成都地铁车站基坑桩体水平位移监测及数据分析

2023-07-23王龙李亚明

铀矿地质 2023年4期

王龙，李亚明

（核工业二一六大队，新疆乌鲁木齐 830011）

随着城市化进程的不断加快，各大城市都在大力发展地铁建设，地铁基坑监测变得越来越重要。桩体水平位移监测又称测斜，是地铁基坑监测的重要项目，为地铁建设中的安全生产提供保障［1］。在对基坑进行挖掘之前，基坑中的土层保持原有的平衡状态，一旦开始挖掘，土层原有的平衡状态就会被破坏掉，其之间的压力也会随即发生改变，严重情况会造成土体与支护结构之间产生相对形变。进行桩体水平位移监测对及时掌握工程的质量以及保证工程的安全性发挥着积极的作用［2-3］。基坑工程施工安全与否，必然与实际监测的数据分析具有紧密联系，做好预防措施，排除潜在的安全隐患，真正做到预防为主、安全第一［4］。

本文以成都地铁某车站基坑为研究对象，对围护桩的桩体水平位移变形曲线进行了数据分析，论述了不同阶段基坑施工对围护桩桩体水平位移累计变化量的影响规律。以基坑监测黄色预警时的各项数据异常为例，分析了监测数据出现异常的原因，总结经验，对安全施工提出了合理化的建议。

1 工程介绍

成都地铁13 号线一期工程于2019 年8 月16 日开工建设，设车站21 座。预计一期工程将于2024 年年底建成通车。其中某一中间车站，为地下两层局部三层岛式车站，总长729 m，标准段宽度为22 m，车站基坑深度为25～29 m，覆土厚度为2～9 m。车站大、小里程端为盾构接收。车站平面图见图1。

图1 成都地铁某车站基坑总平面图Fig.1 General plan of foundation pit of Chengdu metro station

车站范围内从上至下的地层主要为第四系人工填土层（Q4ml）、第四系中-下更新统冰水沉积层（Q1+2fgl）黏土和下白垩统灌口组（K2g）泥岩。其中上部人工填土回填时间小于5 年。该层均一性差，多为欠压密土，自重固结尚未完成，结构疏松，强度较低，压缩性高，受压易变形。中部黏土为弱膨胀土，自由膨胀率（FS）为48%～53%；膨胀力（Pp）为53.2～65.1 kPa，膨胀率为0.26%～0.35%，收缩系数为0.35～0.38。下部泥岩属易风化岩，全风化呈土状，局部呈碎块状，强风化呈半岩半土、碎块状，软硬不均，在场地范围内均有分布，具有遇水软化、崩解，强度急剧降低的特点。该层富水性差，透水性弱—中等，自稳定差，对围挡支护结构的稳定性影响大。各土层主要物理力学参数见表1，车站基坑地质纵断面图和地质横断面图见图2、3。

表1 物理力学指标综合建议值表Table 1 Suggested values of physical and mechanical indexes

图3 车站地质横断面图Fig.3 Geological cross-section of the station

车站范围内地下水主要有赋存于黏性土层之上填土层中的上层滞水、黏土中的裂隙水和基岩中的裂隙水。水量受季节性变化明显，具有雨季获得补充，积存一定水量，旱季水量逐渐耗失的特点。

2 监测内容及测点布置

本次工作对深基坑开挖过程中围护结构及周边环境进行了全面监测。监测项目主要为桩体水平位移、地表沉降、支撑轴力等，采用现场巡视检查和仪器测量结合的方式进行监测［5-6］。监测点布设总体要求见表2。

表2 监控量测设计表Table 2 Design sheet of the monitor measurement

车站基坑采用明挖法施工。由于基坑长度较大，大、小里程分区开挖。本文选取小里程端头测点CX1 进行分析，该测点位于小里程端头，短边中部。小里程第一段于8 月底开挖，11 月18 日顶板浇筑完成。基坑两侧长边每隔20 m 布设一个地表监测断面，两个短边各布设2 个地表监测断面，一共布设71 个地表监测断面，分别为DB1～DB71。基坑边对应布设71 个测斜孔，分别为CX1～CX71。附加71 组桩顶水平（竖向）位移监测点，分别为ZQS（ZQC）1～ZQS（ZQC）71。支撑轴力在直撑处每隔30 m 布设一组，在基坑阳角斜撑部位各布设一组，分别为ZL1～ZL30。基坑周边测点布设示意图如图4。

