臨近地鐵站體和歷史風(fēng)貌保護(hù)建筑的超大深基坑綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)

□文/閆 磊 趙 寶 鄭 彬 朱明華 張 敏

臨近地鐵站體和歷史風(fēng)貌保護(hù)建筑的超大深基坑綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)

□文/閆 磊 趙 寶 鄭 彬 朱明華 張 敏

隨著科技的迅猛發(fā)展，建筑施工空間將逐步向地下開發(fā)，地下空間的開發(fā)利用日趨成熟化、常規(guī)化。某深基坑工程周圍緊鄰4座保護(hù)性建筑，其中最近處距離基坑僅4 m，位于重點(diǎn)保護(hù)建筑核心區(qū)，同時(shí)該深基坑還緊鄰城市已運(yùn)營(yíng)地鐵，與地鐵接觸長(zhǎng)度達(dá)213 m，深基坑施工難度特別大。文章結(jié)合該工程在深基坑施工過程中所運(yùn)用的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，做了分析和總結(jié)。

地鐵；深基坑；保護(hù)性建筑；綜合監(jiān)測(cè)

1 工程概況

某工程為大型商業(yè)建筑總建筑面積為203 300 m2，其中地下總建筑面積為66 200 m2，地上總建筑面積為137 000 m2，基底平面面積約 13 000 m2，基底標(biāo)高-19.060 m，地處天津古河道上方，地下土層與工程相關(guān)部分多為淤泥質(zhì)粘土，對(duì)基坑的整體穩(wěn)定相當(dāng)不利?；臃譃?個(gè)區(qū)，見圖1，采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻寬1 m、深34.4 m，沿基坑周圍連續(xù)設(shè)置，各個(gè)區(qū)之間以臨時(shí)地連墻分隔，自成獨(dú)立體系。Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅳ區(qū)通過三道鋼筋混凝土桁架對(duì)撐與地下連續(xù)墻連接，共同作用保證基坑的整體穩(wěn)定。Ⅲ區(qū)除首道為鋼筋混凝土內(nèi)支撐，其余三道為伺服系統(tǒng)鋼支撐。

圖1 基坑分區(qū)

2 工程難點(diǎn)

該基坑一側(cè)緊貼已運(yùn)營(yíng)的地鐵站，與地鐵零距離接觸，中部?jī)H間隔一道1 m厚地下連續(xù)墻。地鐵站體為地下3層，基坑埋深約21.46 m，盾構(gòu)井埋深約22.61 m?；娱_挖深度19.060 m，與地鐵接觸長(zhǎng)達(dá)213 m且地下結(jié)構(gòu)局部與地鐵站體連通。如此銜接緊密的結(jié)構(gòu)關(guān)系，對(duì)該基坑施工的監(jiān)測(cè)，為基坑預(yù)警提出很高要求。

另外，基坑處于2座重點(diǎn)保護(hù)等級(jí)和2座特殊保護(hù)等級(jí)歷史風(fēng)貌建筑核心區(qū)。2座特殊保護(hù)等級(jí)歷史風(fēng)貌建筑緊鄰基坑，建筑物年齡均在81 a以上且距離基坑最近處僅為4 m。另外2座重點(diǎn)保護(hù)性建筑與基坑隔街相鄰。此4座歷史風(fēng)貌建筑在歷史上都具有相當(dāng)重要的意義，其中包括地標(biāo)性建筑、歷史名人下榻旅館、國(guó)家級(jí)文藝匯演場(chǎng)所以及百年歷史老店。

除此之外，基坑四周緊鄰城市主干道，基坑周邊各類管線錯(cuò)綜復(fù)雜，包括0.4 m輸配水管，1 m雨水管，0.8 m污水管，0.3 m天然氣管等，其中最近線路距離基坑僅1 m。基坑細(xì)微的變動(dòng)及不合理降水都可能造成周邊管線下沉，出現(xiàn)管線破裂風(fēng)險(xiǎn)。

如此復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行施工，監(jiān)測(cè)技術(shù)必須對(duì)基坑任何微弱的變化都要做到前期預(yù)測(cè)并及時(shí)報(bào)告可能發(fā)生的危險(xiǎn)，這無(wú)疑對(duì)該工程監(jiān)測(cè)技術(shù)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

