北方冬期明挖基坑变形监测分析研究

宋吉超

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司,北京 100101)

0 引 言

长春市属寒温带大陆型季风气候,四季分明,春季干旱多风,夏季炎热多雨且短暂,秋季凉爽温差大,冬季严寒而漫长。历年各月极端最高气温38℃,最低气温-36.5℃,多年平均气温4.9℃,冻结期长达5个多月,12～4月份平均气温零下17℃,土的冻结深度为1.5～1.8 m,春季来临后气温逐渐升高。

城市轨道交通工程具有建设规模大、建设周期长、地质条件和环境条件复杂、工程风险高的特点,我国北方土体表层冬冻春融,在其冻融循环的过程中对工程风险的提高可谓是雪上加霜,土体性质的变化将直接影响地铁深基坑支护结构的稳定性。尤其是秋冬和冬春冷暖交替季节是北方城市地下管线泄漏的多发期,再加上复杂的地质条件等种种因素更是使轨道交通工程建设风险难以控制。因此,冬期停工期间的监测在风险管控中的作用就尤为重要,监测数据的连续性为工程安全复工提供了重要的保障。

1 工程概况

长春市地铁2号线袁家店站位于绿园区双丰乡袁家店,在西四环路与站前街交叉口的东北角,为换乘车站,规划轻轨6号线在地铁以南平行从地下穿过。袁家店站厅公共区为远期预留接口,本期3、4号出入口为预留口。场地以北为荒地及高压铁塔线路,以西为西四环路,以南为民用住宅,以东为荒地及道路。本车站周边环境主要以荒地为主,根据现有管线资料,基坑施工范围内无管线,如图1所示。

图1 袁家店站平面示意图

2 结构形式与施工方法

袁家店站为地下岛式车站,站台宽度为13 m,车站宽度为20.5～32.9 m,有效站台长 118 m,车站全长 310 m。其中现浇段 122 m,装配段 188 m,车站主体覆土3.0～5.0 m左右,部分为双层三跨箱型框架结构,部分为装配式管片结构。车站西侧区间采用盾构法和单洞双线暗挖法施工,楼板处需为盾构提供接收条件,东侧采用盾构法施工,楼板结构需为盾构提供始发条件。车站附属结构包含2个风亭、3个出入口、2个疏散口、1个紧急疏散口及1个预留出入口,均采用明挖法施工。

基坑平面布置:基坑长度310 m,装配段 188 m,现浇段 122 m,如图2所示。

图2 基坑支护结构平面示意图

车站现浇段及装配段基坑横断面:围护桩+钢支撑和围护桩+竖向五道锚索锚拉的支护形式,如图3所示。

图3 车站现浇段及装配段基坑横断面示意图

3 工程地质及水文地质条件

拟建长春地铁2号线一期工程袁家店站位于松辽波状平原东缘与吉东山地接址带,属长春波状台地,地势北高南低,地面高程202.72～210.23 m,场地整平标高为 204.515 m。场地北部填土较厚,为土坡,高程在206.48～210.23 m。根据地质报告场区地层由杂填土、黏土及泥岩组成;第一层为杂填土厚度1.2～7.9 m,第二层为粉质黏土厚度 2.6 m,第三层为全风化泥岩厚度2～7 m,第四层为强风化泥岩厚度16.9～22.3 m。

现场勘察过程中,于钻探过程中发现一层地下水,为碎屑岩类裂隙水。含水层岩性为泥岩与泥质粉砂岩,无稳定水位,主要接受上层潜水的渗透补给及侧向的径流补给,排泄方式主要为相对含水层中的径流形式。在勘察过程中遇少量上层滞水,水量不大,水位埋深2.90～8.50 m(高程199.42～202.46 m),主要赋存于泥岩中。其主要补给来源为大气降水和地表水入渗,排泄方式主要为蒸发和微弱的径流排泄,并向下渗透补给岩石含水层。其水位具有明显的丰、枯水期变化,丰水期水位上升,枯水期水位下降,年变化平均值约 1.00 m,场地整平后最高水位为地表以下 1.50 m,如图4所示。

