基于監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)的地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移分析探討

陳曉丹(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東廣州 510010)

基于監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)的地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移分析探討

陳曉丹?
(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東廣州 510010)

摘 要:利用廣州地鐵監(jiān)測(cè)信息平臺(tái),對(duì)10個(gè)地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,定量上統(tǒng)計(jì)水平位移數(shù)據(jù)參數(shù),定性上劃分出圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移八種典型曲線形態(tài)。提出對(duì)于深層水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,應(yīng)包括曲線形態(tài)。結(jié)合統(tǒng)計(jì)結(jié)果和工程情況提出分析和建議。

關(guān)鍵詞:基坑監(jiān)測(cè);深層水平位移;監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)

1　概 述

對(duì)于基坑開挖施工過程圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移的監(jiān)測(cè),一般采用預(yù)埋測(cè)斜管,通過測(cè)斜儀觀測(cè)各深度位置水平位移的方法。工程上常將這種深層水平位移監(jiān)測(cè)方法稱為“測(cè)斜監(jiān)測(cè)”。樁身水平位移監(jiān)測(cè)是目前基坑施工安全控制中最重要有效的監(jiān)測(cè)方法[1],深層水平位移監(jiān)測(cè)能夠?qū)孜坏膲?樁)體全高度進(jìn)行水平位移測(cè)試。

本文統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目為廣州地鐵5號(hào)線土建施工第三方監(jiān)測(cè)Ⅱ標(biāo)段車站基坑,工程范圍上覆第四系地層,主要由全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)人工填土、海陸交互相沉積層、沖洪積層和殘積層組成,下伏基巖為白堊系沉積層和震旦系變質(zhì)巖。區(qū)域內(nèi)基坑工程面臨主要不良地質(zhì)作用有砂土、軟土、白堊系殘積層和花崗巖風(fēng)化層遇水軟化等。區(qū)域內(nèi)地下水豐富、埋深淺,一般水位埋深為地面下1 m～3 m,水位受季節(jié)、潮汐影響明顯。地下水賦存方式有第四系孔隙水和基巖風(fēng)化裂隙水。各車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況如表1所示。

各基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況 表1

2　監(jiān)測(cè)要求及監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)

2．1測(cè)點(diǎn)布設(shè)

沿圍護(hù)結(jié)構(gòu)間隔20 m～30 m布置測(cè)斜管,測(cè)斜管埋設(shè)位置重點(diǎn)選擇位移較大(或危險(xiǎn))的位置。測(cè)斜管埋設(shè)質(zhì)量控制重點(diǎn)一是要連接暢通;二是要保證埋設(shè)深度,使孔底要進(jìn)入穩(wěn)定地層;三是要做好標(biāo)示和保護(hù)。

2．2監(jiān)測(cè)周期和頻率

基坑第三方監(jiān)測(cè)頻率,一般情況下間隔時(shí)間不超過7 d,在開挖階段,間隔時(shí)間不超過3 d,特殊情況下每天1次,基坑出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行不限次數(shù)觀測(cè)。監(jiān)測(cè)至車站主體結(jié)構(gòu)施工完成以及土體回填完畢為止。

2．3報(bào)警值設(shè)置

監(jiān)測(cè)設(shè)置報(bào)警值為累計(jì)水平位移超過25 mm ～30 mm,位移速率超過2 mm/ d。

2．4監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)

監(jiān)測(cè)信息反饋是動(dòng)態(tài)管理的基礎(chǔ),信息反饋手段包括電話通知、書面文件、網(wǎng)絡(luò)通訊等。為提高監(jiān)測(cè)信息反饋水平,廣州地鐵5號(hào)線專門開發(fā)了地鐵監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)[2]。業(yè)主要求監(jiān)測(cè)單位在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)完成后6 h內(nèi)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至信息平臺(tái),使有關(guān)方面可以通過先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)信息手段,及時(shí)了解監(jiān)測(cè)情況,查詢監(jiān)測(cè)的歷史數(shù)據(jù),對(duì)提高監(jiān)測(cè)信息反饋速度和質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。近年來監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)應(yīng)用越來越多[3]。

