软土地区某高校学科楼基坑监测研究

2017-08-07刘强

城市道桥与防洪 2017年7期

关键词：围护结构软土监测点

刘强

（上海市市政工程建设发展有限公司,上海市 200025）

软土地区某高校学科楼基坑监测研究

刘强

（上海市市政工程建设发展有限公司,上海市 200025）

基坑工程是一个复杂的多学科交叉的课题,尤其在上海等软土地区,基坑实施风险较大,再加上高校校区建设特有的周边条件,不可避免地需要解决一系列基坑相关问题。基于具有高校校园环境、开挖深度较深、软土地质较差等特点的上海某高校一交叉学科楼基坑项目,针对性地进行了监测设计与实施。结果表明,各项指标未超报警值,从监测的数据总体来看在可控制范围内,围护结构相对稳定,无重大险情出现,采用其围护设计方案是可靠有效的。

软土地区；高校教学楼；基坑；监测

0 引言

基坑工程是一个既十分古老又时刻更新具有时代特点的传统岩土工程课题[1],基坑围护（如木桩围护、放坡开挖等）的实施甚至可以追溯到远古时代。近十年来,在我国经济持续稳定增长的形势下,全国工程建设亦突飞猛进,基坑工程越来越多,对基坑工程的要求越来越高,随之出现的问题也越来越多,这给建筑施工特别是如高校学科楼项目等城市中心区的建筑施工带来了较大的困难[2-3]。

通过开展监测设计与实施,可以及时识别基坑项目建设中可能引发的风险,基于监测数据分析其影响程度,可提出对应的风险防范化解措施和建议,并预判措施后的风险等级,从源头上动态防范化解基坑项目风险[4-6]。

上海作为长三角的主要经济中心,具有显著的“三高一低”特点,场地地貌单元属滨海平原,地貌形态相对单一,地层主要由饱和黏性土、黏性土及砂土组成,具水平层理,地质条件非常差。某高校学科楼基坑工程就是其中的典型,既具有普遍的代表性,又具有高校校园环境等特点,因此对该基坑的监测设计实施进行研究,对以后上海乃至滨海滨河软土地区的基坑项目实施具有较高的参考价值。

1 工程概况

某高校学科楼项目,主要作为大数据科学与技术学院和数学科学学院的科研办公场所,分为西区和东区两栋楼。地上5层地下1层,建筑总高度23.6 m。总建筑面积为3.2万m2,地上总建筑面积2.5万m2,地下总建筑面积为0.7万m2。该工程±0.00 m相当于绝对标高4.800 m。

该工程基坑普遍挖深约5.3 m,虽然基坑工程安全等级及环境保护等级为三级,但考虑到位于高校校园,为确保师生安全及避免可能产生的社会稳定风险,基坑设计施工需要确保非常安全。围护结构采用一排850@600三轴水泥土搅拌桩内插H700×300×13×20型钢的围护形式,搅拌桩有效长度14.3 m,型钢有效长度为15.0 m,型钢采用插一跳一的形式。贴边深坑区域坑内采用双轴搅拌桩加固,桩长4.0 m,压密注浆封底。支撑体系在竖向设置一道钢管支撑,支撑平面布置为对撑+角撑的形式（见图1）。圈梁采用钢筋混凝土结构,截面尺寸1 200×700,混凝土强度等级C30,支撑采用609×16钢管,联系杆采用H488×300× 11×18型钢。

基坑施工期间需要设置立柱来承受水平支撑及其上的竖向荷载,立柱采用H488×300×11×18型钢,长度15.0 m。钢立柱在穿越底板的范围内需设置止水片。该工程基坑降水共需设置12套轻型井点,开挖前降水至坑底以下0.7 m。

该项目基坑开挖面积大,设一层地下室,开挖深度5.3～6.6 m,形状呈梯形,总基坑面积达7 680 m2,结合底板后浇带进行分区施工,整个基坑的围护结构在保证安全的前提下,尽可能方便施工。

图1 基坑分区平面示意图

2 周边环境

该工程项目周边环境较为复杂,北侧为经三路,南侧为经四路,东侧纬二路,西侧纬三路。道路上分布有污水、雨水、路灯等管线。部分管线在基坑开挖影响范围以内。

其余环境分别描述如下（见图2）:北侧为校内已建经三路和校内空地,场地内均为杂草；南侧为校内已建经四路和校内绿化场地,场地内均为绿化草皮；东侧为已建纬二路和在建环境科学楼,纬二路两侧分别有DN300污水管和DN600雨水管,东侧在建建筑已结构封顶,距离该工程基坑边约50 m；西侧在建建筑正在打桩施工,距离该工程基坑边约50 m。

