超深地下連續(xù)墻試成槽的監(jiān)測應(yīng)用分析

劉立志，陳 華，徐 磊，何 鳳，李 科

(湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所，湖北武漢 430034)

0 引言

隨著中國城市建設(shè)步伐的不斷加快，超高層、高層建筑物層出不窮，基坑工程也朝著高、大、深的方向發(fā)展，以解決日益緊張的空間利用問題。由于基坑工程往往處于繁華的鬧市區(qū)和交通要道處，地下管線密集，周邊建筑物林立，施工場地狹小，這對深基坑工程的設(shè)計和施工提出了更嚴(yán)格的要求:即要安全可靠，又要滿足對周邊環(huán)境控制的目的。在此背景下，地連墻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。在工程應(yīng)用中地連墻已被公認(rèn)為是深基坑工程中最佳的擋土結(jié)構(gòu)之一，它剛度大、整體性好，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形較小，且可作為地下室的結(jié)構(gòu)外墻，即現(xiàn)今在超高層建筑物深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中常采用的“兩墻合一”的技術(shù)方法［1］。

任何一種基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工都會對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，比如周圍土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，而產(chǎn)生位移［2］。地連墻施工作為以挖槽機(jī)械為工具的開挖灌漿式施工方法也不例外。但是現(xiàn)在關(guān)于這方面的資料較少，因此本論文將以武漢地區(qū)某工程為例，通過現(xiàn)場監(jiān)測資料，研究分析地連墻施工期間對周邊環(huán)境以及深層地層的影響程度。

表1 場地地質(zhì)情況概表Table 1 Geological condition of site

1 工程概況

武漢某工程地處商務(wù)核心區(qū)，臨江而建，建設(shè)區(qū)分為塔樓區(qū)和裙樓區(qū)，其中塔樓區(qū)建筑高度達(dá)606 m，規(guī)模位居全國前列，下設(shè)有六層地下車庫。該工程周邊場地空曠，無密集的建筑物，場地范圍內(nèi)的主要地層為第四系全新統(tǒng)沖積成因的粘性土和砂土層，下伏基巖為志留系砂巖和泥巖。各地層地質(zhì)情況如表1所示。

該工程基坑總面積約36 000 m2。裙樓區(qū)域開挖深度為23．75 m，塔樓區(qū)域開挖深度為27．85 m。該工程采用分區(qū)順作+中間設(shè)緩沖區(qū)后作的方案，基坑周邊采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻作為基坑圍護(hù)體，地下連續(xù)墻既作為基坑開挖階段的擋土止水圍護(hù)體，同時作為地下室結(jié)構(gòu)外墻。由于塔樓區(qū)辦公樓為巨型框架核心筒結(jié)構(gòu)，建設(shè)高度位居全國前列，所以設(shè)計要求在塔樓正式施工之前應(yīng)進(jìn)行一幅非原位地下連續(xù)墻試成槽試驗(yàn)，以研究和確定地下連續(xù)墻的成槽工藝、施工參數(shù)以及地連墻成槽施工對周邊環(huán)境以及深層地層的影響程度。塔樓內(nèi)地連墻試成槽槽段厚度為1 200 mm，寬度為6 000 mm，設(shè)計要求地連墻墻底塔樓內(nèi)需進(jìn)入中風(fēng)化細(xì)砂巖不少于1 m。

圖1 塔樓區(qū)試成槽地層分布及監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)圖Fig．1 Layout diagram of monitoring point and stratigraphic distribution

根據(jù)超前孔勘探資料，其進(jìn)行試驗(yàn)的地連墻地層情況如圖 1所示，從圖中看出，地連墻深度達(dá)到50．37 m，墻身大部分位于第4層細(xì)砂層中，該層厚度大，達(dá)28．7 m，且該層為承壓含水層。

2 監(jiān)測內(nèi)容及方法［3］

本次地連墻成槽施工對周邊環(huán)境監(jiān)測內(nèi)容包括地表沉降觀測、土體深層水平位移觀測、土體分層沉降觀測，各監(jiān)測項(xiàng)目采用的監(jiān)測方法如下所述。

2．1 地表沉降監(jiān)測

沉降監(jiān)測點(diǎn)固定好后，采用水準(zhǔn)高程法進(jìn)行觀測，水準(zhǔn)路線應(yīng)形成閉合和附合路線。沉降觀測的等級為二等，相鄰觀測點(diǎn)間的高差中誤差為±0．5 mm，觀測點(diǎn)的高程相對于起算點(diǎn)的高程中誤差為±1 mm。

2．2 土體深層水平位移監(jiān)測

當(dāng)?shù)剡B墻周邊土體埋設(shè)了測斜管后，通過測斜儀觀測各深度處水平位移的方法。觀測時，使測斜儀處于工作狀態(tài)，將測頭導(dǎo)輪插入測斜管導(dǎo)槽內(nèi)，緩慢放置管底，然后由管底自下而上沿導(dǎo)槽每隔0．5 m讀數(shù)一次，并按記錄鍵。測讀完畢后，將探頭旋轉(zhuǎn)180°插入同一導(dǎo)槽內(nèi)，以上述方法再測一次，測點(diǎn)深度用第一次的。測讀完畢后，將探頭旋轉(zhuǎn)90°，按相同程序，測量同一測斜孔另一對導(dǎo)槽的讀數(shù)。觀測數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，利用測斜儀數(shù)據(jù)處理軟件計算成果。