图4 车站监测布点示意图Fig.4 Schematic layout of the station monitoring point

3 监测方法

对地下连续桩体水平位移的监测能够直观反映基坑开挖过程中周边土体位移变化的情况。本次监测仪器采用测斜仪以及配套测斜管。测斜仪是一种能有效且精确地测量桩体水平位移的工程监测仪器，其优点是精度高、量程大和可靠性好等。

3.1 测斜仪的构成

本次工作使用的是CX-901F 型测斜仪，综合精度为±2 mm/30 m；分辨率为0.01 m/500 mm。整套仪器由读数仪、专用电缆、活动探头等部分组成（图5）。

图5 CX-901F 型测斜仪的构成Fig.5 Photo of the CX-901F clinometer component

3.2 PVC 测斜管的埋设

本次工作测斜管埋设采用绑扎埋设法，测斜管通过直接绑扎固定在桩体墙钢筋笼上，钢筋笼入槽（孔）后，浇筑混凝土。埋设就位的测斜管必须保证有一对凹槽与基坑边缘垂直，管侧空隙用砂浆进行回填［7-8］。现场效果图及测斜管凹槽方向见图6、7、8。

图6 绑扎法现场实景图Fig.6 Scene photo of the buried inclinometer pipe

图8 测斜管安装方向Fig.8 Installation direction of inclinometer pipe

3.3 测斜仪的工作原理

测斜仪中的活动探头沿测斜导管的导槽沉降或提升。测斜探头内加速度计传感器可以测量导管在每一深度处的倾斜角度。输出一个电压信号，在读数仪的面板上显示出来。测斜仪测出的电压信号是以测斜导管导槽方向为基准，在某深度处，测斜仪上下导轮标准间距L 上存在一个倾斜角，该倾斜角的正弦函数可换算成水平位移（图9）。

图9 测斜仪工作原理示意图Fig.9 Working principle diagram of the clinometer

如图10 所示，加速度计敏感轴在水平面内时，矢量g 在敏感轴上的投影为零，加速度计输出为零；当加速度计敏感轴与水平面存在一个倾角θ 时，加速度计输出一个电压信号［7］。

图10 测斜仪位移计算Fig.10 Calculation diagram of clinometer displacement

测斜管垂直于基坑方向有相差180°方向的两个导槽，将探头上的两组导轮顺着测斜管导槽放下，探头每隔0.5 m 进行读数，这组读数被称为A+读数。A+的计算公式如下：

式中：K0—加速度计偏值；K—加速度计灵敏度；g—重力加速度。为了消除K0的影响，可以将探头调转180°，在该点进行第二次测量得到另一组数据A-读数。A-的计算公式如下：

数据处理时，通过式（3）可将偏值K0消去，得到“测值”：

当把这些递增的水平偏差累计起来，从测孔底部开始绘制曲线，结果就是初次观测与后来的任一次观测之间的水平偏移变化曲线，代表此观测期间土体发生的变形，即水平位移。如图11 所示，从这个偏移曲线上很容易看出在某个深度正在发生偏移。

图11 测斜孔位偏移曲线Fig.11 Deviation curve of measured hole position

4 桩体水平位移监测的应用

4.1 测斜数据采集

测斜管应在测试前5 天装设完毕，在3～5天内用测斜仪对同一测斜管作3 次重复测量，判明处于稳定状态后，以3 次测量的算术平均值作为水平位移计算的初始值。

测斜探头放入测斜管底应等候5 分钟，以便探头适应管内温度，观测时应注意仪器探头和电缆线的密封性，以防探头数据传输部分进水。测斜观测时，每0.5 m 的标记一定要卡在相同位置，每次读数一定要等候电压值稳定才能读取，确保读数准确性。测斜数据采集见图12。