文獻(xiàn)[4]介紹了廣州地鐵5號(hào)線開發(fā)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息平臺(tái)。平臺(tái)結(jié)構(gòu)劃分為三層(如圖1所示):①數(shù)據(jù)采集層:工程資料、人工或自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集記錄并上傳;②數(shù)據(jù)中心層:工點(diǎn)圖形設(shè)計(jì)功能、系統(tǒng)權(quán)限管理功能、數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)功能、系統(tǒng)數(shù)據(jù)修改功能、平差處理計(jì)算功能和監(jiān)測(cè)報(bào)表生成功能;③用戶使用層:監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)警功能、本期數(shù)據(jù)查詢功能、歷史數(shù)據(jù)查詢功能、圖形曲線查詢功能、數(shù)據(jù)使用提示功能和工程進(jìn)度查詢功能。

圖1　監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

本線路工程施工中,監(jiān)測(cè)結(jié)果通過信息平臺(tái)快速反饋給管理部門和施工現(xiàn)場(chǎng),達(dá)到報(bào)警時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行判別報(bào)警,有關(guān)方面及時(shí)采取了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施,全部工程安全建成。

本文利用該平臺(tái)數(shù)據(jù)查詢功能,進(jìn)行多基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì),利用大數(shù)據(jù)對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)體深層水平位移規(guī)律進(jìn)行分析。

3　監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

3．1監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

參加統(tǒng)計(jì)基坑數(shù)量10個(gè),測(cè)斜孔179個(gè),主要統(tǒng)計(jì)累計(jì)位移和位移速率兩項(xiàng)指標(biāo),數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出,參加統(tǒng)計(jì)的基坑平均開挖深度18．5 m,累計(jì)位移最大值74．4 mm,單日最大位移量9．1 mm,最大位移位置大部分在中間偏下位置。達(dá)到報(bào)警值孔數(shù)有70個(gè),占統(tǒng)計(jì)孔數(shù)的39%。每個(gè)基坑均有墻體累計(jì)水平位移和位移速率達(dá)到報(bào)警值,部分基坑累計(jì)位移較大,位移速率也較大。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果還可以看出,對(duì)于設(shè)置內(nèi)支撐體系的地鐵車站基坑,開挖到一定深度以后,圍護(hù)結(jié)構(gòu)體水平位移最大值一般出現(xiàn)在基坑開挖深度的中部以下位置。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析,雖然全部基坑工程實(shí)現(xiàn)安全施工,但部分基坑累計(jì)位移最大值和位移速率最大值較大,達(dá)到報(bào)警狀態(tài)的測(cè)孔數(shù)量也較多,應(yīng)提高設(shè)計(jì)安全度,加強(qiáng)施工控制措施,將位移總量和位移速率控制在更小范圍內(nèi),更好規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn),確保工程安全。

本項(xiàng)目以監(jiān)測(cè)為依托的工程動(dòng)態(tài)管理實(shí)踐證明,深層水平位移監(jiān)測(cè)在反映基坑安全狀態(tài)、指導(dǎo)基坑動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)施工控制方面發(fā)揮了重要作用。

3．2深層水平位移典型曲線形態(tài)

監(jiān)測(cè)過程中,除了根據(jù)深層水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果當(dāng)前的水平位移累計(jì)值、變化速率和歷史數(shù)據(jù)判斷圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性外,對(duì)墻體深層水平位移變化曲線形態(tài)進(jìn)行觀察分析,可以更好地判斷監(jiān)測(cè)結(jié)果的合理性和可靠性,結(jié)合設(shè)計(jì)和施工情況,分析位移發(fā)展原因,提出工程建議措施。