2．3 土體分層沉降監(jiān)測

讀數(shù)時采用分層沉降儀進(jìn)行量測。磁環(huán)式分層標(biāo)在試成槽開挖前埋設(shè)。土體分層豎向位移的初始值在埋設(shè)后量測。采用分層沉降儀量測時，每次測量應(yīng)重復(fù)2次并取其平均值作為測量結(jié)果，2次讀數(shù)差≤1．5 mm，沉降儀的系統(tǒng)精度不宜低于1．5 mm。每次監(jiān)測均應(yīng)測定沉降管口高程的變化，然后換算出沉降管內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)的高程。

3 監(jiān)測點(diǎn)布置

監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)范圍為地連墻20 m以內(nèi)，共布置6個監(jiān)測剖面，第1個剖面離外墻邊距離為1 m，其余各剖面間距分別為2 m、3 m、4 m、5 m、5 m。土體分層沉降點(diǎn)、土體深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)、地表沉降監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)間距為1 m，具體平面布置圖如圖2所示。

在縱斷面上，監(jiān)測點(diǎn)布置在地連墻的迎土面，測斜和分層沉降孔底位于第6層中風(fēng)化細(xì)砂巖中，入巖深度≥1 m，分層沉降點(diǎn)剖面上布置11個監(jiān)測斷面，基本按照地層分布進(jìn)行，如圖1所示。

圖2 塔樓區(qū)試成槽監(jiān)測點(diǎn)平面布置圖Fig．2 Plane arrangement chart of monitoring point in Tower building

4 監(jiān)測頻率

監(jiān)測工作自2011年8月10日開始至2011年8月23日結(jié)束。試成槽開挖前進(jìn)行了2次初始值觀測，在8月16日下午3:00開挖至基巖面時，進(jìn)行了1次觀測，在8月21日試成槽施工完畢后，連續(xù)進(jìn)行了48 h觀測，觀測頻率為前24 h每3 h觀測一次，后24 h每6 h觀測一次。

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析

5．1 周邊地表位移分析

當(dāng)?shù)剡B墻開挖槽段時，周圍土體由于塑性變形，從槽段外側(cè)向槽內(nèi)側(cè)移動，因此地表產(chǎn)生沉降，這是沉降產(chǎn)生的主要原因。圖3為觀測期內(nèi)周邊地表沉降曲線，現(xiàn)將地表沉降匯總?cè)绫?所示。

表2 周邊地表沉降匯總表Table 2 Collection table of peripheral ground settlement

圖3 觀測期內(nèi)周邊地表沉降曲線圖Fig．3 Curve of peripheral ground settlement in observation period

通過對圖3地表沉降曲線的分析可以發(fā)現(xiàn)地連墻成槽后地表沉降的一般規(guī)律如下:①地表沉降最大沉降點(diǎn)為槽段邊緣處，沉降量整體趨勢為隨著離槽邊距離的增大而減小;②在對地表沉降點(diǎn)進(jìn)行分析，地表沉降在距離槽邊20 m處，累計沉降量已經(jīng)很小，為1．48 mm，說明地連墻施工對20 m以外的影響較小;③對沉降量隨時間變化的分析可得，成槽后3 h沉降變化明顯，其后趨于平緩，15 h后，基本無變化。

5．2 周邊深層土體分層沉降分析

通過監(jiān)測地連墻周邊土體不同深度的沉降值，可以得到不同深度的沉降時程曲線，從而了解在地連墻施工期間對沉降的影響深度，以及地連墻開挖后，深層土體的沉降何時可以趨于穩(wěn)定，為工程設(shè)計及沉降計算提供依據(jù)。如前所述，該工程在試驗(yàn)槽段中部位置沿垂直于槽段的方向布置了6個土體分層沉降監(jiān)測點(diǎn)，編號分別為F1—F6，水平間距為1～5 m，沉降磁環(huán)置于土層分界上，根據(jù)超前孔提供的勘察資料，埋設(shè)深度分別為自然地面以下3．78 m、7．68 m、11．48 m、13．68 m、17．68 m、23．78 m、29．88 m、35．33 m、40．78 m、45．38 m、48．78 m。監(jiān)測結(jié)果如圖4～9所示。各觀測孔最大累計沉降量及其對應(yīng)的測試深度如表3所示。

圖4 F1土體分層沉降時程曲線圖Fig．4 Curve of settlement of soil mass stratification of F1

圖5 F2土體分層沉降時程曲線圖Fig．5 Curve of settlement of soil mass stratification of F2

圖6 F3土體分層沉降時程曲線圖Fig．6 Curve of settlement of soil mass stratification of F3

圖8 F5土體分層沉降時程曲線圖Fig．8 Curve of settlement of soil mass stratification of F5

圖7 F4土體分層沉降時程曲線圖Fig．7 Curve of settlement of soil mass stratification of F4

圖9 F6土體分層沉降時程曲線圖Fig．9 Curve of settlement of soil mass stratification of F6

表3 各孔不同深度累計沉降最大量及其對應(yīng)的深度Table 3 Cumulative settlement maximum and corresponding depth of holes

