地鐵基坑施工中水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)累計(jì)值超標(biāo)及其影響分析

陳開端

(福州市城市地鐵有限責(zé)任公司安全質(zhì)量部,350001,福州∥高級(jí)工程師)

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地鐵基坑施工中水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)累計(jì)值超標(biāo)及其影響分析

陳開端

(福州市城市地鐵有限責(zé)任公司安全質(zhì)量部,350001,福州∥高級(jí)工程師)

福州地鐵象峰站建設(shè)施工中出現(xiàn)水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)持續(xù)超標(biāo),累計(jì)值限定的極限已經(jīng)用完,但地表并未出現(xiàn)嚴(yán)重沉降的情況。從福州巖土工程特性方面分析了其產(chǎn)生原因,指出實(shí)際上出現(xiàn)了水位監(jiān)測(cè)累計(jì)值失效的現(xiàn)象,提出了處理相關(guān)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目出現(xiàn)失效問題的方法。

地鐵; 基坑;水位監(jiān)測(cè);累計(jì)值;滲流;承壓水

Author′s address Fuzhou Urban Metro Co.,Ltd.,350001,Fuzhou,China

1 工程概況

福州地鐵1號(hào)線象峰站位于象峰村及三木家天下小區(qū)附近的秀峰路上,沿秀峰路南北向布置,為地下二層(局部三層)島式車站,頂板覆土厚度約為3 m,采用明挖順作法施工。擬建基坑長(zhǎng)420.0 m,寬19.2～24.6 m,開挖深度15.5～26.0 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm(小里程端頭井采用1 000 mm)厚地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護(hù)方案,中間段第一道、小里程端頭井各道及大里程端頭井第二道為混凝土支撐,其余均為鋼管支撐。場(chǎng)地土類型為中軟土,建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類?；影踩燃?jí)為一級(jí);基坑保護(hù)等級(jí)為一級(jí)。

1.1 工程地質(zhì)

根據(jù)設(shè)計(jì)文件,車站地質(zhì)情況自上而下為:1-1雜填土;1-3淤泥質(zhì)填土;6碎卵石;7粉(砂)質(zhì)黏土;13-a殘積(砂質(zhì))黏性土;14全風(fēng)化巖;15散體狀強(qiáng)風(fēng)化巖;16碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化巖;17中等風(fēng)化巖。本場(chǎng)地地質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定,基坑所在地地面為坡地,地表呈北高南低,高差約9.5 m。

象峰站所處位置比較接近福州盆地北端的山體。由于部分城市規(guī)劃設(shè)施一并納入地鐵車站施工范圍,因此整個(gè)車站開挖長(zhǎng)度約為420 m。施工中采用分段開挖方式,南北兩端先行施工,中間設(shè)置縱向放坡以利于車輛出土。

1.2 水文地質(zhì)

福州地鐵1號(hào)線象峰站場(chǎng)地范圍內(nèi)地表水系較為豐富(見圖1)。淺部及中部地下水類型可分為上層滯水及承壓水-潛水。上層滯水主要賦存于淺部雜(素)填土層中,為孔隙水。穩(wěn)定水位埋深一般在2.6～3.7 m間。承壓水-潛水主要賦存于淺部碎卵石層及其下的殘積土、全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖層中。

勘察資料表明:擬建場(chǎng)地針對(duì)承壓水-潛水層進(jìn)行了兩組抽水試驗(yàn),測(cè)得穩(wěn)定水位埋深為0.6～11.42 m,相應(yīng)水位標(biāo)高為28.43～26.40 m;承壓水水頭可達(dá)27.179～25.149 m。受大氣降水及地表徑流補(bǔ)給,以及季節(jié)性降雨量變化的影響,水位變化幅度約2～6 m。

1.3 水位監(jiān)測(cè)情況

1.3.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

施工方2013年1月開始上傳地下水位監(jiān)測(cè)初始值并進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)工作。福州地下水位監(jiān)測(cè)的控

圖1 象峰站地質(zhì)剖面圖

制值為:累計(jì)值1 000 mm,監(jiān)測(cè)精度5.0 mm。隨著基坑開挖的深度不斷增加,地下水位也開始逐漸發(fā)生變化。這種變化可分為3個(gè)階段。