图4 地层及地下水位分布示意图

4 风险工程及监测重点

袁家店站主体明挖基坑结构工程自身风险等级为一级,无周边环境风险,综合判定本工程监测等级为一级,如表1所示。

表1 风险源工程统计表

本工程周边环境较为简单,监测重点基坑结构自身,主要是基坑开挖时周边地表沉降及差异沉降和基坑轴力等关键工序的施工时,对其巡查及监测力度应加强,关注基坑自身的变形。

车站范围内地下水位高于结构底板,采用降水施工,现场巡查过程中要加强关注地下水的控制情况,土方开挖时桩间易造成渗漏水、涌泥等对工程自身及周边环境造成不利影响,施工过程需着重加强巡查工作。

5 监测工作内容及要求

5.1 监测范围

本工程监测范围为基坑自身支护结构及施工影响范围内的周边环境。周边环境监测范围取从基坑边缘向外2倍开挖深度或从隧道中线向外2倍隧道埋深即2.0H(H为基坑开挖深度或隧道底板埋深)且不小于 30 m范围,其中地下水位监测选择基坑四角和长边中点。

5.2 仪器监测对象、项目及精度

仪器监测的对象、项目、仪器及精度如表2所示。

表2 仪器监测的对象、项目、仪器及精度

5.3 现场监测频率

结合施工工况和冻土特点监测频率调整为:主体基坑开挖期间1次/2天,冬期停工期间1次/7天;结构施工期间,1次/周;经数据分析确认达到基本稳定后1次/月。

5.4 监测点布设及监测方法

(1)地表沉降监测:为保护测点不受碾压影响,道路及地表沉降测点标志采用窖井测点形式,采用人工开挖或钻具成孔的方式进行埋设。观测采用几何水准测量方法,使用Trimble DINI03电子水准仪观测,采用电子水准仪自带记录程序,记录外业观测数据文件。监测点监测主要技术指标按《工程测量规范》GB50026—2007三等垂直位移监测网技术要求观测,采用闭合水准路线时可以只观测单程,采用附合水准路线形式必须进行往返观测,取两次观测高差中数进行平差。往测的观察顺序:后、前、前、后,返测的观察顺序:前、后、后、前。

(2)桩顶沉降监测:监测点埋设在冠梁的顶部用冲击钻钻出深约 10 cm的孔,再把监测标志(小棱镜)放入孔内,缝隙用锚固剂填充。桩顶沉降监测采用几何水准测量方法,使用Trimble DINI03电子水准仪进行观测,其技术要求及观测注意事项与道路地表沉降监测相关要求一致。

(3)桩顶水平位移监测:监测点埋设在冠梁的顶部用冲击钻钻出深约 10 cm的孔,再把监测标志(小棱镜)放入孔内,缝隙用锚固剂填充。本工程根据现场条件,监测点水平位移观测采用极坐标法。

(4)支撑轴力监测:轴力计采用频率读数仪进行读数,监测精度达到0.25%F·S,并记录温度。

6 监测成果分析说明

本文监测成果分析说明只针对袁家店站主体基坑冬期停工期间,主要目的是为了避免现场施工扰动和车辆荷载等影响,各项监测数据分析取值时间段为:2015年11月10日～2016年4月10日。

2015年11月10日,袁家店站主体基坑进入冬期停工状态。拼装段15轴至32轴垫层铺设完成,开挖长度 120 m;32轴至38轴之间第五层锚索张拉完成,开挖长度 48 m;38轴至40轴之间正在张拉第四层锚索,开挖长度 15 m,开挖深度 25 m;40轴至43轴之间正在张拉第三层锚索,长度 15 m,深度 20 m。现浇段主体已完成,目前已回填,东侧端头旋喷桩施工完毕。

