明珠隧道基坑監(jiān)測與變形分析

嚴(yán)宗雪，朱　炯

(1.廣州交通投資集團(tuán)有限公司，廣州　510288； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶　400067)

明珠隧道基坑監(jiān)測與變形分析

嚴(yán)宗雪1，朱炯2

(1.廣州交通投資集團(tuán)有限公司，廣州510288； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶400067)

摘要：結(jié)合明珠隧道基坑工程監(jiān)測實例，簡述基坑工程變形監(jiān)測方案，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)成果及其變化規(guī)律，總結(jié)工程經(jīng)驗，為同類明挖公路隧道基坑監(jiān)測工程提供參考。

關(guān)鍵詞：公路隧道；明挖；基坑監(jiān)測技術(shù)；成果分析

公路隧道常見于山地地貌中，較多采用鉆爆法施工。隨著工程建設(shè)向縱深方向發(fā)展，公路隧道建設(shè)中受到的環(huán)境制約越來越多，使得隧道型式、修建工法也因此而得到進(jìn)一步調(diào)整和發(fā)展。在埋深淺、巖土層松散條件下，明挖方案具有較好的適應(yīng)性。但與軌道交通隧道相比，明挖公路隧道基坑斷面較大，工程風(fēng)險較高，故基坑監(jiān)測對工程及其周邊環(huán)境安全具有重要意義。

監(jiān)測是基坑工程信息化施工的重要組成部分，其可使工程技術(shù)人員不僅能夠及時了解地層、支護(hù)體系及周邊環(huán)境的變化信息，而且能夠掌握地層、支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的相互作用、時空效應(yīng)、安全和穩(wěn)定狀態(tài)，從而有針對性地制訂施工方案和應(yīng)急措施，對施工過程進(jìn)行有效控制和管理，防止災(zāi)害事故發(fā)生。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)還可以判斷設(shè)計方案、參數(shù)及施工方法、工藝、措施是否合理，可及時優(yōu)化、調(diào)整設(shè)計參數(shù)和施工方法，實現(xiàn)動態(tài)設(shè)計和信息化施工。本文結(jié)合明珠隧道基坑工程監(jiān)測實例，分析其變形的4個階段及影響變形的關(guān)鍵因素，總結(jié)工程經(jīng)驗，為類似工程提供借鑒。

1工程概況

明珠隧道位于廣州市從化區(qū)，該地區(qū)屬于南亞熱帶海洋氣候。歷年統(tǒng)計資料表明，該地區(qū)年平均氣溫19.5～21.4 ℃，極端最高氣溫38.1 ℃，極端最低氣溫-2.6 ℃。年平均降水量1 800～2 200 mm，以4—9月降雨量最多。暴雨集中在7—9月，其間特大暴雨量>200 mm，被稱為汛期高潮，24 h最大降雨量達(dá)341.8 mm，1 h可達(dá)99.4 mm，且年降雨量大于蒸發(fā)量。該地區(qū)以亞熱帶季風(fēng)為主，冬天多北風(fēng)，風(fēng)力2～4級，風(fēng)力風(fēng)向較穩(wěn)定。11月份至翌年1月份，多有寒潮且伴有冷空氣大風(fēng)，每年的7—9月有2～3次臺風(fēng)和熱帶風(fēng)暴，最大風(fēng)力可達(dá)11～12級，并伴隨暴雨狂潮，具有較大災(zāi)害性。

隧道穿越地層為第4系沖洪積層(Q4al+pl)粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土、中粗砂、卵石土，全-中風(fēng)化粗?；◢弾r(γ52-3)。隧道進(jìn)出口段土層一般厚度為18.0～22.0 m不等，其具有孔隙較大，遇水易軟化、崩解，水理性質(zhì)較差，粘性較差的特點。明珠隧道工程所在地區(qū)屬多臺風(fēng)暴雨區(qū)，在暴雨季節(jié)，因雨淋或表水沖刷，易產(chǎn)生邊坡表層局部坍滑、崩坍現(xiàn)象。隧道洞身圍巖多為土層，局部裂隙發(fā)育，巖體破碎。

明珠隧道工程范圍內(nèi)為流溪河1級階地，局部有低山丘陵，地表 12～20 m范圍由粉質(zhì)粘土、砂土覆蓋，基巖為花崗巖。隧道全段均位于土層及巖石風(fēng)化帶內(nèi)，且未見斷裂構(gòu)造。但明挖坑壁可能產(chǎn)生崩塌、坍滑等失穩(wěn)現(xiàn)象。