3 綜合監(jiān)測(cè)

3.1 開工前安全風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估

鑒于該工程難點(diǎn)較多、較復(fù)雜，在項(xiàng)目開工前聘請(qǐng)鑒定檢測(cè)中心對(duì)緊鄰的地鐵、4座保護(hù)性建筑及該工程本身進(jìn)行前期安全風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估。

3.1.1 評(píng)估程序

包括前期準(zhǔn)備—評(píng)估計(jì)劃—評(píng)估實(shí)施—評(píng)估報(bào)告—專項(xiàng)方案—方案實(shí)施等6個(gè)流程。其主要工作內(nèi)容為風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別；風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)與評(píng)價(jià)；風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)與清單編制；風(fēng)險(xiǎn)處置措施。

3.1.2 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別清單

工程周邊建筑沉降風(fēng)險(xiǎn)；周邊管線沉降、破裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估

周邊建筑沉降和周邊管線沉降風(fēng)險(xiǎn)均為一級(jí)。

采用LEC安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法對(duì)工程自身風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。該方法認(rèn)為影響事故危險(xiǎn)性的3個(gè)主要因素為發(fā)生事故可能性的大小L；風(fēng)險(xiǎn)因素出現(xiàn)的頻繁程度E；事故發(fā)生后產(chǎn)生的危害C。而事故的危險(xiǎn)性D=L·E·C。該工程基坑施工風(fēng)險(xiǎn)D值綜合評(píng)定結(jié)果為72，屬較大風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.4 風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

單元、安全風(fēng)險(xiǎn)事件、風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)結(jié)果見表1。

表1 風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.1.5 風(fēng)險(xiǎn)處置措施

針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源，加強(qiáng)工程檢測(cè)。根據(jù)基坑設(shè)計(jì)施工說(shuō)明以及相關(guān)規(guī)范要求情況，結(jié)合工程實(shí)際，需進(jìn)行以下項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)：樁頂水平位移、沉降；圍護(hù)體定向水平位移（測(cè)斜）；鋼筋混凝土支撐軸向力；地下水位；地下孔隙水壓力、土壓力；基坑周圍地表沉降；基坑周圍建筑物沉降變形；基坑周圍地下管線沉降變形；圍護(hù)體鋼筋應(yīng)力；土體分層沉降；土體水平位移；立柱變形。

按照監(jiān)測(cè)頻率要求，在基坑開挖期間進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)警值對(duì)比，為預(yù)警工作提供重要數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.2 地鐵監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.2.1 監(jiān)測(cè)重點(diǎn)和難點(diǎn)

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)同地鐵車站、風(fēng)道的圍護(hù)結(jié)構(gòu)共用，受卸載和基坑降水等影響，基坑對(duì)應(yīng)的地鐵里程DK12+971～DK13+220范圍內(nèi)受基坑開挖影響較大應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。臨近地鐵一側(cè)基坑的施工直接影響到共用圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，進(jìn)而影響到地鐵站體及軌道。因此，對(duì)地鐵車站及附屬結(jié)構(gòu)的全面監(jiān)測(cè)，直接關(guān)系到地鐵安全運(yùn)營(yíng)。

3.2.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)頻率

地鐵車站監(jiān)測(cè)項(xiàng)目見表2。

表2 地鐵車站監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

地鐵車站監(jiān)測(cè)頻率見表3。

表3 地鐵車站相關(guān)監(jiān)測(cè)頻率

3.2.3 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)情況

靜力水準(zhǔn)儀共布置48個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，見圖2。

圖2 地鐵站體地下三層靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

J1～J5、J21～J24為地鐵隧道區(qū)間監(jiān)測(cè)斷面，J6～J20、J30～J44為地鐵車站監(jiān)測(cè)斷面。車站位置每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面間隔為10 m，共計(jì)布設(shè)30個(gè)監(jiān)測(cè)斷面 (J6～J20、J30～J44)。隧道區(qū)間共布設(shè) 18個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(J1～J5、J21～J44、J25～J29、J45～J48），每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面間隔15 m，在左右線結(jié)構(gòu)及軌道道床均布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在車站及隧道接觸部位存在兩個(gè)結(jié)構(gòu)縫，在這兩個(gè)結(jié)構(gòu)縫位置兩邊各布設(shè)一個(gè)斷面（J5～J6、J20～J21、J29～J30、J44～J45），并且該斷面距結(jié)構(gòu)縫距離為0.5～1.0 m，加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)縫的變形監(jiān)測(cè)。