第一階段:水位下降超標(biāo)。2013年2月初測(cè)得最大值SW07為-1 520.00 mm;4月初測(cè)得最大值SW07為-2 840.00 mm,此時(shí),已經(jīng)超過設(shè)計(jì)控制值。

第二階段:水位變化的特點(diǎn)為突變性。2013年9月1日最大值SW07為-3 770.00 mm,9月8日最大值為-5 150.00 mm,數(shù)據(jù)變化較明顯,地下水下降呈現(xiàn)突變性,為第一次變化較大的時(shí)間段(見圖2)。

圖2 2013年水位突變走勢(shì)圖

11月11日最大值SW08為-5 365.00 mm,11月22日最大值SW20為-8 683.00 mm,12月2日最大值SW22為-11 033.00 mm。這一時(shí)期20天內(nèi)水位下降了近6 000 mm。為第二次變化較大的時(shí)間段。

第三階段:水位變化較穩(wěn)定。2013年12月2日至2014年3月2日,水位最大值一直在-11 000 mm以上。2014年3月2日以后,數(shù)據(jù)逐漸回落,此后數(shù)據(jù)一直穩(wěn)定在-10 000.00 mm上下。

施工方監(jiān)測(cè)與第三方監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,變化特點(diǎn)是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的差異的時(shí)間段基本錯(cuò)開一星期左右,數(shù)據(jù)變化幅度值基本一致。

2014年3月份后,施工方數(shù)據(jù)有所回落,但第三方數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定無明顯變化。

1.3.2 地表沉降監(jiān)測(cè)

施工方及第三方監(jiān)測(cè)的地表沉降數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定,未因地下水位突變出現(xiàn)明顯沉降,但部分測(cè)點(diǎn)累計(jì)值超過報(bào)警值,最大值在45 mm左右。

除由于開挖方式導(dǎo)致基坑暴露引起混凝土支撐軸力超標(biāo)外,其余測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)基本未出現(xiàn)變化異常,累計(jì)值較小。

1.3.3 地下水位突變時(shí)的相應(yīng)工況信息

(1) 第一次水位變化明顯時(shí)段(9月初至9月中旬)。SW08、SW09在9月初至9月中旬段變化較明顯,該段落位于北區(qū)35—39軸,為最后一層土方開挖段,長(zhǎng)時(shí)間暴露未封閉底板(見圖3)。

圖3 35—39軸2013年9月6日工況

(2) 第二次水位變化明顯時(shí)段(11月份)。SW22變化明顯,一個(gè)月時(shí)間內(nèi)下降6 000 mm。SW22位于北端頭井,北端頭井為地下三層,開挖深度約24 m,該時(shí)間段基坑底板已施工。坑底處于富水地層,泄水孔一直出水(見圖4)。

圖4 北端頭井2013年11月1日工況

2 地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)對(duì)工程的影響

2.1 巖性特征分析

根據(jù)勘探資料揭露,在56.0 m深度范圍內(nèi),主要分布有第四紀(jì)松散沉積物以及殘積層、全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化巖層。第四系松散沉積物主要由黏性土及碎卵石層組成。

2.1.1 巖土透水性特征

針對(duì)工程性質(zhì)及地層特性,勘察中對(duì)殘積土、全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化巖層進(jìn)行非完整井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)(3

次降深試驗(yàn)),抽水孔深度為36 m,8～36 m段設(shè)濾管。另外,還利用S1XZ11鉆孔對(duì)碎卵石、殘積土、全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化巖層進(jìn)行了完整井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)(3次降深試驗(yàn)),抽水孔深度為32 m,4～32 m段設(shè)濾管,以獲得含水層綜合水文地質(zhì)參數(shù)(如滲透性系數(shù)、影響半徑、單井涌水量等)。

根據(jù)場(chǎng)地水文地質(zhì)條件及抽水井的結(jié)構(gòu)形式,水文地質(zhì)參數(shù)系根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果按以下公式計(jì)算獲得

(承壓-潛水完整井)

(承壓非完整井)

s——主井降深,m;

r——主井外徑半徑,m;

H——潛水含水層計(jì)算厚度,m;

M——承壓含水層厚度,m;

h——由抽水孔孔底標(biāo)高算起的完整井動(dòng)水位，m;

R——影響半徑,m;