表4 各孔累計最大深層水平位移量及其對應(yīng)的深度Table 4 Cumulative maximum deep horizontal displacement and corresponding depth of holes

分層沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:

(1)在試成槽開挖過程中，各層土層均有沉降，其中F1號孔的23．78 m處的累計沉降量最大，為4．0 mm，成槽靜置48 h過程中，累計沉降量最大值亦為F1號孔的23．78 m處，為6．5 mm。該層為細(xì)砂承壓含水層，中低壓縮性，受外界擾動較大，說明地連墻施工時，對該層的沉降影響較大。

(2)整個監(jiān)測過程中，每個孔每個測試斷面的沉降量隨著時間而增大，但沉降速率減小。各分層沉降累計沉降量隨著離槽壁邊的距離增大而減小，F(xiàn)6號孔最大累計沉降量僅為1．5 mm。

5．3 周邊土體深層水平位移分析

該工程在試驗(yàn)槽段中部位置沿垂直于槽段的方向布置了6個土體深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)，編號分別為CX1－CX6，水平間距為1～5 m，地連墻開挖及靜置過程中，周邊土體深層水平位移如圖10～圖15所示，各觀測孔最大累計水平位移量及其對應(yīng)的測試深度如表4所示。

圖10 CX1深層水平位移時程曲線圖Fig．10 Curve of deep horizontal displacement of CX1

圖11 CX2深層水平位移時程曲線圖Fig．11 Curve of deep horizontal displacement of CX2

圖12 CX3深層水平位移時程曲線圖Fig．12 Curve of deep horizontal displacement of CX3

圖13 CX4深層水平位移時程曲線圖Fig．13 Curve of deep horizontal displacement of CX4

圖14 CX5深層水平位移時程曲線圖Fig．14 Curve of deep horizontal displacement of CX5

圖15 CX6深層水平位移時程曲線圖Fig．15 Curve of deep horizontal displacement of CX6

根據(jù)各監(jiān)測點(diǎn)深層水平位移監(jiān)測結(jié)果可以得到如下規(guī)律:

(1)試成槽開挖過程中，各深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)的累積位移最大值為6．68 mm，位于CX1孔的6．5 m處。6個監(jiān)測孔中除了CX2孔的最大位移位于36．5 m處外，其余5個孔的最大位移均位于地面以下5～8 m范圍內(nèi)，說明地連墻開挖期間對淺部地層影響較大。

(2)成槽靜置48 h過程中，各深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)的最終累計位移量最大值為8．94 mm，位于CX1孔的37．5 m處。6個監(jiān)測孔中除了CX6的最大位移位于地面以下10 m處外，其余5個孔的最大水平位移位于36～38 m處，說明隨著時間的推移，地下連續(xù)墻水平位移的最大值向下移動，在最后一個觀測時刻，基本位于墻底部以上10～15 m，該部分位于4層細(xì)砂夾粉質(zhì)粘土中，土層抗剪強(qiáng)度較差，中低壓縮性，垂向上分布較多的粉質(zhì)粘土夾層，該土層力學(xué)性質(zhì)較差，且該層位于承壓含水層中，所以在地連墻施工中遇該層土?xí)r，應(yīng)采取有效措施，避免在槽壁產(chǎn)生水土流失。

(3)如圖16所示，整個監(jiān)測過程中，各監(jiān)測孔的深層水平位移量隨著離槽壁邊的距離增大而減小，槽壁邊20 m處的CX6的最大累計位移量僅為2．35 mm。

圖16 各監(jiān)測孔累計位移關(guān)系圖Fig．16 Cumulative displacement diagram of monitoring boreholes

6 結(jié)語

該工程在超深地連墻槽段開挖及成槽靜置過程中，地表沉降、土體分層沉降量、土體深層水平位移量變化量較小，對周邊環(huán)境影響范圍較小，垂向上對第4層細(xì)砂層的影響較大，所以在今后地連墻施工至該層時，應(yīng)特別注意，需采取有效措施，防止槽壁產(chǎn)生水土流失。

目前超深地連墻已廣泛應(yīng)用于港灣、地鐵、房建等大型深基坑工程，地連墻施工期間對周邊環(huán)境的影響已越來越引起重視，通過地連墻試成槽施工時的監(jiān)測試驗(yàn)研究，可以在正式施工前了解對周邊環(huán)境的影響程度和范圍，為后續(xù)施工提供參考數(shù)據(jù)，具有重要的指導(dǎo)意義。

［1］ 岳建勇，周春.超高層建筑地下主體結(jié)構(gòu)與深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計和實(shí)踐［J］．巖土工程學(xué)報，2006(28):1 552－1 555.

［2］ 高彥斌，吳曉峰.地下連續(xù)墻施工對臨近建筑物沉降的影響［J］.地下空間，2003，2(23):115 －118.

［3］ GB50497—2009，建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范［S］.