2016年4月10日,袁家店站主体基坑复工,开始进行管片拼装施工。

气温说明(图5):2015年长春市入冬以来气温逐渐降低,从11月15日开始日最低气温稳定在0℃以下,同年12月26日最低气温达到-24℃;2016年1月22日,整个冬期气温最低点达到-28℃;从3月9日开始气温逐步回升,3月31日气温为5℃,此时正式回升至0℃以上,4月6日气温最高达到17℃;整个冬期平均气温为-11℃。

图5 阶段性历史气温统计表

6.1 监测数据统计

阶段变化及累计变化最大值统计如表3所示。

表3 阶段变化及累计变化最大值统计

6.2 监测数据分析

(1)地表沉降监测

本期基坑周边地表沉降测点自入冬以来监测数据变化较为平稳,如图6所示,直至2016年3月31日气温开始回升至零上,此阶段土体处于冻融期,监测点数据存在明显上浮情况。测点DBC-11累计变形值从+3.9 mm上浮至+18.5 mm后数据趋于稳定,阶段变形量为+14.6 mm;测点DBCJ-11累计变形值从-9.7 mm上浮至-3.2 mm后数据趋于稳定,阶段变形量为+6.5 mm;测点DBCJ-10累计变形值从-78.2 mm上浮至-63.6 mm后数据趋于稳定,阶段变形量为+14.6 mm;测点DBC-10累计变形值从-79.2 mm上浮至-66 mm后数据趋于稳定,阶段变形量为+13.2 mm。

图6 长春地铁2号线袁家店站主体基坑地表沉降时程曲线图

(2)桩顶沉降监测

本期基坑支护结构桩顶沉降监测点自入冬以来整体监测数据变化较为平稳,冬期数据有较小的沉降起伏波动,如图7所示,直至2016年2月25日气温开始逐步回升,此阶段冻层最下方土体开始缓慢融化,监测点数据存在较小的上浮情况。测点ZDCJ-3累计变形值从+1.2 mm上浮至+5.8 mm后数据趋于稳定,阶段变形量为+4.6 mm;ZDCJ3-Z累计变形值从+1.5 mm上浮至+6.5 mm后数据趋于稳定,阶段变形量为+5 mm;ZDCJ4-Z累计变形值从-1.9 mm上浮至+3.5 mm后数据趋于稳定,阶段变形量为+5.4 mm;ZDCJ6-Z累计变形值从-3.1 mm上浮至+3.8 mm后数据趋于稳定,阶段变形量为+6.9 mm。

图7 长春地铁2号线袁家店站主体基坑桩顶沉降监测点变化时程曲线图

(3)桩顶水平位移监测

本期基坑支护结构桩顶水平位移监测点自入冬以来整体监测数据变化较为平稳,冬期数据有较小的偏移波动,如图8所示,从2015年12月30日监测点发生向基坑内偏移的趋势,此时冬期气温进入最低阶段,同时支撑轴力增大。测点ZDWY3-Z累计变形值从 +15.4 mm增加至+19.9 mm后数据趋于稳定,阶段变形量为 +4.5 mm;测点ZDWY4-Z累计变形值从 +20.4 mm减小至 +19.7 mm后数据趋于稳定,阶段变形量为 -0.7 mm;测点ZDWY8-Z累计变形值从 +12.7 mm增加至 +19 mm后数据趋于稳定,阶段变形量为 +6.3 mm;测点ZDWY9-Z累计变形值从 +11.7 mm增加至 +19.4 mm后数据趋于稳定,阶段变形量为 +7.7 mm。