正常曲線形態(tài)是基坑支護(hù)設(shè)計(jì)、施工控制、水文地質(zhì)和周邊環(huán)境等的綜合反映,曲線形態(tài)與這些影響因素應(yīng)相符合,否則應(yīng)分析原因。

本文利用廣州地鐵監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)圖件曲線查詢功能,對(duì)測(cè)孔深層水平位移曲線狀態(tài)進(jìn)行觀察研究,列出工程測(cè)試中出現(xiàn)的幾種典型曲線形態(tài)(如圖2所示),提出各形態(tài)曲線產(chǎn)生原因和應(yīng)采取的對(duì)策措施(如表3所示)。

圖2和表3將測(cè)孔深層水平位移曲線劃分為8種典型曲線形態(tài),第1種～4種曲線形態(tài)屬正常測(cè)試形態(tài),第4種～5種形態(tài)需認(rèn)真分析,判斷是正常測(cè)試結(jié)果還是測(cè)試偏差,第7種～8種形態(tài)屬測(cè)試偏差。實(shí)際工程中的測(cè)試曲線,有可能是其中某種形態(tài),也有可能是其中兩種或多種形態(tài)結(jié)合的結(jié)果。

圖2　深層水平位移八種典型曲線形態(tài)

序號(hào)曲線形態(tài)名稱　曲線形態(tài)描述　產(chǎn)生原因分析　　對(duì)策措施1　喇叭狀從上到下呈從大到小的漸變曲線,曲線呈向上張開的半喇叭口狀。設(shè)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)為懸臂形式;未及時(shí)施加首層支撐。重點(diǎn)注意頂部位移發(fā)展情況;盡快施加第一道支撐。2　中鼓狀中部鼓出,呈拋物線狀。鼓出位置處于開挖面上部,隨著開挖深度的加大逐漸下移。內(nèi)支撐施工時(shí)常見情況。與開挖進(jìn)度和設(shè)計(jì)參數(shù)比較,判斷位移量是否處于正常范圍值。3　底鼓狀中下部鼓出段較長(zhǎng),水平位移總量大?？v向支撐間距過大;超挖、未及時(shí)架設(shè)內(nèi)支撐;設(shè)計(jì)支撐剛度不夠。提醒現(xiàn)場(chǎng)單位嚴(yán)禁超挖,及時(shí)設(shè)置支撐或加密支撐布置;判斷位移量是否處于正常范圍值;觀測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)水平向裂縫。4　反向位移(頂部)向基坑外位移?；悠珘菏芰?巖土層結(jié)構(gòu)面有規(guī)律傾斜;支撐應(yīng)力過大。與墻頂水平位移位移測(cè)點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較,并分析原因。5　不規(guī)則　不規(guī)則曲線,多呈波浪形。墻體剛度較小,支撐位置位移相對(duì)較小;地層影響。復(fù)測(cè)并分析原因,注意結(jié)合支撐位置、附近土層情況進(jìn)行分析。6　錯(cuò)動(dòng)狀　錯(cuò)動(dòng)情況。測(cè)斜管或圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)。復(fù)測(cè)并分析原因。

7　底部轉(zhuǎn)動(dòng)從底部起曲線即開始傾斜,測(cè)出的水平位移值偏小。測(cè)斜管埋設(shè)深度不夠,管底部已有位移。埋管時(shí)底部應(yīng)進(jìn)入不動(dòng)部位一定深度?？山Y(jié)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移點(diǎn)位移情況進(jìn)行修正。8　始齒狀　初始幾個(gè)測(cè)點(diǎn)的變化不規(guī)則。測(cè)斜傳感器在孔底靜置時(shí)間不夠,傳感器狀態(tài)未穩(wěn)定即開始測(cè)試。復(fù)測(cè)。嚴(yán)格按照深層水平位移操作細(xì)則作業(yè)。

