α-測氡儀在基坑周圍環(huán)境變形分析中的應(yīng)用研究

朱威威，衛(wèi)宏，胡俊，吳雨薇，劉文博

（海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228）

隨著城市發(fā)展，在建筑物相對集中的區(qū)域進(jìn)行深基坑施工變得越來越普遍.如何在保證基坑施工安全的前提下，盡量減小對周邊環(huán)境的影響成為基坑施工的主要研究方向.前人在理論計算、現(xiàn)場實測以及模型試驗等方面開展了大量的研究.章紅兵[1]以上海民航醫(yī)院實測數(shù)據(jù)研究為基礎(chǔ)，提出了軟土地區(qū)基坑開挖引起基坑周邊環(huán)境變形的簡化算法；杜金龍[2]根據(jù)土體流變模型，利用有限元軟件分析得出基坑施工對鄰近樁基的影響具有時間效應(yīng)；左殿軍[3]采用ABAQUS有限元軟件分析得出基坑施工對鄰近地鐵隧道的影響.本文通過現(xiàn)場實測，在基坑周邊存在地下洞室的特殊條件下，分析基坑施工過程中對周邊建筑物產(chǎn)生的影響規(guī)律，以期對類似工程設(shè)計與施工提供參考依據(jù).

1 工程概況

本工程位于某市人民醫(yī)院內(nèi)，基坑平面位置如圖1所示.地下水位埋深約0.8 m，北面已有建筑物為2～3層磚房，天然地基，埋深1.5 m，距坑邊最近距離約為0.7 m；東面已有建筑物為2～3層眼科樓，天然地基，埋深1.5 m，距坑邊最近距離約為2.15 m；南面已有建筑物為5層外科樓，天然地基，埋深1.8（2.6）m，距坑邊最近距離約為2.17 m.

綜合大樓的基坑開挖深度5.8 m，周長約202 m.土層由上往下依次為7～8 m的礫砂，2.7～3.5 m的粉質(zhì)粘土，2～2.3 m的粉砂.采用水泥土攪拌樁+高壓旋噴樁+錨索的支護(hù)形式，降水方式采用坑內(nèi)井點降水.同時，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查以及施工過程中出現(xiàn)的塌方區(qū)，確定基坑南面有一條未探明走向的地下洞室存在.在基坑施工過程中，位于基坑西南面的5層外科大樓從底層至頂層出現(xiàn)明顯的貫通裂縫，存在較大的安全隱患，必須盡快找出裂縫產(chǎn)生的原因，并采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施.

圖1 基坑平面位置圖與氡值等高線圖

2 裂縫成因分析

一般情況下，建筑裂縫的主要成因包括：外荷載直接應(yīng)力、外荷載作用下產(chǎn)生的次應(yīng)力以及非荷載作用（溫度、不均勻沉降等）.其中非荷載作用引起裂縫主要是因為結(jié)構(gòu)不能滿足變形要求而產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后產(chǎn)生裂縫；從變形的出現(xiàn)到裂縫的形成需要時間的積累，不是瞬時完成的.通過觀察裂縫形態(tài)可以直觀描述出結(jié)構(gòu)的受力類型，再結(jié)合裂縫的形成過程及環(huán)境因素的變化，來判斷裂縫形成的具體原因.

2.1 裂縫的特征分析

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，位于基坑南面的外科樓為先后修建的新舊兩棟建筑，都是天然地基，基礎(chǔ)埋深分別為1.8 m和2.6 m，裂縫位于新舊兩棟樓的結(jié)合部（F3、F4以及F7、F8監(jiān)測點中間位置處，如圖1所示）.

圖2為外科樓內(nèi)裂縫圖，觀察外科樓西側(cè)內(nèi)墻面裂縫（圖2左）可知：樓層的裂縫都是沿著結(jié)合部位置墻體發(fā)育，延伸至該樓層橫梁.觀察各個樓層裂縫尺寸可知，裂縫的寬度由下而上逐漸變大，表明裂縫是沿著結(jié)合部的整體開裂.另一方面，兩側(cè)墻體上裂縫的兩邊并不在同一個平面上（圖2右），而是右側(cè)相對于左側(cè)有突起（向東突起）.同時，橫梁上裂縫的寬度不一致，表明橫梁上的裂縫不只是受到張拉應(yīng)力作用，還存在沿裂縫長度方向（東西方向）的剪應(yīng)力.兩裂縫的形態(tài)表明外科大樓北側(cè)部分向東發(fā)生了較大傾斜.在基坑工程樁和圍護(hù)樁施工過程中，通過測量固定在裂縫兩側(cè)墻面的水泥釘間的距離，觀察裂縫的發(fā)展，數(shù)據(jù)表明裂縫寬度有不斷增大的趨勢.截至2016年3月29日，測量點間寬度最大值為76.30 mm，相應(yīng)裂縫寬度約10.00 mm.

