盾構(gòu)深基坑開挖對周邊環(huán)境影響監(jiān)測分析

田兆平

(中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250101)

1 概述

近些年隨著國家經(jīng)濟快速崛起，城市化發(fā)展也在不斷提速，同時城市人口也隨之增加。為了緩解城市壓力，提高居民生活質(zhì)量，大力發(fā)展地下空間工程是城市發(fā)展的新方向。但這些基坑大多處于城市的中心或者靠近城市中心的位置，這些基坑所處的周圍環(huán)境十分復(fù)雜，甚至還有地下水等復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，那么工程基坑開挖就有可能對基坑周邊土體和構(gòu)筑物產(chǎn)生影響。一般情況下只要支護得當、施工過程規(guī)范合理，就能減小基坑開挖對周邊環(huán)境的影響。

目前，國內(nèi)外學者對深基坑工程做了大量的實驗研究，也取得了豐碩的研究成果。李國寶[1]運用修正劍橋模型對深基坑開挖對鄰近復(fù)雜周邊環(huán)境變形的影響進行了數(shù)值與現(xiàn)場的對比研究；薛劍林等[2-3]對軟土深基坑周邊環(huán)境監(jiān)測的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進行了分析研究；施有志、李秀芳、林樹枝[4]以廈門軌道交通1號線為依托，對城市中心地帶深基坑開挖對周邊高架橋墩、市政管線的影響進行了實測分析；宮鶴、熊智彪、宋世豪等[5]研究了復(fù)雜周邊環(huán)境深基坑的支護結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析；陽吉寶、陳建蘭、謝芝蕾等[6]通過多種分坑施工法模擬研究，得到了控制深基坑周邊環(huán)境變形的最優(yōu)施工方法；牟建華[7]對建筑基坑周邊環(huán)境巡視監(jiān)測方法進行了研究分析，建立一套基坑風險源識別預(yù)警處理機制；孫超、許成杰[8]運用Midas GTS/NX軟件與實測數(shù)據(jù)對比分析的方式，研究了基坑開挖對周邊環(huán)境的變化規(guī)律。

2 工程概況

2.1 工程概況

濟南黃河隧道位于濟南市天橋區(qū)濼口南路交叉口向南400 m，穿北繞城高架，于濼口浮橋處穿越黃河及北大堤，在鵲山水庫西南側(cè)順接G309國道。全長約4 760 m，包括穿黃河隧道3 850 m、接線道路910 m及相關(guān)的附屬工程。

南岸明挖段隧道位于濟濼路北段，自南向北依次為汽修廠站、軌道交通與市政道路合建段、南岸大盾構(gòu)接收井，距離黃河南岸大堤約340 m，現(xiàn)狀主要為市政道路。工程范圍包含交通疏解及管線改移。

2.2 設(shè)計概況

南岸汽修廠站起止里程DK0-000.900～DK000+298.400，公路隧道起點里程為EK000+270.000，在地鐵隧道右DK000+388.401處中止，圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻和灌注樁，圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻單元槽段共153幅，其中23幅異型槽段，130幅標準槽段。汽修廠站圍護結(jié)構(gòu)采用800 m地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護形式，地下連續(xù)墻采用“H”型鋼接頭防水，連接處外側(cè)設(shè)置3根高壓旋噴樁接縫止水。車站上方隧道圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐支護形式，樁間采用高壓旋噴樁擺噴+掛網(wǎng)噴射混凝土擋土。

車站上方隧道圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐支護形式，樁間采用高壓旋噴樁擺噴+掛網(wǎng)噴射混凝土擋土。

2.3 工程及水文地質(zhì)條件

1)工程地質(zhì)條件。

勘探深度范圍地層共分15層，主要為第四系全新統(tǒng)沖積、沖洪積粉質(zhì)黏土、粉土、砂層及中生代燕山期晚期侵入巖輝長巖，表層局部為人工填土。南岸現(xiàn)狀主要為路面及兩側(cè)人行道，下部堆填碎磚塊、灰渣及灰土墊層，局部欠壓密，厚度0.5 m～4.8 m。

“霍尼韋爾擁有世界領(lǐng)先的管理經(jīng)驗，也是業(yè)內(nèi)一流的實戰(zhàn)專家，是該項目理想的合作伙伴。此次合作將幫助我們更好地實現(xiàn)打造創(chuàng)新型的精細化工旗艦企業(yè)的夢想。”中化集團化工事業(yè)部副總裁王軍表示，“同時也將推動中國精細化工領(lǐng)域技術(shù)和商業(yè)模式的創(chuàng)新。”

2)水文地質(zhì)條件。

南岸明挖施工區(qū)域為黃河Ⅰ級階地，地下水埋藏深度1.4 m～1.5 m，高程為22.56 m～23.12 m。地下水類型為第四系松散覆蓋層的孔隙潛水。地下水補給主要靠黃河水入滲、降水補給、排泄和蒸發(fā)及居民生活排污水為主。地下水徑流方向為由臨河向背河區(qū)滲透。