測(cè)試曲線使用前需初步判斷測(cè)試結(jié)果是否正常合理。水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的一個(gè)重要條件,是深層水平位移曲線底部應(yīng)有一段垂直線段,靠近開挖面時(shí),曲線逐步傾斜彎曲,這表明測(cè)斜管底部埋設(shè)至不動(dòng)地層,靠近開挖面時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)開始逐漸產(chǎn)生位移。如果深層水平位移曲線底部一開始就出現(xiàn)傾斜,說明測(cè)試起點(diǎn)處于已發(fā)生位移位置,整個(gè)測(cè)斜孔的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生偏差,結(jié)果分析時(shí)需考慮該因素,必要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。另外,孔底開始觀測(cè)數(shù)據(jù)不正常跳躍(曲線反映為鋸齒形狀),應(yīng)是測(cè)斜傳感器在孔底靜置時(shí)間不夠,傳感器溫度處于變化狀態(tài)即開始測(cè)試,影響測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

從曲線形態(tài)分析可以看出,對(duì)于深層水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),除了常規(guī)上對(duì)累計(jì)位移量、位移速率以及歷史數(shù)據(jù)的分析,還應(yīng)包括曲線形態(tài)的分析,這四個(gè)方面都是必不可少的。人們往往關(guān)注累計(jì)位移量、位移速率和歷史數(shù)據(jù)分析,缺乏對(duì)曲線形態(tài)的分析,這樣對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析是不夠全面的,難以查明位移產(chǎn)生的原因,從而采取有效對(duì)策。監(jiān)測(cè)人員需不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),測(cè)試數(shù)據(jù)出來后首先判斷測(cè)試結(jié)果是否合理可靠,然后根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析四個(gè)方面特征,結(jié)合工程情況綜合思考,提出針對(duì)性強(qiáng)的分析意見和建議。

3．3深層水平位移影響因素

利用監(jiān)測(cè)信息平臺(tái),結(jié)合工程實(shí)際情況,我們分析了影響地鐵基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移的因素,主要包括以下幾個(gè)方面:

一是支護(hù)方式的影響。地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用連續(xù)墻和圍護(hù)樁兩種形式。連續(xù)墻結(jié)構(gòu)整體性好,特別是防水性能好,適應(yīng)性好,對(duì)施工安全控制有利,但造價(jià)較高。采用圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)樁間止水處理難度較大。

二是地層條件的影響。地層條件的影響明顯,出現(xiàn)位移較大的基坑,大都軟土厚度較大。個(gè)別基坑在開挖初期就有明顯的位移,基坑開挖深度僅4 m,就發(fā)現(xiàn)明顯的水平位移,經(jīng)及時(shí)采取措施后位移才得到控制。

三是施工控制的影響。設(shè)計(jì)工作完成后,施工措施是影響位移最主要的因素。除了開挖卸載引起預(yù)料中的位移外,影響最明顯的是支撐架設(shè)的時(shí)機(jī)。監(jiān)測(cè)中部分基坑多次發(fā)現(xiàn)超挖引起的位移異常增大,經(jīng)報(bào)警提醒后,采取措施加快支撐的架設(shè),控制了位移的繼續(xù)發(fā)展。

須重視基坑施工控制中容易出現(xiàn)超挖的問題。如果因超挖過多,位移或結(jié)構(gòu)的位移變化率太大,造成結(jié)構(gòu)損傷,混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫時(shí),還應(yīng)采取措施消除因此造成的安全隱患。

鋼支撐拆除階段,圍護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)一定程度的位移突變,支撐拆除后應(yīng)及時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果還表明,爆破施工也會(huì)使圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移增大。由于爆破施工原因,在同一位置多次發(fā)現(xiàn)超過1 mm的位移。爆破振動(dòng)過大除了影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移外,還可能會(huì)影響支撐體系穩(wěn)定性,對(duì)爆破施工必須采取有效的控制措施。