圖2 外科樓內(nèi)裂縫圖

2.2 產(chǎn)生裂縫的原因分析

選取裂縫兩側(cè)的（F3，F(xiàn)4）和（F7，F(xiàn)8）兩組監(jiān)測數(shù)據(jù)（詳見表1）進(jìn)行沉降對比分析，得出靠近基坑一側(cè)的F3較F4沉降值大21.570 cm，F(xiàn)7較F8沉降值大11.821 cm；并且外科樓東側(cè)靠近地下洞室一側(cè)的沉降值大于西側(cè)沉降值，由此可見，不均勻沉降是造成裂縫發(fā)展的直接原因.

表1 裂縫兩側(cè)監(jiān)測點沉降數(shù)據(jù)

結(jié)合裂縫的具體特征分析，基坑深度范圍內(nèi)主要為礫砂層，對于水位變化十分敏感.在施打工程樁和圍護(hù)樁的過程中，由于基坑止水帷幕尚未施工完成，抽取地下水進(jìn)行基坑降水引起周邊土體的固結(jié)沉降.由于外科樓為先后修建的新舊兩棟建筑，基礎(chǔ)埋深不一，產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致大樓產(chǎn)生裂縫.另一方面，由于外科大樓距基坑邊線最近為2.17 m，基坑的灌注樁施工過程以及混凝土泵送車產(chǎn)生的振動也一定程度促使了裂縫的發(fā)展.

同時，初步判斷基坑周圍存在地下洞室，在基坑施工前其中充滿了地下水，基坑進(jìn)行井點降水時將其抽空，形成了“采空區(qū)”，加劇了外科樓的不均勻沉降.因而，必須探明基坑周邊存在地下洞室的位置.

3 確定地下洞室位置

對于土壤中的氡氣測量，一直被廣泛用于鈾礦的勘察和確定油氣田的邊界等領(lǐng)域，在基坑領(lǐng)域的應(yīng)用較少.其基本原理是氡從較深地層中釋放出來，擴(kuò)散至地表，在相同條件下，地層中存在的孔隙越大，相應(yīng)容納的氡值也高.本文將采用α杯測氡儀來確定地下洞室的位置.

3.1 測氡儀測量原理

α杯測氡儀由α探測器、放大器、甄別器、計數(shù)器、控制電路和電源電路6部分組成.其測量原理是利用不穩(wěn)定核素氡在其原子核發(fā)生α衰變的過程中，釋放出的α粒子來檢測出土壤中氡的含量.α杯收集的放射性核素釋放出α射線，并轉(zhuǎn)化為脈沖信號.脈沖信號的數(shù)量即為α粒子數(shù)，從而直觀反映出土壤中氡的濃度.因此，通過α杯測氡儀測量值的大小可以直接反映α杯埋設(shè)點區(qū)域的地層孔隙情況.

3.2 現(xiàn)場試驗方案

考慮到地下洞室的走向及截面尺寸未知，在基坑邊東南側(cè)塌方位置進(jìn)行現(xiàn)場試驗，見圖3.

附近埋設(shè)測點時，采取密集布點形式，沿東西方向按3 m間距布置測點，布置三排，間距為2 m；基坑內(nèi)布置3m×3 m的網(wǎng)格單元布置測量點.在基坑?xùn)|西兩側(cè)以10 m為間距布設(shè)測點，以測量基坑區(qū)域的氡值背景值.由于場地硬化等條件的限制，適當(dāng)調(diào)整部分測點的埋設(shè)位置，測氡點具體布置位置如圖4所示.

圖3 基坑?xùn)|南側(cè)塌方位置

圖4 測氡點平面布置圖及裂縫位置

3.3 試驗步驟

現(xiàn)場試驗步驟如下：

1）在基坑周邊土體中按相應(yīng)的間距，預(yù)先挖直徑30 cm，深25 cm小坑，并清除大粒徑的石塊及平整坑底部的覆土.

2）豎直放入α收集杯（收集衰變過程產(chǎn)生的α粒子），上部覆蓋一層塑料薄膜，最后上覆填土，埋設(shè)時間不少于4 h，如圖5所示.

3）取出α杯，并注意清除杯緣殘留的土顆粒，放入α杯測氡儀中測量，每隔1 min記錄一次數(shù)據(jù)，直至數(shù)據(jù)穩(wěn)定（一般為3～5 min）方可停止該點的測量.

圖5 α杯的埋設(shè)

3.4 試驗數(shù)據(jù)的采集

測氡數(shù)據(jù)隨著時間的增長，累計脈沖數(shù)的增速逐漸減緩.一般情況下，測量時長為3～5 min內(nèi)數(shù)據(jù)增加速度較快，10 min以后的增加速度接近于0，為提高測量效率，測量時長一般取為5 min，出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常情況時長可相應(yīng)增加，測量數(shù)據(jù)如圖6和圖7所示.

圖6 地下洞室附近氡的測量值（密集布點位置）

圖7 場地內(nèi)測氡背景測量值

3.5 試驗數(shù)據(jù)處理

針對測氡結(jié)果的分析處理，主要集中在“真?zhèn)萎惓！秉c的鑒別.導(dǎo)致測點產(chǎn)生“偽異?！秉c的主要因素有：儀器自身性能的穩(wěn)定性，放射性漲落和外部環(huán)境的干擾等.其中，放射性漲落和外部環(huán)境的干擾是產(chǎn)生“偽異常”點的主要原因.如何區(qū)分“真?zhèn)萎惓！秉c的關(guān)鍵在于如何找到兩者的差異.根據(jù)模糊相似性理論和豐富的實際測量數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[4]提出了如下測氡數(shù)據(jù)的相似性分析公式.

