城市淺埋隧道基坑監(jiān)測(cè)

趙 瑜，申奇發(fā)，代宏偉

(1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450011;2.河南省第一建筑工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南鄭州450000)

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，許多城市對(duì)地下空間進(jìn)行了不同用途的開發(fā)利用.而基坑規(guī)模和開挖深度的增大使臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和穩(wěn)定問題變得復(fù)雜與突出.一方面，基坑尺寸和開挖深度的增大引發(fā)許多新問題，根據(jù)現(xiàn)有理論和經(jīng)驗(yàn)難以解決;另一方面，隨著城市建筑物密度增大，地下管線、地面交通等對(duì)基坑開挖及施工后產(chǎn)生的變位和不利影響有更為嚴(yán)格的要求［1］.因此，做好基坑工程監(jiān)測(cè)，尤其是施工過(guò)程中的基坑監(jiān)測(cè)十分重要.

1 工程概況

鄭州市京廣路拓寬改造及地下隧道工程，全線長(zhǎng)3 900 m，隧道基坑開挖深度為11 m，寬為30 m.基坑安全等級(jí)為Ⅰ級(jí)，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用樁錨支護(hù).鉆孔灌注樁長(zhǎng)17 m，樁徑0.7 m，間距 1.1 m，用0.6 m ×0.9 m的冠梁將各支護(hù)樁連成一體，形成圍護(hù)樁墻.預(yù)應(yīng)力錨索直徑為0.15 m，間距1.6 m，錨索的水平傾角為15°.共布置2層錨索，第1層位于地面以下3 m處，第2層位于地面以下7 m處.錨索和支護(hù)樁通過(guò)工字鋼腰梁相連接.工程采用的混凝土等級(jí)為C30.根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，隧道基坑開挖影響范圍內(nèi)的土體共分為5層，主要以粉土、粉砂為主.土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1.

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

隧道基坑和鄭州火車站西出站口相鄰，為南北走向，基坑周邊道路交叉，管網(wǎng)遍布，施工環(huán)境非常復(fù)雜.基坑西側(cè)有丹尼斯商場(chǎng)(5層)和希望加油站等重要建筑，建筑物相距基坑邊線最近為5 m;東側(cè)為居民樓，相距基坑邊線約12 m，基坑開挖前對(duì)周邊部分管線和建筑物進(jìn)行了拆遷.場(chǎng)地地下水穩(wěn)定水位埋深11.8～15.7 m.地下水位埋深大于基坑深度，所以不考慮地下水對(duì)基坑的影響.其中K2+160—K2+520段基坑開挖深度最深，距離周邊建筑也較近，且土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有一定的代表性，因此主要對(duì)這一段基坑的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析.基坑監(jiān)測(cè)平面圖如圖1所示.

2 監(jiān)測(cè)方案

對(duì)K2+160—K2+520段隧道基坑工程監(jiān)測(cè)的內(nèi)容有:①樁頂水平位移監(jiān)測(cè);②錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè);③深層水平位移監(jiān)測(cè);④建筑物沉降監(jiān)測(cè).

圖1 基坑監(jiān)測(cè)平面圖

1)樁頂水平位移監(jiān)測(cè).采用徠卡TCA2003全站儀監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度為0.01 mm.在遠(yuǎn)離施工影響的地方，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況按規(guī)范要求制作設(shè)置3個(gè)觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn).基坑位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在冠梁上，間距為25 m.共有水平位移觀測(cè)點(diǎn)29個(gè).

2)錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè).錨索應(yīng)力采用XB－110錨索測(cè)力計(jì)和頻率讀數(shù)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè).錨索測(cè)力計(jì)測(cè)量范圍0～1 000 kN，測(cè)量綜合誤差≤1.0.錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距50 m，上、下2層錨索分別監(jiān)測(cè)，共布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)13個(gè).錨索應(yīng)力計(jì)算公式［2］

式中:F為錨索應(yīng)力，kN;K為標(biāo)定系數(shù)，kN/Hz2;f0為初始頻率，Hz;fi為測(cè)量頻率，Hz.