隧道總長1 220 m，設(shè)計起止樁號范圍K169+780～K171+000。隧道按主體結(jié)構(gòu)形式主要分成3個段落，即兩端為U型槽結(jié)構(gòu)，中間部位為整體式明挖暗埋微拱框架，見圖1。

圖1　明珠隧道結(jié)構(gòu)段落示意

隧道基坑工程采用全放坡方式開挖，邊坡采用噴錨支護(hù)。隧道基坑線路長、橫斷面大、影響范圍廣，其中K170+270～K170+400段落基坑深度最大，采用3級放坡方式開挖。以K170+300橫斷面為例，基坑設(shè)計采用3級放坡，深度達(dá)24 m，橫斷面開口寬度125 m，見圖2。

圖2　明珠隧道基坑K170+300斷面示意

隧道洞身主要為粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化花崗巖，下伏強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖，整體地質(zhì)條件較差。由于隧道位于土質(zhì)及巖層風(fēng)化帶內(nèi)，故明挖基坑邊坡易產(chǎn)生崩塌、坍滑等失穩(wěn)現(xiàn)象，存在安全風(fēng)險。

地層巖性差、隧道洞身及下伏巖土體透水性強(qiáng)、強(qiáng)降雨天氣基坑開挖斷面寬度及深度大、基坑線路長等成為明珠隧道建設(shè)的不利因素，同時也是實施基坑監(jiān)測的難點。因此，基坑開挖深度、橫斷面寬度大的相關(guān)段落應(yīng)作為監(jiān)測重點。

2基坑監(jiān)測方案

2.1監(jiān)測項目及方法

考慮到明珠隧道基坑工程風(fēng)險較多，為有效控制風(fēng)險，避免監(jiān)測工作對施工的干擾，監(jiān)測項目的選擇應(yīng)重點針對基坑變形，采用的方法應(yīng)簡便、易行、可靠?；诖嗽瓌t，擬定明珠隧道基坑變形監(jiān)測項目主要包括坡頂水平位移、坡頂沉降、土體深層水平位移。

2.1.1坡頂水平位移監(jiān)測方法

水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)按2級布設(shè)，首先，在基坑開挖深度3～5倍以外不受施工影響的穩(wěn)定區(qū)域布置基準(zhǔn)點，在基準(zhǔn)點與工作基準(zhǔn)點之間布設(shè)第1級控制網(wǎng)，觀測工作基準(zhǔn)點；其次，在工作基準(zhǔn)點與測點之間布設(shè)第2級控制網(wǎng)，觀測各測點。

測點選用標(biāo)準(zhǔn)件測釘。制作水泥墩前，需在坡頂插入2～4根Φ16～20 mm螺紋鋼筋，插入深度≥20 cm且預(yù)留15 cm出露地表；然后在鋼筋出露地表處架設(shè)模板，灌注混凝土并振搗密實，待混凝土初凝前插入標(biāo)準(zhǔn)件測釘并做好定期養(yǎng)護(hù)；最后水泥墩頂面用紅色油漆進(jìn)行點號標(biāo)注，以防破壞。

采用全站儀及配套棱鏡并按極坐標(biāo)法進(jìn)行監(jiān)測。極坐標(biāo)法具體實施方式為：在基點架設(shè)全站儀，儀器調(diào)平后瞄準(zhǔn)后視點的起始方向值，然后依次觀測各測點與起始方向的角度和基點與各測點的距離，通過計算得到各測點的坐標(biāo)值，2次坐標(biāo)值的差就是測點位移變化量。極坐標(biāo)法觀測原理見圖3。

圖3　極坐標(biāo)法觀測原理示意

2.1.2坡頂沉降監(jiān)測方法

坡頂沉降監(jiān)測采用重復(fù)精密水準(zhǔn)測量方式進(jìn)行，即在基坑開挖深度3～5倍以外不受施工影響的穩(wěn)定區(qū)域設(shè)置基準(zhǔn)點。水準(zhǔn)網(wǎng)設(shè)置以網(wǎng)形最合理、測站數(shù)最少為原則。在整個水準(zhǔn)網(wǎng)內(nèi)，需埋設(shè)3個深度足夠且位于變形范圍外的水準(zhǔn)基點作為起算點，另需埋設(shè)一定數(shù)量的一般水準(zhǔn)點，測量時選擇一些穩(wěn)定性較好的沉降點作為水準(zhǔn)線路基點進(jìn)行測量外業(yè)工作，且水準(zhǔn)網(wǎng)統(tǒng)一監(jiān)測和平差。