3 基坑周邊環(huán)境

山東黃河醫(yī)院位于汽修廠站基坑西側(cè)，建筑物地上有6層，部分是7層結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)埋深標高約18.8 m，距離車站主體基坑13.77 m，風險等級為二級。

根據(jù)黃河醫(yī)院建筑情況，主體建筑主要是監(jiān)測臨近基坑的急診大樓，根據(jù)建筑物的特點，布置5組監(jiān)測點，如圖1所示，在樓層上部、底部點位布置反光片點位進行監(jiān)測。

中凱石油加油站位于汽修廠站基坑的東側(cè)位置，加油站的儲油罐位于基坑40 m左右，而且屬于加油站的重地，不允許進入院內(nèi)進行監(jiān)測，所以我們選擇了加油站外圍距離基坑較近，風險等級高的位置作為監(jiān)測點，這些監(jiān)測點已經(jīng)可以完全預(yù)測加油站沉降，足以判斷加油站內(nèi)的安全性。根據(jù)建筑物的特點，布置5組監(jiān)測點，如圖2所示，然后在房屋的上部點位布置反光片進行監(jiān)測。

4 監(jiān)測點布設(shè)與保護

4.1 豎向位移監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)

豎向位移監(jiān)測控制網(wǎng)應(yīng)和工程高程系統(tǒng)保持一致，應(yīng)當與之形成閉合、附合或結(jié)點網(wǎng)，基準點應(yīng)該確保3個以上，如果基準點與監(jiān)測的工程距離較長，造成監(jiān)測工作不便捷，可以布設(shè)工作基點。

基準控制網(wǎng)是由基準點和工作基點所構(gòu)成的，豎向位移監(jiān)測網(wǎng)則是由基準點、工作基點和變形觀測點所構(gòu)成的。最常用的監(jiān)測路線采用閉合往返、附合或環(huán)線閉線路，而且每一次監(jiān)測都應(yīng)將工作基點監(jiān)測包括在內(nèi)。

4.2 豎向位移控制點布設(shè)及保護要求

豎向位移基準點和工作基點應(yīng)該按照設(shè)計和規(guī)范要求的設(shè)置在相應(yīng)的監(jiān)測影響范圍之外，基準點應(yīng)布設(shè)在影響區(qū)之外通視條件方便、地質(zhì)條件穩(wěn)定的地方，而工作基點應(yīng)在次要影響區(qū)之外。

布設(shè)水準基準點標石的埋設(shè)方法：基準點宜采用鉆機鉆孔，鉆孔深度應(yīng)鉆至穩(wěn)定土層為止，然后將鋼管放入鉆孔內(nèi)，孔底用混凝土將其封堵，厚度宜為36 cm，基點底靴的厚度設(shè)置為1 m；然后用磚塊砌筑壁厚24 cm、井深1 m、井底墊圈尺寸為37 cm×37 cm的保護井壁；井蓋大多采用直徑為80 cm的鋼材；井口標高與地面標高宜保持一致；基準點外管直徑為φ75 mm，內(nèi)管直徑為φ30 mm，基準點頂部應(yīng)與井蓋保持30 cm的間距，井底墊圈與基準點頂部的距離宜為70 cm。

4.3 監(jiān)測點布設(shè)

4.3.1 地表沉降測點布設(shè)

地表沉降是反映基坑周邊土體變化情況的最直觀的監(jiān)測手段，也是基坑的基本監(jiān)測項目。測點按設(shè)計圖紙要求布設(shè)，布設(shè)方法：對水泥地面一般使用沖擊鉆鉆出直徑15 cm的鉆孔，然后放入長度0.8 m～1 m,φ20～φ30的鋼筋，孔底澆筑混凝土固定，待凝固后用沙子回填，上部加蓋φ140 mm的保護蓋。

4.3.2 周邊建筑物沉降測點布設(shè)

建筑物沉降監(jiān)測點埋設(shè)標準如下：

1)在基坑開挖前應(yīng)將建筑物沉降監(jiān)測點布設(shè)完成，來確保施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。

2)該監(jiān)測點大多采用L型沉降標，在建筑物的基礎(chǔ)或墻體上使用沖擊鉆在拐角處鉆孔，將環(huán)氧樹脂膠置入孔內(nèi)，然后L型沉降標攜入孔中。

3)建筑物沉降監(jiān)測點斷面間距為10 m，橫斷面監(jiān)測點間距15 m。

5 施工工況

根據(jù)基坑的相關(guān)設(shè)計要求、形狀尺寸以及基坑所采用的支護等，對基坑開挖采用分層、分階段的形式。基坑的施工過程包括：1)圍護結(jié)構(gòu)施工；2)基坑開挖支護；3)主體結(jié)構(gòu)施工。依據(jù)相關(guān)規(guī)定和標準，將汽修廠站深基坑開挖分為5種工況，如表1所示。