地鐵車站、隧道共計(jì)布設(shè)36個(gè)隧道、道床結(jié)構(gòu)水平、豎向位移監(jiān)測(cè)斷面，在車站位置，地鐵車站每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面間隔13 m，共計(jì)布設(shè)24個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。地鐵隧道在距結(jié)構(gòu)縫1 m位置布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，向隧道方向每隔25 m距離布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，隧道區(qū)間共計(jì)布設(shè)12個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，在左右線結(jié)構(gòu)及軌道道床均布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)地面位置，每隔8～12 m布設(shè)一個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)布設(shè)15個(gè)附屬結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)。

負(fù)一層底板上每隔20 m布設(shè)一個(gè)豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)布設(shè)11個(gè)豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

基坑施工開始之前，應(yīng)對(duì)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)量，得到本項(xiàng)目地鐵保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)初始值，為以后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析提供依據(jù)，切實(shí)保證地鐵安全運(yùn)營(yíng)。

3.2.4 監(jiān)測(cè)成果分析

對(duì)于地鐵站體，本例選取地下三層靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析總結(jié)，地下三層為地鐵運(yùn)營(yíng)的主要空間，也是整個(gè)地鐵站體最為重要的環(huán)節(jié)。因此，該處的穩(wěn)定與否直接關(guān)系到地鐵及乘客的安全。

地鐵站體地下三層J37豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)整體變化較為平穩(wěn)，變化量在±2.00 mm范圍內(nèi)波動(dòng)；累計(jì)變化量最大值則在17 mm左右出現(xiàn)波峰，后期呈逐漸下降趨勢(shì)；而變化率除個(gè)別點(diǎn)位變化較大（-0.30 mm/d），其余均較為平穩(wěn)，見圖3。整體而言，地鐵站體呈現(xiàn)穩(wěn)定安全狀態(tài)，各項(xiàng)指標(biāo)均在可控范圍之內(nèi)。

圖3 地鐵站體J37點(diǎn)豎向位移監(jiān)測(cè)

地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)——地鐵風(fēng)亭與基坑僅相隔一道地下連續(xù)墻，基坑的微弱變形都可能影響到地鐵風(fēng)亭的結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。因此，本例選取變化最大的地鐵風(fēng)亭豎向監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，見圖4。

圖4 地鐵風(fēng)亭及通道沉降監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

地鐵風(fēng)亭豎向位移數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表顯示，變化量均在±1.00 mm內(nèi)波動(dòng)，而累計(jì)變化量最大值在11.00 mm左右，變化率在-0.20～0.30mm/d范圍內(nèi)波動(dòng)。所有指標(biāo)均在可控范圍內(nèi)，地鐵風(fēng)亭處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，見圖5。

圖5 地鐵風(fēng)亭TD6豎向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3.3 重點(diǎn)保護(hù)性建筑監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.3.1 監(jiān)測(cè)重點(diǎn)、難點(diǎn)

4座重點(diǎn)保護(hù)等級(jí)歷史風(fēng)貌建筑距離基坑分別為4.0、4.9、14.7、22.5 m，均距離基坑較近且都處于基坑影響范圍之內(nèi)。基坑微弱的變形都可能引起保護(hù)建筑不均勻沉降，而歷史風(fēng)貌建筑大多歷史悠久，結(jié)構(gòu)承載變形的能力較差，很可能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而影響正常使用。為此，綜合考慮重點(diǎn)保護(hù)性建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，在4座重點(diǎn)保護(hù)性建筑周邊布設(shè)足夠的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)建筑物的沉降及傾斜情況進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。

3.3.2 沉降監(jiān)測(cè)布點(diǎn)情況及監(jiān)測(cè)頻率

作為地標(biāo)性建筑，也是4座重點(diǎn)保護(hù)建筑中距離基坑最近的歷史風(fēng)貌建筑，在該建筑周邊設(shè)置8個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，基坑施工階段每天對(duì)其沉降情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，見圖6。