图12 测斜观测实景图Fig.12 Photo showing the field clinometer observation

4.2 桩体水平位移曲线图制作

在Excel 表准备数据源，可按表3、4、5 样式保存桩体水平位移结果数据。

表3 测斜仪观测原始记录手簿Table 3 Original record format in clinometer observation hand book

表3 中A+、A-的数值为测斜读数仪直接下载所得。由上文可知，测值＝（A+－A-）/2。由于本次桩体水平位移是从测斜管底部开始计算，在27 m 孔底处的本次观测值直接等于该处测值，由底部往上，26.5 m 处本次观测值等于该处测值加27 m 处的本次观测值，26 m 处本次观测值等于该处测值加26.5 m 处本次观测值，逐渐累加到管口处。

表4 桩体水平位移日报表的主要内容是当天的观测值和前一次的观测值相减得到当天的位移量，除以时间间隔得到本次变形速率。当天的观测值和首次观测的初始值相减得到测斜管的累计位移量。同样，将一周或一月的观测数据统计到一张表中可以制作桩体水平位移周报表和月报表。表5 记录了一个测斜管一个月内的各次累计变形情况。本期最后一次观测值减去上期最后一次观测值，可得到本期（本月或本周）阶段变形值，除以相应间隔时间得到本期变形速率。

表4 桩体水平位移监测日报表Table 4 Daily report of pile horizontal displacement monitoring

表5 桩体水平位移监测月报表Table 5 Monthly report of pile horizontal displacement monitoring

表格不能直观显示桩体水平位移的变化情况，故绘制水平位移变化量图可以得到位移的断面图，一般称之为桩体水平位移曲线图。在Excel表中插入图表，选择“带直线的散点图”。右键图表区，依次点击“选择数据”、“添加系列”。系列名称根据需要可以设置成具体监测日期，需要注意的是，X 轴系列取不同深度的累计变形值，Y 轴系列取深度值，并且Y 轴系列值在其他系列取值时保持不变，这与常规过程线取值有所不同。继续对图表标题、坐标轴标题、图例、网络线、系列等内容完成个性化设置［9］，即可完成单系列深层位移曲线图的绘制（图13、14、15）。

图13 添加系列值Fig.13 Add series value

图14 系列取值设置Fig.14 Series value setting

图15 是根据桩体水平位移测点CX1 不同时期的累计水平位移量数据制作而成。变形规律表现为由上到下在2.5 m 深度以内向基坑外变形，2.5 m 深度往下向基坑内变形，变形值在11.5 m 处达到最大值，随后往基坑底部变形值逐渐变小。桩顶和基底两端变形小、中间变形大，曲线呈鼓肚状［10］。

图15 桩体水平位移曲线图Fig.15 Diagram of pile horizontal displacement

围护桩桩体变形与基坑的每个施工阶段都有着紧密的关系。土体开挖深度、开挖工序是否合理、基坑支护是否及时、开挖后土体暴露时间等都会对基坑围护结构的稳定性产生不同的影响，监测数据也会跟着变化［11］。根据施工过程，把基坑第一段分为几个关键的施工阶段，见表6。

表6 基坑主要施工阶段Table 6 Main construction stage of foundation pit

基坑小里程第一段于8 月底开挖，选取测斜孔CX1 的7 个不同施工阶段的监测数据生成CX1 的桩体水平位移曲线图（图15）。CX1 位于基坑小里程端头（基坑为南北方向，线路由北向南，北面为小里程）短边中部处。基坑施工阶段1，土体开挖深度约12 m，此时，围护桩最大累计变形3.2 mm，出现在11.5 m 深度，桩整体变形不大。施工阶段2，土体挖深约15 m，围护桩在20 m 以下变形很小。相比施工阶段1，在中间7～18 m 之间变形较大，上下两头变化较小，其中深度14 m 处累计位移增加最大，达到了6.22 mm，桩体持续向基坑内变形。施工阶段3、4 分别是基坑第一段开挖到基底和基坑底板完成。围护桩继续向基坑边变形，最大达到20 mm 左右。因为基坑已经开挖到底，再到基坑底板完成之间，围护桩变形逐渐趋缓，两条变形曲线十分接近。施工阶段5 是基坑第一段中板搭架中，此时拆除了第三道钢支撑，围护桩向基坑内发生了明显变形。和上一阶段相比，累计变化量最大处集中在8～22 m，处于第二道钢支撑和基底之间。施工阶段6、7分别是基坑第一段中板浇筑完成和顶板浇筑完成，相比于之前，围护桩体又继续向基坑内产生了部分变形，最大累计变形量已接近控制值30 mm。原因是基坑周边施工材料堆载较多，施工车辆较多对基坑侧壁产生一定压力，同时基坑支护还没有完善。而当基坑中板完成后，支护体系接近完善，到最后基坑顶板完成之间，桩体位移变化已经很微小了，两个阶段的位移变化曲线几乎是重合的。