图2 周边环境实景图

3 监测项目及测点布设

3.1 监测项目

基坑开挖施工的基本特点是变形的时空效应。在进行基坑开挖及支护施工过程中,每个分步开挖的空间几何尺寸和开挖部分的无支撑暴露时间,都与围护结构、土体位移等存在较强的相关性。这就是基坑开挖中经常运用的时空效应规律。做好监测工作可以可靠而合理地利用土体自身在基坑开挖过程中控制土体位移的潜力,从而达到保护环境、最大限度保护相关方面利益的目的。

根据该工程的设计要求、周围环境、基坑本身的特点及相关工程经验,按照安全、经济、合理的原则,测点布置主要选择在3倍基坑开挖深度范围内布点。

该工程监测内容主要包括两大类:

（1）基坑围护结构体系监测

围护结构顶部水平位移、垂直位移监测；围护体深层侧向变形（测斜）监测；支撑轴力监测；立柱垂直位移监测；地表垂直位移监测；坑外水位监测。

（2）周边环境监测

地下综合管线垂直位移监测；围墙垂直位移监测。

3.2 测点布设

各监测项目的测点布设位置及密度应与桩基施工、围护施工的区域、围护结构类型、基坑开挖顺序、被保护对象的位置及特性相匹配,同时参照围护结构位置、形式等参数进行测点布置,同时也注意了断面的布设,主要为了解变形的范围、幅度、方向,从而对基坑变形信息有一个清楚全面的认识,为围护结构体系和基坑环境安全提供全面、准确、及时的监测信息。

设计各监测项目布点情况如下:

（1）垂直及水平位移测点设置共用点,采用围护桩（或顶圈梁）内埋设沉降标志的方式布设测点,监测点布设间距20 m。

（2）SMW工法桩的基坑围护侧向位移变形（即为测斜）测斜管应随基坑围护同步埋设。将测斜管用束节逐节连接一起,连接时管口对齐,管与管连接口应涂上PVC胶水,在束节4个方向用自攻螺丝固紧束节与测斜管,每个束节接头两端用防水胶布包扎,防止水泥浆渗入管内。

（3）坑外地表沉降剖面监测点按设计位置用钢筋布设在原状土内,遇到路面等,应将结构层打穿再布设,确保监测点随周边的土体同步变形。

（4）坑外潜水水位监测点布设拟在基坑周围一定范围内布置潜水水位观测孔,具体位置可能会视地下障碍物分布情况适当调整。

（5）对各类地下管线的监测点应尽可能采用直接监测点对其进行监测,在现场条件受限制的时候也应采用设置模拟监测点对其监测。

综上所述,对布设的各类监测元件情况及数量进行统计（见表1）。

表1 基坑各类监测项目布设情况统计表

4 监测技术要求

4.1 精度要求

根据上海市《基坑工程施工监测规程》（DG/TJ 08-2001-2016）（J 13459-2016）中要求,监测不得低于以下指标:

（1）水平位移对中误差小于±0.5 mm,水平位移测量监测点坐标中误差1.0 mm；

（2）垂直位移监测网测站高差中误差±0.15 mm,监测点测站高差中误差0.15 mm；

（3）振弦类的传感器感测分辨率不大于0.2%（F.S）,精度为±0.5%（F.S）；

（4）地下水位的观测精度不应低于±1 cm；

（5）测斜仪的系统精度不低于±0.25 mm/m,分辨率不低于±0.2 m/500 mm。

4.2 监测频率

根据上海市《基坑工程施工监测规程》（DG/TJ 08-2001-2016）（J 13459-2016）及设计相关要求,监测工作自始至终要与施工的进度相结合,监测频率应与施工的工况相一致,应根据基坑施工的不同阶段合理安排监测频率（见表2）。