图8 长春地铁2号线袁家店站主体基坑桩顶水平位移时程曲线图

(4)支撑轴力监测

本期基坑第一道钢支撑轴力测点自入冬以来整体监测数据相对变化较为平稳,但从2015年12月20日开始气温逐渐降低,如图9所示,此时冬期气温进入最低谷,钢支撑轴力急剧增大。测点27#支撑轴力值从+67.2 kN增加至+594 kN后数据趋于稳定,阶段变形量为 +526.8 mm;测点20#支撑轴力值从 +106.5 kN增加至 +571.8 kN后数据趋于稳定,阶段变形量为 +465.3 kN;测点25#支撑轴力值从 +42.6 kN增加至 +440.25 kN后数据趋于稳定,阶段变形量为 +397.65 kN;测点145#支撑轴力值从 +120.1 kN增加至 +528.2 kN后数据趋于稳定,阶段变形量为 +408.1 kN。

图9 长春地铁2号线袁家店站主体基坑支撑轴力测点变化时程曲线图

(5)桩体水平位移监测、地下水位监测

由于测斜孔内积水,冬期温度过低导致斜孔内积水和地下水位孔内结冰,无法进行正常的有效监测,所以这两监测项目本文不做数据分析说明。

6.3 现场巡查情况

2015年11月10日入冬以来,袁家店站主体基坑一直处于冬期停工状态,现场巡查基坑支护结构未见明显变形及开裂,但基坑侧壁存在少量渗漏水情况,随着气温降低,漏水点结冰严重;基坑周边地表未见明显开裂、隆起等情况,如图10所示。

图10 现场巡查照片

7 冬期基坑监测工作注意事项

北方冬期基坑监测与其他季节施工监测有所不同,现场作业暴露出诸多潜在问题及注意事项,下面从监测点位保护及仪器设备两方面阐述个人观点。

(1)基坑周边地表沉降监测点埋设时必须穿越冻土层,且应设有护筒及保护盖,测点完毕应立即盖严,点位周边需清理干净,避免积雪等杂物混入导致冰冻无法监测;基坑支护结构桩顶沉降及水平位移监测点必须设置便于监测的保护装置,冬期降雪很容易将其覆盖,影响正常监测,且冠梁上方应设置防护栏杆并派专人定时清理积雪;桩体水平位移监测点在测斜管施工时一定要严格控制绑扎质量,接口处必须抹胶和缠防水胶带处理,并做好管口盖的保护工作,避免其进水导致冬期无法正常监测;支撑轴力线束的转角处要做好防折保护工作,避免破坏无法监测。

(2)日常监测仪器设备均应及时充电,保证电量充足并配备满电量备用电池;温度剧烈变化对监测仪器设备精度影响较大,需做好仪器保暖工作,观测前应正确设定记录文件中各项控制限差参数,尤其是温度改正,观测完成需现场检核闭合或附合差值情况。

8 结 语

北方冬期土体冻融对基坑支护结构存在一定影响,本文通过袁家店站冬期停工期间监测数据分析,结合工程地质和水文地质条件及现场巡查情况总结如下:

(1)北方冬期基坑监测工作在条件允许时应尽量在每天温度相近时进行数据采集工作,尤其是支撑轴力受温度影响变化很大,虽然钢支撑受材质影响会产生热胀冷缩现象,但从本文支撑轴力监测数据分析中可见,随着气温升高钢支撑轴力仍相对稳定,可见冬期支撑轴力增大主要来源于土体冻胀所产生的侧压力,且受钢支撑热胀冷缩现象影响相对较小。

(2)粉质黏土岩具有冻胀敏感性,当基坑降水效果不佳或存在无稳定水位的碎屑岩类裂隙水等情况时,冬期气温较低会导致土体冻胀,且土体含水量越高,土体膨胀量越大,冻融期反应越明显。

(3)北方冬期基坑周围岩土体冻融,导致基坑支护结构背后土体侧压力增大,基坑支护结构会发生变形,可能会影响基坑的稳定性,可见冬期监测数据亦能及时反映基坑受土体冻融影响的安全状态,为后续施工采取相应有效措施提供了重要保障。