3)深層水平位移監(jiān)測(cè).采用型號(hào)為XB338－2的滑動(dòng)式測(cè)斜儀和直徑80 mm的PVC測(cè)斜管監(jiān)測(cè).測(cè)量誤差小于0.1 mm.測(cè)斜儀探頭沿深度0.5 m測(cè)1個(gè)點(diǎn)，正反方向各測(cè)1次.然后取其差值的一半計(jì)算各段的位移量［2］

式中:"x為各段的位移量，mm;f為測(cè)斜儀最小讀數(shù)，mm/με;"ε 為應(yīng)變值，με.基坑兩側(cè)邊坡均布置有測(cè)斜孔，測(cè)斜孔距離基坑1 m，根據(jù)工程場(chǎng)地實(shí)際情況，測(cè)斜孔間距為50～80 m.測(cè)斜管埋深為基坑深度的1.0～1.5倍，共有測(cè)斜孔12個(gè).

4)建筑物沉降監(jiān)測(cè).采用徠卡DNA03電子水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)，觀測(cè)精度為0.01 mm.為了保證測(cè)量精度，監(jiān)測(cè)中要求做到“定機(jī)、定人、定線路”.沉降觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)的原則［3］:監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量和位置應(yīng)能全面反映建筑物沉降的情況;監(jiān)測(cè)點(diǎn)必須布設(shè)在建筑物的關(guān)鍵部位.如轉(zhuǎn)角、沉降縫兩側(cè)等;監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距6～12 m，共有沉降觀測(cè)點(diǎn)30個(gè).

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 樁頂水平位移監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，到基坑開挖完成時(shí)，最大樁頂水平位移值為16.9 mm，未達(dá)到報(bào)警值(25 mm).選取w61#樁(位于基坑中部)、w63#樁(位于基坑端部)、w73#樁(位于丹尼斯商場(chǎng)附近)進(jìn)行分析，其樁頂水平位移曲線如圖2所示.

圖2 樁頂工期－水平位移曲線

由圖2可知，各測(cè)點(diǎn)樁頂水平位移隨著基坑開挖的進(jìn)行，總體趨勢(shì)是逐漸增大，但是，曲線又存在2個(gè)較平緩階段，這是由于基坑開挖至3.5 m和7.5 m深度時(shí)，對(duì)基坑施加了2層錨索支護(hù).錨索預(yù)應(yīng)力抵消了部分土壓力，減小了支護(hù)樁向基坑方向水平移動(dòng)的速度.在基坑開挖完成后，土體、錨索、排樁達(dá)到一個(gè)新的受力平衡狀態(tài)，使得樁體水平位移變化很小，所以在基坑開挖后期，位移曲線幾乎成水平狀.w73#樁樁頂位移值最大，這是因?yàn)榈つ崴股虉?chǎng)距離基坑最近點(diǎn)只有5 m，在建筑荷載作用下，基坑變形相對(duì)嚴(yán)重.

3.2 錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)

錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多，現(xiàn)以23#，27#錨索為例進(jìn)行分析.兩錨索張拉后最大應(yīng)力值分別為270.4，265.2 kN，都未達(dá)到報(bào)警值360 kN.錨索應(yīng)力變化如圖3所示.

圖3 23#，27#工期－錨索應(yīng)力曲線

由圖3可知，在張拉后短時(shí)間內(nèi)，錨索發(fā)生較大的預(yù)應(yīng)力損失，其主要原因是兩側(cè)錨索張拉造成中間錨索松弛;另外，自鎖甲片和鋼索的滑移、錨具的變形、腰梁和樁間的空隙等影響因素也會(huì)造成錨索預(yù)應(yīng)力損失［4］.監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在基坑開挖前期，錨索預(yù)應(yīng)力有短暫的增加趨勢(shì)，但是很快就趨于穩(wěn)定.在圖3中表現(xiàn)為應(yīng)力曲線開始緩慢上升，然后一直處于水平波動(dòng)狀態(tài).在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)基坑西側(cè)部分錨索應(yīng)力值很小，不滿足設(shè)計(jì)要求.通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，原來(lái)是施工方為了趕工期，在錨索未達(dá)到規(guī)定養(yǎng)護(hù)時(shí)間過(guò)早張拉造成的.由此可知，對(duì)錨索進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)在保證工程質(zhì)量方面具有非常重要的意義.