監(jiān)測(cè)表明,施工中超挖、支撐架設(shè)不及時(shí)是深層水平位移異常增大最重要的影響因素,應(yīng)嚴(yán)禁超挖施工。

四是周邊環(huán)境條件的影響。周邊環(huán)境條件影響包括附近工程施工、地面開裂造成雨水下滲、周邊地下給排水管線開裂滲漏、地面水系的存在和地面堆載等。

五是工程動(dòng)態(tài)管理的影響。當(dāng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)位移出現(xiàn)異常情況時(shí),必須迅速采取對(duì)策,防止位移的繼續(xù)發(fā)展。通常采取的措施有:①進(jìn)一步確認(rèn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù):包括檢查儀器狀態(tài)、測(cè)量記錄和計(jì)算過程、工況是否吻合、必要的復(fù)測(cè)等;②信息反饋:異常情況信息要及時(shí)反饋到規(guī)定的有關(guān)部門和人員;③分析原因,采取措施:會(huì)同業(yè)主、監(jiān)理、施工、設(shè)計(jì)和政府監(jiān)管部門等綜合分析原因,根據(jù)情況采取必要措施,控制位移的發(fā)展。

需要指出,雖然深層水平位移是反映基坑安全狀況的一個(gè)最主要監(jiān)測(cè)指標(biāo),但影響基坑安全的因素是多方面的,例如對(duì)圍護(hù)樁形式的基坑,出現(xiàn)樁間涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)極大。要保證基坑安全,需結(jié)合其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)巡視等手段綜合分析判斷。

4　結(jié) 語(yǔ)

(1)本文利用工程項(xiàng)目開發(fā)的監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)查詢功能,對(duì)多個(gè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)體水平位移進(jìn)行統(tǒng)計(jì),為工程經(jīng)驗(yàn)積累提供參考材料。作者從定量上統(tǒng)計(jì)這些基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)體水平位移數(shù)據(jù),定性上劃分出圍護(hù)結(jié)構(gòu)體水平位移8種典型曲線形態(tài),實(shí)際測(cè)試曲線應(yīng)是這8種形態(tài)中的1種,或者是其中2種或2種以上形態(tài)的組合。

(2)定量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,本標(biāo)段地鐵車站基坑的設(shè)計(jì)和施工措施總體上是合理的,但安全度需加強(qiáng)。

(3)對(duì)定性分類得出的深層水平位移8種典型曲線形態(tài),說明了各自的特征、產(chǎn)生原因,提出應(yīng)采取的對(duì)策措施。提出工程上對(duì)于深層水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),除了累計(jì)位移量、位移速率以及歷史數(shù)據(jù)的分析,還應(yīng)包括曲線形態(tài)的分析。

(4)影響深層水平位移的因素是多方面的,本標(biāo)段監(jiān)測(cè)分析指出,施工中超挖是造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移過大的最主要原因,必須重視。

(5)雖然深層水平位移是反映基坑安全狀況的一個(gè)重要監(jiān)測(cè)指標(biāo),但影響基坑安全的因素是多方面的。要保證基坑安全,需結(jié)合其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)巡視等手段綜合分析判斷。

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Analysis and Investigation of Deep Horizontal Displacement of Metro Stations’Excavation Retaining Structure Based on Monitoring Information Platform

Chen Xiaodan
(Guangzhou Metro Design and Research Institute Co．,Ltd．Guangzhou,510010 China)

Abstract:By using Guangzhou metro monitoring information platform,the deep horizontal displacement monitoring data of ten metro stations’excavation retaining structure are counted and analysed,the parameters of horizontal displacement are counted quantitatively and eight typical curve forms of deep horizontal displacement of excavation retaining structure are divided qualitatively．The conclusion is put forward that the analysis of deep horizontal displacement monitoring data should be considered with curve forms and analysis and suggestion are made by combining with statistical results．

Key words:excavation monitoring;deep horizontal displacement;monitoring information platform

文章編號(hào):1672-8262(2015)04-165-04中圖分類號(hào):TU196+．4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

收稿日期:?2015—04—30

作者簡(jiǎn)介:陳曉丹(1963—),男,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)楣こ炭睖y(cè)。