表1 汽修廠站深基坑施工工況

6 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

6.1 地表沉降數(shù)據(jù)分析

因測量數(shù)據(jù)十分龐大，本文僅選取臨近周邊建筑物附近的4個斷面12個監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行分析，由于現(xiàn)場布設(shè)條件有限，本工程地表沉降點每個斷面布設(shè)3個監(jiān)測點，布設(shè)間距為2 m，5 m，8 m。選取的監(jiān)測斷面編號分別為DBC25-1～25-3，DBC26-1～26-3，DBC36-1～36-3，DBC37-1～37-3。各斷面監(jiān)測點時程曲線圖見圖3。

根據(jù)圖3可以看出，隨著基坑的開挖，各斷面的地表沉降點的變化量均不斷增大，且增長變化速率呈現(xiàn)為先急后緩的趨勢，從圖3還可發(fā)現(xiàn)每個斷面的2號監(jiān)測點是變化量最大的點，產(chǎn)生這種情況的主要原因是2號點位于主要影響區(qū)內(nèi)，是地表沉降敏感區(qū)，因而產(chǎn)生的沉降量較大。選取的四組斷面沉降量最大值分別為-18.020 36 mm,-18.569 01 mm，-9.756 79 mm，-14.536 20 mm。

與此同時，本文還對選取的四組斷面監(jiān)測點進行了另一種分析處理，研究了同一斷面的各監(jiān)測點，在距離基坑不同距離條件下，其沉降變化量的變化形式如圖4所示。

根據(jù)圖4所示的四組斷面監(jiān)測點分析圖來看，隨著基坑逐漸開挖，每個斷面的監(jiān)測點變化趨勢基本呈現(xiàn)為“V”型，同一斷面中的2號監(jiān)測點沉降量是最大的。同時還可以看出，隨著基坑深度的增加，各監(jiān)測點基本上是逐漸沉降的狀態(tài)，斷面DBC36和DBC37在工況三、四、五出現(xiàn)沉降波動，可能是由于現(xiàn)場有材料堆積、大型吊裝設(shè)備作業(yè)等，對數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

6.2 周邊建筑物數(shù)據(jù)分析

汽修廠站基坑周邊主要對兩座建筑物進行了監(jiān)測，分別是基坑東側(cè)的中凱石油加油站和基坑西側(cè)的濟南黃河醫(yī)院。兩棟建筑物根據(jù)相關(guān)要求，分別布設(shè)了5組監(jiān)測點，中凱石油加油站布設(shè)的5個監(jiān)測點分別為JGC1～JGC5，濟南黃河醫(yī)院布設(shè)的5個監(jiān)測點分別為JGC6～JGC10，圖5，圖6是分別對中凱石油加油站和濟南黃河醫(yī)院的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析情況。

通過圖5，圖6可以看出，基坑周邊建筑物隨著基坑深度逐漸加深，其沉降量也隨著不斷變大，基本上所有監(jiān)測點都發(fā)生了下沉現(xiàn)象，但是其變化速率基本平穩(wěn)，說明現(xiàn)場施工流程合理，基坑開挖過程中，支撐架設(shè)及時，土壓力釋放不多；基坑開挖處于工況一和工況三階段時，變化速率稍快一些，主要由于基坑深度增加，土壓力釋放增大；同時靠近基坑一側(cè)的監(jiān)測點發(fā)生的沉降量要比遠離基坑的測點沉降量要大，中凱石油加油站沉降變化最大點是JGC4，其沉降值為-16.035 65 mm，濟南黃河醫(yī)院的沉降變化最大點是JGC8，其沉降值為-16.461 79 mm。

7 結(jié)語

通過對濟南穿黃隧道工程汽修廠段基坑開挖時對周邊環(huán)境的影響研究，對所得監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析得到以下結(jié)論：

1)周邊地表沉降隨著基坑的開挖，其沉降變化量不斷增大，變化速率呈現(xiàn)為先急后緩的趨勢，同時最大沉降點出現(xiàn)在主要影響區(qū)內(nèi)的2號監(jiān)測點。2)隨著基坑逐漸開挖，周邊地表沉降每個斷面的監(jiān)測點變化趨勢基本呈現(xiàn)為“V”型，斷面DBC36和DBC37在工況三、四、五出現(xiàn)沉降波動。3)基坑周邊建筑物隨著基坑深度逐漸加深，其沉降量也隨著不斷變大，但其變化速率基本平穩(wěn)，處于工況一和工況三階段時，變化速率稍快一些，同時靠近基坑一側(cè)的監(jiān)測點發(fā)生的沉降量比遠離基坑的測點沉降量要大。