5 监测数据异常分析

本车站地表沉降（DB）及桩体水平位移（CX）的控制值均是累计变化量为30 mm，速率为3 mm/d。本次黄色监测预警标准：实测累计值达到累计量控制值的2/3 时，且日变化速率达到变化速率控制值时。当监测数据达到黄色监测预警标准时，需及时向施工单位发送黄色预警工作联系单，同时报送项目管理单位及工程监理单位。监理单位会召集项目管理单位、设计单位、第三方监测和施工监测单位以及施工方开会，一起分析监测数据异常原因，及时采取相应安全措施等。

图16 是某次黄色预警时的监测成果情况。如图所示，可以看出桩体水平位移监测点CX4在20.0 m 深度变化速率为＋2.51 mm/d，累计变化值为＋35.85 mm（桩体水平位移“＋”值表示向基坑内偏移，“－”值表示向基坑外偏移），同一监测断面的地表沉降监测点DB4-1 变化速率为－2.30 mm/d，累计变化值为－29.5 mm，均接近黄色预警标准。CX6 在13.0 m 深度变化速率为＋2.33 mm/d，累计变化值为＋23.40 mm，同一断面的地表沉降监测点DB6-2 变化速率为－5.90 mm/d，累计变化值为－43.0 mm，超过变化速率3mm/d，累计变化量30mm 的控制值限值，达到黄色预警标准。两个断面之间的支撑轴力监测点ZL1-4 变化速率为＋81.07 KN/d，测值1768.2 KN，超出监测限值50～1450 KN 区间范围。我们可以发现，各测项之间是有关联的，当桩体水平位移监测点数据异常时，同一监测断面的其他测项很可能会同时出现监测数值异常［12］。在基坑监测作业过程中，因为施工影响，部分监测点会出现占压、破坏等情况无法测量，如本次DB2-2、DB8-3 等被吊车或施工材料占压无法测量。这时同一断面的其他测项的测量就显得尤为重要了。

图16 某一监测断面监测点平面图Fig.16 Monitoring site plan of a monitor level

经分析，本次监测数据异常的原因主要有以下几点：

1）监测数据异常出现在基坑第一段和第二段范围内。第一段开挖约26 m，正在清底准备浇筑垫层。第二段开挖约24 m，接近基坑底部（设计深度26 m）。开挖方式为倒土方式出土，导致土压力突然卸载，围护桩桩体受力突然加大，造成桩体水平位移量变大。建议加快第一段结构底板施工，第二段通过调整台阶开挖，拉槽分层开挖，留反压土，使支护结构缓慢释放周边土压力［13-14］。

2）基坑周边堆载钢支撑较多，有吊车作业，荷载和动载影响较多。建议施工单位清理基坑周边堆载物，将其挪移出影响范围［15］。

3）基坑周边地质条件不好，基坑上部位于回填区域且有膨胀性岩土，随着基坑开挖深度增大，桩体水平位移累计值不断加大。可以采取及时支护，增加并撑和增加钢支撑层数的方法，还可以埋设注浆管，注浆加固土层。

4）距基坑边约15 m位置地表发现宽度约1 cm裂缝，长度约25 m，在硬化层的分块浇筑交接面，雨季降水较多，地表有裂缝时，雨水渗漏，对基坑安全有一定影响。建议施工单位及时填补周边地表裂缝，防止雨水进入。

通过本次研究，对安全施工提出以下建议：

1）基坑围护结构的变化体现在沉降、支撑轴力、桩顶水平位移、桩体水平位移、水土压力等多个方面，只有把所有的监测数据综合分析，才能更好的得出准确的结果。

2）在本工程的监测过程中，有出现其他监测项目数据正常，但桩体水平位移监测数据异常的情况。所以监测时尽量不要漏项，才能尽可能的杜绝各种安全隐患。

3）基坑开挖时，施工方必须严格按照施工设计，合理安排施工周期，禁止超挖，及时架设钢支撑，最大程度减少基坑无支撑时间。