在滿足監(jiān)測精度前提下，沿坡頂沉降測點布設(shè)1條閉合水準(zhǔn)環(huán)形路線，并由該水準(zhǔn)環(huán)形路線中的固定點來測定各測點的標(biāo)高。每隔一定周期進(jìn)行1次精密水準(zhǔn)測量，將測量結(jié)果嚴(yán)密平差，求出各水準(zhǔn)點和沉降監(jiān)測點的高程變化值。坡頂沉降監(jiān)測按照2等水準(zhǔn)測量作業(yè)技術(shù)要求執(zhí)行，見表1。

表1　2等水準(zhǔn)測量作業(yè)技術(shù)要求

2.1.3土體深層水平位移監(jiān)測方法

土體深層水平位移監(jiān)測用于測量土體在不同深度上點的水平位移。采用測斜儀進(jìn)行測量，測斜儀由測斜管、測斜探頭、數(shù)字式測讀儀3部分組成。用鉆孔方式將測斜管埋設(shè)于基坑邊坡土體內(nèi)。測斜管埋設(shè)后，在管口地表部位用套管、砌筑窖井等措施對其予以保護(hù)。測斜管內(nèi)有4條十字型對稱分布的凹型導(dǎo)槽，其作為測斜儀滑輪上下滑行軌道。測量時，將測頭插入測斜管并使?jié)L輪卡在導(dǎo)槽上，將測斜探頭緩放至孔底。測量自孔底開始，自下而上沿導(dǎo)槽全長每隔一定距離測讀1次，且每次測量應(yīng)將測頭穩(wěn)定在某一深度位置。測量完畢后，將測頭旋轉(zhuǎn)180°插入同一對導(dǎo)槽，并按以上方法重復(fù)測量。

當(dāng)基坑邊坡土體產(chǎn)生側(cè)向變形時，測斜管軸線會產(chǎn)生撓度，此時用測斜儀確定測斜管軸線各段的傾角，便可計算出土體的水平位移。設(shè)基準(zhǔn)點為O點，坐標(biāo)為(X0，Y0)，測斜管軸線各測點的平面坐標(biāo)由如下2式確定：

式中：i為測點序號，i=1，2，…，j；L為測斜儀標(biāo)距或測點間距，m；f為測斜儀率定常數(shù)；△εxi為X方向第i段正、反測應(yīng)變讀數(shù)差之半；△εyi為Y方向第i段正、反測應(yīng)變讀數(shù)差之半。

為消除量測裝置零漂移引起的誤差，每一測段2個方向的傾角都應(yīng)進(jìn)行正、反2次量測，即

當(dāng)△εxi或△εyi>0時，表示向X軸或Y軸正向傾斜；當(dāng)△εxi或△εyi<0時，表示向X軸或Y軸負(fù)向傾斜。由上式可計算出測斜管軸線各測點水平位置，然后比較不同測次各測點水平坐標(biāo)，便可計算得出基坑邊坡土體的水平位移量。

2.2測點布置

明珠隧道基坑變形監(jiān)測測點布置遵循如下5條原則：1) 最大程度反映監(jiān)測對象的實際狀態(tài)與變化趨勢；2) 不妨礙監(jiān)測對象的正常工作，減少對施工的干擾；3) 監(jiān)測標(biāo)志穩(wěn)固、明顯、結(jié)構(gòu)合理，位置避開障礙物，便于觀測；4) 有代表性的及重點部位加密布設(shè)；5) 設(shè)置保護(hù)裝置或設(shè)施。隧道基坑變形監(jiān)測點布置間距見表2，監(jiān)測斷面布置見表3。

2.3監(jiān)測頻率

結(jié)合明珠隧道基坑工程類別、施工階段、周邊環(huán)境及自然條件等因素，經(jīng)綜合比選，制定了明珠隧道的監(jiān)測頻率，見表4。該監(jiān)測頻率旨在系統(tǒng)反映監(jiān)測對象所測項目的重要變化過程而又不遺漏其變化時刻。

2.4監(jiān)測報警值

一般情況下，報警值由2部分控制，即總允許變化量和單位時間內(nèi)允許的變化量。明珠隧道監(jiān)測報警值的確定綜合考慮了5方面因素：1) 滿足設(shè)計計算要求，不可超出設(shè)計值；2) 滿足測試對象的安全要求，達(dá)到保護(hù)目的；3) 滿足各保護(hù)對象主管部門提出的要求；4) 滿足現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范、規(guī)程要求；5) 在保證安全的前提下，考慮經(jīng)濟(jì)因素，減少資金投入。明珠隧道基坑監(jiān)測報警值見表5。

3監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果

明珠隧道K170+270～K170+450段開挖深度較大，風(fēng)險較高。本文選取該段落部分測點監(jiān)測數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行了匯總統(tǒng)計、歸納，并選擇部分監(jiān)測點數(shù)據(jù)繪制了時程曲線。坡頂水平位移和沉降累計變化量時程曲線分別見圖4、圖5。