圖6 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.3.3 監(jiān)測(cè)成果分析

通過對(duì)每天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并繪制豎向位移各項(xiàng)指標(biāo)折線，見圖7。該地標(biāo)性建筑每天的沉降量均在1 mm左右范圍內(nèi)波動(dòng)，累計(jì)沉降最大值在13 mm左右，沉降頻率則主要在0.150 mm/d范圍內(nèi)波動(dòng)，累計(jì)沉降頻率則逐漸趨于平緩。該地標(biāo)性建筑主體總高為32 400 mm，累計(jì)傾斜率為建筑主體總高的1%時(shí)為危險(xiǎn)點(diǎn)（即324 mm）。所有指標(biāo)均顯示地標(biāo)性建筑沉降情況處于可控狀態(tài)，地標(biāo)性建筑處于安全狀態(tài)。

圖7 保護(hù)性建筑B5點(diǎn)豎向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3.4 基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.4.1 監(jiān)測(cè)重點(diǎn)及難點(diǎn)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形導(dǎo)致墻后土體的卸載，在土體本身的自平衡作用下，將會(huì)產(chǎn)生土體流動(dòng)，進(jìn)而影響到周邊建筑、管線的穩(wěn)定?？油馑坏淖兓瘎t主要是由坑內(nèi)降水引起，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)不能保證100%的密實(shí)不透水，則在基坑降水過程中，在水頭差作用下必然導(dǎo)致坑外水位變化。當(dāng)坑外水位變化較大時(shí)，將造成水土流失，進(jìn)而影響坑外建筑、管線的穩(wěn)定。因此，對(duì)基坑全方位的監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。

3.4.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)布點(diǎn)情況

該基坑等級(jí)為一級(jí)基坑，屬于超深基坑，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)布點(diǎn)情況見圖8和表4。

圖8 地下連續(xù)墻深部水平位移監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

表4 基坑監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

3.4.3 監(jiān)測(cè)頻率

監(jiān)測(cè)頻率見表5。

表5 基坑相關(guān)監(jiān)測(cè)頻率

續(xù)表5

3.4.4 監(jiān)測(cè)成果分析

該工程地下連續(xù)墻深度達(dá)34.5 m，基坑開挖深度為19.06 m，基坑內(nèi)部均勻分布3道混凝土內(nèi)支撐，則地下連續(xù)墻頂部水平位移在墻外土體作用下變化較大。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位JC29處于基坑跨度最大部位中部臨時(shí)地連墻上，變化情況較為顯著。由圖9可以看出，變化量在±3.00 mm范圍波動(dòng)；而累計(jì)變化量則出現(xiàn)峰值16 mm后趨于恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)；變化率也相應(yīng)出現(xiàn)波動(dòng)后趨于平穩(wěn)。這一波動(dòng)表現(xiàn)在兩側(cè)基坑都開挖后，臨時(shí)地連墻在沒有土體作用后，逐漸恢復(fù)原位趨勢(shì)。所有指標(biāo)均在可控范圍之內(nèi)，基坑處于安全狀態(tài)。

圖9 地下連續(xù)墻深部JC29點(diǎn)水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

作為深基坑施工的眼睛——深基坑綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)，將地鐵站體、基坑及周邊重要設(shè)施所處情況及微小變形，通過科學(xué)有效的測(cè)量方法反映到具體數(shù)值或曲線，使項(xiàng)目管理人員更加直觀地了解工程安全穩(wěn)定情況并根據(jù)數(shù)值或曲線的變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)即將發(fā)生的變化以及可能造成的危險(xiǎn)，提前做出防范措施及處理措施，實(shí)現(xiàn)深基坑信息化施工，將大問題化小、小問題化無(wú)，確保深基坑施工安全。

□趙 寶、鄭 彬、朱明華、張 敏/中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司。

TU753

C

1008-3197（2015）06-01-05

10.3969/j.issn.1008-3197.2015.06.001

2015-09-27

閆 磊/男，1987年出生，工程師，中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司，從事工程技術(shù)管理工作。