表2 各项监测项目监测频率表

各监测项目的测试及测量频率,根据实际的开挖顺序和监测数据变化情况,调整各监测点的实际监测项目和监测频率满足工程要求。

4.3 报警指标

监测报警指标一般以累计变化量和变化速率两个量控制,累计变化量的报警指标一般不宜超过设计限值。该工程报警指标拟定见表3。

表3 各项监测项目报警值

5 监测数据分析

根据表4施工工况,该工程监测从2016年3月15日开始至2016年10月29日结束,共计完成监测100次。

为了便于直观分析各监测点变化情况,根据监测成果按监测项分别分析。

（1）围护墙顶沉降位移监测

该工程在施工期间围护墙顶沉降变形趋势比较明显。其中,基坑挖土期间呈现明显下降趋势。底板浇筑完成至回填结束后各监测点逐渐趋于稳定,整个监测过程中,墙顶垂直位移均未达到报警值。

表4 施工工况汇总一览表

围护墙顶沉降累计最大点为WY09,累计量达-10.13 mm。分析其原因,由于此处重型挖土车辆经过,加上施工期间雨水较多,雨水的冲刷导致土体的下滑,是造成基坑围护墙体沉降的主要原因。

（2）围护墙顶水平位移监测

在开挖至底板浇筑阶段,各监测点均有不同程度向基坑内位移,至底板浇筑完成后,随着基坑底板强度的增加,变形逐步趋于稳定。其中,南北两侧变形较为明显,由于预留土的挖除使基坑内外应力释放,从而导致围护体外侧土体向坑内位移,在此期间WY7、WY8变形尤为明显,最大位移量为9.2 mm。至回填结束后各监测点逐渐趋于稳定。整个监测过程中,墙顶水平位移均未达到报警。

（3）围护体深层侧向位移（测斜）监测

在基坑开挖至底板完成阶段,各围护墙体受坑外土压力、水压力等影响普遍向坑内位移,最大变形量为31.35 mm,深度约地下7.5 m。随着地下结构的进一步施工,支撑拆除期间受拆除的影响,各围护墙体向坑内位移,但变形较小,约3 mm。故可以表明,支撑拆除对围护墙体的影响较小。随着地下结构施工完毕至监测结束,最终各监测孔变形逐步趋于稳定。

（4）坑外水位监测

施工期间,随着基坑内土体的挖出,坑外地下浅层水位呈现出明显的下降波动趋势,但波动幅度均在控制范围内,未出现明显的下降及报警情况。证明基坑围护结构止水帷幕在该工程中发挥了良好的止水效果。监测数据表明,坑外水位累计最大值为-730 mm,均未达到报警值。

（5）支撑轴力监测

在基坑开挖至底板完成阶段,各钢支撑受坑外土压力、水压力等影响普遍受力增大,最大值达到1 304.8 kN,未达到报警值。随着地下结构施工完毕至监测结束,最终各支撑轴力受力情况逐步趋于稳定。

（6）周边地下管线监测

周边地下管线及周边道路地表在基坑开挖施工期间,均呈现出一定的下降趋势。尤其在基坑开挖期间,在外围土体向基坑方向变形的情况下致使周边邻近地下管线产生竖向方向的变形趋势,至底板浇筑完毕最大变形为-8.78 mm。基坑地下结构施工至±0.00,各监测点变形逐步趋于稳定,在此过程中未发生险情。

（7）坑外地表沉降监测

施工期间,对周边环境有不同程度的影响,其中靠近基坑北侧、南侧变形尤为明显,最大变形值为-4.97～-25.47 mm,均未超过报警值。由此可见该工程围护结构SMW工法桩挡土结构在该工程基坑施工过程中效果较好,在很大程度上控制了周围环境的变形,达到了预期效果。

（8）基坑立柱垂直位移监测

施工期间基坑立柱整体呈现出一定的上抬趋势,变形速率较小,最大上抬量为8.40 mm。其中基坑挖土期间上抬变形较为明显。监测数据表明,施工期间未发生突变现象,均未达到报警值。

综上,该项目在基坑施工过程中因坑内土体卸载、坑内降水等施工活动造成坑外土压力、水压力向基坑方向移动,围护结构变形带动基坑周围土体下沉,使周边环境及围护结构产生不同程度的变形。在个别监测点速率较大及出现报警后,监测方加密监测频率,观察其变形值及变形速率,施工方优化施工工序,从而最大限度地控制了对周边环境、地下管线的影响。

在该工程整个监测过程中,从监测的数据总体来看在可控制范围内,围护结构相对稳定,无重大险情出现。

整个监测期间基坑未发生流砂、渗漏、拱起及坍塌等异常现象,监测人员通过及时监测基坑形变和巡视周边环境的变化,将信息反馈给相关单位,确保了人身、基坑及周边环境的安全,保证了各项工作顺利进行。