式中E1、E2為兩模糊數(shù)中值，a1、a2為兩模糊數(shù)的左肩寬，b1、b2為右肩寬，k為與測氡有關(guān)的參數(shù).研究[14]表明，模糊數(shù)據(jù)的中值對相似性系數(shù)的貢獻(xiàn)約為肩寬值貢獻(xiàn)的3倍，取P為3.系數(shù)k是用來保證相似性系數(shù)維持在0～1之間，研究表明取k值為1000比較合理.根據(jù)相似性分析公式，判定每點各個時間點測氡值的相似性，剔除“偽異?！秉c，并確定每點的真實測氡脈沖數(shù)，得出相應(yīng)計算值.

結(jié)合基坑平面布置圖以及測氡點的位置和數(shù)據(jù)計算值，運(yùn)用suffer軟件v8.0繪制氡值等值線如圖1所示（“Y”形部分為施工過程中地下洞室出現(xiàn)的塌方位置）.通過分析表明，氡值曲線中的高值點連線集中在基坑南側(cè)且沿東西走向延伸（詳見圖8），再結(jié)合已探明的塌方位置洞室走向，表明地下洞室極有可能延伸至外科樓附近，對外科樓的不均勻沉降有一定的加劇作用.

4 加固措施

綜上所述，基坑降水為外科樓不均勻沉降的根本原因，地下洞室的存在是不均勻沉降發(fā)生的主要原因.因此，有必要對地下洞室采取封堵處理，考慮到基坑施工過程中，對基坑內(nèi)部降水是無法避免的.同時，由于地下洞室孔洞較大（從塌方位置輪廓判斷），單單靠止水帷幕很難的滿足封堵的要求，因此考慮采用外堵法截斷地下洞室與基坑及外科樓的連通孔洞.

圖8 部分位置處計算值

外堵法是向止水帷幕外側(cè)土體注入水泥漿或水玻璃溶液，從而封堵孔道.外堵法的優(yōu)點是施工使用范圍較廣，適用于幾乎所有的滲漏問題，但施工難度比較大.本基坑采用雙液注漿法，即水泥-水玻璃雙液施工法，通過調(diào)整漿液配比，縮短初凝時間，提高早期強(qiáng)度，從而適應(yīng)在動水條件下的施工.另一方面，在止水帷幕施工完成后，外科大樓位置土體依舊處于基坑降水漏斗范圍內(nèi)，因此在保持監(jiān)測頻率的同時，還應(yīng)在滿足施工需求的前提下盡量減少降排水頻率和降水速度.

5 結(jié)論

本文結(jié)合某市人民醫(yī)院基坑開挖時外科樓裂縫的形成及擴(kuò)展所呈現(xiàn)的特征以及外科樓周邊的環(huán)境及施工情況，對基坑外西南側(cè)的外科樓產(chǎn)生裂縫的原因進(jìn)行了分析，并運(yùn)用KZ-D02/CD-1低本底α杯測氡儀探明了基坑周邊地下洞室的位置，主要得出：

1）裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的根本原因是基坑施工過程中采取的降水措施.在進(jìn)行基坑降水時，由于外科樓東側(cè)存在地下洞室，且地下水位埋深較淺（距地表80 cm），在基坑施工過程中，抽走了大量地下洞室內(nèi)的水，加劇了外科樓周邊土體產(chǎn)生不均勻沉降，從而導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展；另一方面，在具體施工過程中，泵送混凝土罐車經(jīng)外科樓周邊道路持續(xù)的運(yùn)輸混凝土，同時沖孔灌注樁施工過程會產(chǎn)生較大振動.考慮到外科樓距基坑最近一側(cè)只有2.17m，以上兩因素也是促使外科樓裂縫的發(fā)展的原因.

2）土壤中的氡氣的測定，被廣泛用于鈾礦的勘察和確定油氣田的邊界等領(lǐng)域，在基坑周邊地下環(huán)境的研究方面的應(yīng)用較少.此次試驗研究為基坑周邊環(huán)境變形的原因分析提供一種可行的輔助技術(shù)手段，進(jìn)一步拓展α杯測氡儀的應(yīng)用領(lǐng)域.

3）在基坑施工過程中，當(dāng)土層的透水性較好（如砂土層）且厚度較厚時，應(yīng)嚴(yán)格控制止水帷幕的施工質(zhì)量，并制定相應(yīng)的應(yīng)急補(bǔ)救措施.從而防止施工過程中周邊水分的大量流失，造成周邊地表和建筑的沉降量過大.

4）對于鄰近建筑物的基坑，開挖過程中應(yīng)盡量避免工程車靠近建筑物；同時在采取降水措施后應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測頻率，及時了解基坑周邊環(huán)境相應(yīng)的變形情況.