3.3 深層水平位移監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，各測(cè)斜管得到的邊坡深層水平位移最大值為8.7～21.8 mm，全部符合相應(yīng)的水平位移控制指標(biāo)(單次位移值＜2 mm，最大位移值＜25 mm).采用錨索支護(hù)之前，邊坡土體最大深層水平位移發(fā)生在地表，這是因?yàn)樵谕翂毫ψ饔孟?，樁體發(fā)生類似懸臂梁的變形，其最大水平位移發(fā)生在樁體頂部.而土體隨樁一起移動(dòng)，所以土體最大位移位于地表處.在采用了錨索支護(hù)后，排樁－錨索組成支護(hù)體共同遏制了邊坡上部土體的水平移動(dòng)，而基坑邊坡深層土體水平位移逐漸增大，最大水平位移位置由上向下逐漸移動(dòng)，最終位于基坑底面附近的位置.基坑開挖完成后，測(cè)斜曲線呈現(xiàn)出兩頭小，中間大的“鼓腹?fàn)睢弊冃翁卣鳎?］.但是，開挖結(jié)束并不代表邊坡變形結(jié)束，這就要求施工人員充分利用基坑的時(shí)空效應(yīng)理論，在土體開挖結(jié)束后迅速施工墊層以及底板，減少基坑曝露時(shí)間，這將有助于圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及周圍建筑物變形的控制［6］.最大深層水平位移值見表2.

3.4 建筑物沉降監(jiān)測(cè)

在整個(gè)基坑開挖過(guò)程中，建筑物的累計(jì)沉降量為6.6 mm，最大單次沉降值為0.7 mm，均未達(dá)到報(bào)警值.各觀測(cè)點(diǎn)沉降差值小于2 mm，而且在整個(gè)施工過(guò)程中建筑物墻體沒有出現(xiàn)裂縫，表明建筑物是整體較均勻沉降.另外，靠近基坑測(cè)點(diǎn)的沉降值大于遠(yuǎn)離基坑測(cè)點(diǎn)的沉降值.建筑物工期－沉降曲線如圖4所示.

表2 不同工況下最大深層水平位移

圖4 建筑物工期－沉降曲線

由圖4可知，建筑物沉降隨著基坑深度的逐漸增加而不斷增大，具有“先快后慢，先大后小”的變化規(guī)律;主要的沉降都發(fā)生在基坑開挖階段，這是因?yàn)榛泳嚯x周圍建筑物較近，在對(duì)基坑開挖過(guò)程中，破壞了原有土體應(yīng)力的分布，使得基坑周圍土體發(fā)生較大變形，從而導(dǎo)致基坑周圍建筑物發(fā)生沉降.但是，隨著基坑開挖完成、底板澆筑之后，土體失去了發(fā)生較大變形的條件，所以在后期施工階段，建筑物沉降變化較小，沉降曲線逐漸趨向平緩.監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示工程結(jié)束后，建筑物沉降值不再變化，這表明建筑物沉降達(dá)到了暫時(shí)的平衡.但是，隨著時(shí)間推移，建筑物還會(huì)繼續(xù)下沉，只是沉降量很小，不會(huì)影響建筑物結(jié)構(gòu)的安全.

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鄭州市京廣路拓寬改造及地下隧道工程基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，得出如下結(jié)論.

1)樁頂水平位移隨著基坑開挖的進(jìn)行總體趨勢(shì)是逐漸增大，但預(yù)應(yīng)力錨桿有效地減小了邊坡土體的水平移動(dòng)速度.

2)錨索應(yīng)力在張拉鎖定后短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大預(yù)應(yīng)力損失，造成預(yù)應(yīng)力損失的主要因素是兩側(cè)錨索的張拉造成中間錨索松弛.

3)隨著基坑的開挖，邊坡土體最大深層水平位移從上向下逐漸移動(dòng)，最終位于基坑底面附近.基坑開挖完成時(shí)，測(cè)斜曲線呈現(xiàn)兩頭小、中間大的“鼓腹?fàn)睢弊冃翁卣?

4)建筑物沉降隨著基坑深度的逐漸增加而不斷增大，具有“先快后慢，先大后小”的變化規(guī)律.在施工過(guò)程中，建筑物沒有發(fā)生墻體開裂現(xiàn)象，而且各測(cè)點(diǎn)沉降差值較小，說(shuō)明建筑物是整體沉降，不會(huì)影響建筑物的安全使用.

5)樁頂水平位移、錨索應(yīng)力、深層水平位移、建筑物沉降等與基坑開挖深度具有明顯同步性，所以在選取基坑開挖方案時(shí)，應(yīng)充分考慮基坑變形的時(shí)空效應(yīng).

［1］覃睿，唐光暹，周永泉.基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀及應(yīng)用［J］.工程質(zhì)量，2008，8(A):19 －21.

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