Q——抽水井的流量,m3/d;

l——濾水長(zhǎng)度,m;

k——滲透系數(shù),m/d。

根據(jù)以上公式,抽水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果詳見表1。

表1 抽水試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 地下水滲流特征

施工場(chǎng)地地勢(shì)起伏較大。地下承壓水-潛水主要賦存于淺部碎卵石層及其下的殘積土、全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖層中,本區(qū)域土層滲透系數(shù)見表2。根據(jù)表2可見，本地區(qū)的地下水具有含量豐富、承壓力大、巖性透水性強(qiáng)、土層組成顆粒較粗等特點(diǎn),這些都對(duì)地下水監(jiān)測(cè)產(chǎn)生影響。

2.2 水位突變的成因機(jī)理

2.2.1 基坑受到地下水的影響

基坑的開挖必然受到地下水的影響,基坑降水一方面使坑周土體骨架的有效應(yīng)力增加,另一方面,由于水頭差的存在使得土體中產(chǎn)生滲流動(dòng)水壓力。

表2 土層滲透系數(shù)

象峰站地區(qū)各含水層透水性較強(qiáng),并且具有較高的承壓水位。因承壓含水層埋藏較深,維護(hù)結(jié)構(gòu)的深度為30.95～20.40 m,不足以把基坑內(nèi)外的承壓含水層完全分隔開。基坑內(nèi)外地下承壓水連續(xù)相通,降水影響范圍較大。基坑從開挖初期始,其降水不間斷地進(jìn)行,平均日降水量650 m3,累計(jì)排水量相當(dāng)可觀。

由于地勢(shì)高差的原因,在基坑低端降水后,初期形成坑內(nèi)外水頭差。隨著基坑開挖深度不斷加深,坑內(nèi)外水位也不斷地下降,這種水位下降在基坑縱向由高向低形成水勢(shì),地面高差越大水勢(shì)也越大。當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí),水流突破阻礙其流動(dòng)的障礙就會(huì)產(chǎn)生突變現(xiàn)象。由此而形成了本工程降水實(shí)施后所出現(xiàn)的第二階段地下水位突變。

2.2.2 施工降水形成的地下水漏斗

本區(qū)域坑外水位出現(xiàn)異常的原因,應(yīng)該是土層存在滲透問題,地下水位在坑內(nèi)、坑外相通使得降水十分困難,于是加大降水力度,在坑外一定范圍內(nèi)形成滲降漏斗曲線,地下水向坑周邊流動(dòng)。當(dāng)含水層厚度較小時(shí)可以假定基坑降水為穩(wěn)定的承壓水完整井流,如圖5所示。圖中:R為水頭降深影響半徑;M為含水層厚度;hw為抽水井處水頭高度;rw為抽水井半徑;r為觀測(cè)井至抽水井的距離;h為觀測(cè)井水頭高度;h0為初始承壓水位距地表面的深度。

圖5 穩(wěn)定承壓水完整井降深曲線

這種漏斗形水勢(shì)既有橫向的,也有縱向的。而縱向有坡度時(shí)更會(huì)加強(qiáng)水勢(shì)的形成,也成為誘發(fā)水位突變的因素。

2.2.3 地下水儲(chǔ)存與滲流條件的影響

基坑開挖降水造成基坑內(nèi)外存在水頭差,從而引起基坑周邊土體中地下水的流動(dòng)。由滲流理論可知,土體中水的流動(dòng)會(huì)給巖土顆粒施加一個(gè)動(dòng)水壓力(滲透力),從而造成土體中有效應(yīng)力的變化。當(dāng)滲流方向向下時(shí),土體的有效應(yīng)力增加,這會(huì)引起土體在滲流作用下的附加沉降。

在原始狀態(tài)下,地層是土與水共存的,處于一種平衡狀態(tài)。當(dāng)基坑進(jìn)行施工時(shí),在挖掘與排土的過程中,就打破了地層的平衡。而這種平衡的打破,首先應(yīng)該是水的流動(dòng),它始終朝著壓力減少的方向流動(dòng)。

但是,當(dāng)?shù)叵滤畠?chǔ)存形式只是在土層的裂隙間,當(dāng)土層的顆粒組成及支撐骨架穩(wěn)定時(shí),地下水位下降僅僅只是水的損失,土層能夠全部或部分保留原狀,則地面不出現(xiàn)較明顯沉降。因此，本地區(qū)雖然水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)，甚至嚴(yán)重超標(biāo),累計(jì)值早已被突破,但是地面是穩(wěn)定的,基坑也是安全的。從另一個(gè)方面來說,這就是監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在特定情況下發(fā)生了失效。