表2　變形監(jiān)測點布置間距

表3　監(jiān)測斷面布置統(tǒng)計

表4　明珠隧道基坑變形監(jiān)測頻率

表5　明珠隧道基坑監(jiān)測報警值

注：H為基坑開挖深度。

圖4　坡頂水平位移累計變化量時程曲線

從圖4、圖5可以看出，坡頂水平位移和沉降累計值變化情況可大致概括為如下4個階段。

圖5　坡頂沉降累計變化量時程曲線

第1階段：增長期。由于基坑逐步開挖的卸載作用，邊坡變形呈明顯增加趨勢，但未達(dá)報警值。

第2階段：平緩期。本階段中，隨著基坑開挖及噴錨支護(hù)完成，巖土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，逐漸趨于力學(xué)平衡狀態(tài)。

第3階段：陡增期。在雨季，強(qiáng)降雨對坡體及支護(hù)結(jié)構(gòu)沖刷作用加劇，而明珠隧道洞身主要位于土層及巖石風(fēng)化帶內(nèi)，巖土物理力學(xué)性能在降雨條件下有所折減，導(dǎo)致本階段出現(xiàn)變形陡增情況，較多測點變形累計值達(dá)到或超過報警限值，對應(yīng)部位支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破損、裂縫、脫空等風(fēng)險。

第4階段：平穩(wěn)期。結(jié)合現(xiàn)場實際對裸露巖土面采取了噴混凝土封閉措施，同時對風(fēng)險部位進(jìn)行了修補(bǔ)與加強(qiáng)。隨著雨季結(jié)束，基坑變形累計值逐漸趨于平穩(wěn)。

土體深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表6。從表6數(shù)據(jù)可以看出，土體深層水平位移變化相對平穩(wěn)，累計變化最大值出現(xiàn)在測點DGT05處(最大變化深度5 m，最大變化值23 mm)，未達(dá)到報警限值，說明測點附近范圍邊坡整體穩(wěn)定性較好，不易出現(xiàn)較大規(guī)模邊坡失穩(wěn)破壞。

表6　土體深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4結(jié)論

1) 明珠隧道建設(shè)過程中，在變形速率增加且累計值報警情況下，對噴錨支護(hù)已出現(xiàn)的剝落、破損進(jìn)行了及時修復(fù)，有效避免了風(fēng)險進(jìn)一步發(fā)展、擴(kuò)張。由此可知，監(jiān)測是控制基坑施工安全的重要保障和前提，對工程進(jìn)度及風(fēng)險控制具有重要意義。

2) 明珠隧道洞身范圍主要為粉質(zhì)粘土和全風(fēng)化花崗巖，全風(fēng)化花崗巖透水性較強(qiáng)，降雨期間易被沖刷且形成滲流通路，導(dǎo)致基坑部分段落在強(qiáng)降雨期間出現(xiàn)變形速率增加、累計變化量報警等情況。因此，在該類地質(zhì)條件下修建明挖隧道應(yīng)重視加強(qiáng)降雨期間的安全措施，采取合理措施引排地表水，防止降雨對坡面的沖刷作用。

3) 明珠隧道基坑部分段落在強(qiáng)降雨期間出現(xiàn)變形速率增加，累計值報警情況，但基坑邊坡未出現(xiàn)深層剪切破壞，整體較穩(wěn)定。粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化花崗巖雖然物理力學(xué)性質(zhì)較差，但對于明珠隧道這類水平分層的原狀土體，在基坑開挖、降雨等風(fēng)險時段，適時增加監(jiān)測頻率，對數(shù)據(jù)變化較大且超限部位進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，同時采取合理有效的噴錨支護(hù)，便可有效控制工程安全風(fēng)險。

參 考 文 獻(xiàn)

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Monitoring and Analysis for Deformation of Foundation Pits in Mingzhu Tunnel

YAN Zongxue1, ZHU Jiong2

Abstract:In combination with the practical examples of monitoring of foundation pit in Mingzhu Tunnel, this paper describes the monitoring scheme for deformation of foundation pit project , analyzes the results and change rules of monitoring data, and summarizes project experiences to provide a reference for similar foundation pit monitoring projects of open-excavation highway tunnels.

Keywords:highway tunnel; open-cut; foundation pit monitoring technology; analysis of result

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.024

收稿日期：2015-11-25

作者簡介：嚴(yán)宗雪(1976-)，男，四川省資陽市人，博士，高工。

文章編號：1009-6477(2016)03-0107-05中圖分類號：U459.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A