲线开始缓慢上升，然后一直处于水平波动状态.在监测过程中，发现基坑西侧部分锚索应力值很小，不满足设计要求.通过调查发现，原来是施工方为了赶工期，在锚索未达到规定养护时间过早张拉造成的.由此可知，对锚索进行应力监测在保证工程质量方面具有非常重要的意义.

3.3 深层水平位移监测

监测结果表明，各测斜管得到的边坡深层水平位移最大值为8.7～21.8 mm，全部符合相应的水平位移控制指标(单次位移值＜2 mm，最大位移值＜25 mm).采用锚索支护之前，边坡土体最大深层水平位移发生在地表，这是因为在土压力作用下，桩体发生类似悬臂梁的变形，其最大水平位移发生在桩体顶部.而土体随桩一起移动，所以土体最大位移位于地表处.在采用了锚索支护后，排桩－锚索组成支护体共同遏制了边坡上部土体的水平移动，而基坑边坡深层土体水平位移逐渐增大，最大水平位移位置由上向下逐渐移动，最终位于基坑底面附近的位置.基坑开挖完成后，测斜曲线呈现出两头小，中间大的“鼓腹状”变形特征［5］.但是，开挖结束并不代表边坡变形结束，这就要求施工人员充分利用基坑的时空效应理论，在土体开挖结束后迅速施工垫层以及底板，减少基坑曝露时间，这将有助于围护结构以及周围建筑物变形的控制［6］.最大深层水平位移值见表2.

3.4 建筑物沉降监测

在整个基坑开挖过程中，建筑物的累计沉降量为6.6 mm，最大单次沉降值为0.7 mm，均未达到报警值.各观测点沉降差值小于2 mm，而且在整个施工过程中建筑物墙体没有出现裂缝，表明建筑物是整体较均匀沉降.另外，靠近基坑测点的沉降值大于远离基坑测点的沉降值.建筑物工期－沉降曲线如图4所示.

表2 不同工况下最大深层水平位移

图4 建筑物工期－沉降曲线

由图4可知，建筑物沉降随着基坑深度的逐渐增加而不断增大，具有“先快后慢，先大后小”的变化规律;主要的沉降都发生在基坑开挖阶段，这是因为基坑距离周围建筑物较近，在对基坑开挖过程中，破坏了原有土体应力的分布，使得基坑周围土体发生较大变形，从而导致基坑周围建筑物发生沉降.但是，随着基坑开挖完成、底板浇筑之后，土体失去了发生较大变形的条件，所以在后期施工阶段，建筑物沉降变化较小，沉降曲线逐渐趋向平缓.监测数据显示工程结束后，建筑物沉降值不再变化，这表明建筑物沉降达到了暂时的平衡.但是，随着时间推移，建筑物还会继续下沉，只是沉降量很小，不会影响建筑物结构的安全.

4 结语

通过对郑州市京广路拓宽改造及地下隧道工程基坑监测数据的分析，得出如下结论.

1)桩顶水平位移随着基坑开挖的进行总体趋势是逐渐增大，但预应力锚杆有效地减小了边坡土体的水平移动速度.

2)锚索应力在张拉锁定后短时间内发生较大预应力损失，造成预应力损失的主要因素是两侧锚索的张拉造成中间锚索松弛.

3)随着基坑的开挖，边坡土体最大深层水平位移从上向下逐渐移动，最终位于基坑底面附近.基坑开挖完成时，测斜曲线呈现两头小、中间大的“鼓腹状”变形特征.

4)建筑物沉降随着基坑深度的逐渐增加而不断增大，具有“先快后慢，先大后小”的变化规律.在施工过程中，建筑物没有发生墙体开裂现象，而且各测点沉降差值较小，说明建筑物是整体沉降，不会影响建筑物的安全使用.

5)桩顶水平位移、锚索应力、深层水平位移、建筑物沉降等与基坑开挖深度具有明显同步性，所以在选取基坑开挖方案时，应充分考虑基坑变形的时空效应.

［1］覃睿，唐光暹，周永泉.基坑监测技术的现状及应用［J］.工程质量，2008，8(A):19 －21.

［2］朱艳峰，王红，甄宝山.城市明挖隧道基坑的监测［J］.检测与分析，2007，7(10):64 －65.

［3］济南大学.GB 50497—2009建筑基坑工程监测技术规范［S］.北京:中国计划出版社，2009.

［4］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，2008，9(37):30 －32.

［5］王镝，卢俊，曾京.公路隧道深基坑监测分析［J］.施工技术，2007，3(36):79 －81.

［6］徐有缘，周健，缪俊发.上海市龙阳小区公共服务项目2#楼基坑监测分析［J］.西部探矿工程，2007(4):167－170.