2.3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目出現(xiàn)失效分析

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目出現(xiàn)失效,主要體現(xiàn)在其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(變化值、累計(jì)值)均已超標(biāo),但基坑是處在安全狀態(tài)下的情況。

累計(jì)值的超標(biāo)問題,經(jīng)常會(huì)困擾著監(jiān)測(cè)、監(jiān)控人員。累計(jì)值的概念是指整個(gè)工程某一測(cè)項(xiàng)總體可允許變化限定值,在監(jiān)控中也以此限定值作為預(yù)警指標(biāo)。然而在工程實(shí)踐中,由于種種原因,會(huì)在工程初期就將累計(jì)值用完。雖然以后變化值很小,并沒有威脅到基坑安全,但監(jiān)控中的報(bào)警卻始終存在,而這種報(bào)警并沒有反映現(xiàn)場(chǎng)施工安全問題,出現(xiàn)了監(jiān)測(cè)項(xiàng)目沒有起到真正的安全警示作用。這種情況稱之為監(jiān)測(cè)失效。

處理監(jiān)測(cè)項(xiàng)目出現(xiàn)失效問題的處理方法主要有:

(1) 分析與研究勘察設(shè)計(jì)文件,了解工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況;分析現(xiàn)場(chǎng)施工安全狀態(tài),尤其是出現(xiàn)預(yù)警時(shí)的安全狀態(tài)。

(2) 如果在施工初期由于某種原因把監(jiān)測(cè)累計(jì)值用完,就需要分析和研究工程實(shí)際情況和現(xiàn)場(chǎng)安全態(tài)勢(shì)；在此研究的結(jié)果上,經(jīng)業(yè)主與設(shè)計(jì)確認(rèn)后重新設(shè)置累計(jì)值。

(3) 監(jiān)測(cè)單位在出現(xiàn)了監(jiān)測(cè)累計(jì)值超標(biāo)并不可逆轉(zhuǎn)的情況下,需要研究和調(diào)整監(jiān)測(cè)方案；在不能重設(shè)累計(jì)值預(yù)警值時(shí),應(yīng)在發(fā)布預(yù)警信息時(shí)加以說明,并以變化速率值為基礎(chǔ)嚴(yán)密監(jiān)控基坑安全。

3 結(jié)論與建議

(1) 福州地區(qū)地下水在時(shí)空分布、演變規(guī)律、變化幅度等方面和巖土特性存在密切的相關(guān)性，地下水位降落漏斗格局和形態(tài)與地下水位降深具有相關(guān)性,這些都充分證明了福州地鐵施工降水在特定的地質(zhì)條件下,既有引發(fā)地面沉降的可能性,也存在特殊地質(zhì)條件下監(jiān)測(cè)項(xiàng)目失效問題。

(2) 本施工區(qū)域地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的異常。這是由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)未能完全阻斷地下水,從而形成了坑內(nèi)降水引發(fā)坑外水位的大幅下降。同時(shí)，由于地勢(shì)高差形成的地下水位水勢(shì)差，也是引發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常的原因。

(3) 地下水位大幅下降將會(huì)危及周邊建筑物,需引起高度重視。但是，因?yàn)橥翆拥奶厥庑允蛊渌O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未出現(xiàn)異常,且累計(jì)值已經(jīng)用完而發(fā)生監(jiān)測(cè)項(xiàng)目失效的情況,應(yīng)針對(duì)此類情況進(jìn)行研究和調(diào)整監(jiān)測(cè)方案,完善監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,科學(xué)使用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

[1] 劉建航,候?qū)W淵.基坑工程手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.

Excessive Value of Accumulated Water Level Monitoring Data and its Influence during Metro Foundation Pit Construction

CHEN Kaiduan

The monitoring data of the water level in the construction of Xiangfeng Station in Fuzhou metro continued to exceed the standard, and the limit of the accumulated value has been exceeded, but no serious subsidence on the ground is observed. Through an analysis of the geotechnical engineering characteristics in Fuzhou City, it is pointed out that the accumulated value of water level monitoring data has lost effectiveness, some correspondingmeasures against this failure are proposed.

metro; foundation pit; water level monitoring; accumulated value; seepage; confined water

TU753

10.16037/j.1007-869x.2016.08.017

2014-11-20)