慶豐路跨河隧道明挖施工基坑監(jiān)測實(shí)踐研究

吳遠(yuǎn)華

（浙江華東測繪與工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014）

0 引言

深基坑開挖過程中由于坑內(nèi)土體卸荷，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在兩側(cè)壓力差的作用下，產(chǎn)生水平方向位移，引起墻外側(cè)土體的位移，同時(shí)在基坑周邊產(chǎn)生較大塑性區(qū)，引起周邊地面沉降。此外，在軟土地基中進(jìn)行深基坑開挖及支護(hù)時(shí)，分步開挖的空間幾何尺寸和開挖部分的無支撐暴露時(shí)間與圍護(hù)體、土體位移有一定的相關(guān)性。淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土地層中工作井施工時(shí)可能引發(fā)流砂的風(fēng)險(xiǎn)，在動水作用下易產(chǎn)生管涌、流砂，甚至造成基坑失穩(wěn)坍塌。隧道工程基坑跨越河道，地下水位較高，安全風(fēng)險(xiǎn)大，極有可能產(chǎn)生圍堰滲漏水、坑底涌水以及由于圍堰內(nèi)部開挖與滲漏水造成的地基土體沉降和水平位移以及由土體沉降和水平位移引起的圍堰破壞，影響施工的安全和質(zhì)量。

基于此，結(jié)合慶豐路（南溪東路～甪里街）線路隧道建設(shè)工程，開展跨河隧道明挖施工基坑監(jiān)測方法實(shí)踐研究，對基坑施工的安全性和施工的質(zhì)量具有重要的意義。

1 工程概況

慶豐路（南溪東路～甪里街）線路建設(shè)工程，南起南溪東路，北至甪里街，下穿平湖塘和嘉善塘。新建線路總長953m，其中建設(shè)隧道總長度769m，南側(cè)敞開段長度約165m，北側(cè)敞開段長度約178m，基坑最大深度約13m，道路寬度42m。該工程主要包括道路工程、隧道工程、排水工程及其他附屬設(shè)施等組成。

該工程項(xiàng)目是南湖區(qū)2020年重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，是連接嘉興東北部城市綠楔與東南片城市副中心的重要通道，也是嘉興站與嘉興南站連接通道的重要組成（見圖1）。線路中的隧道南端連接商務(wù)商貿(mào)集群區(qū)，直通嘉興南站；中部穿越鳳凰洲公園；北端連接省級旅游度假區(qū)湘家蕩。該隧道作為嘉興市第一條下穿隧道，是提升城市品質(zhì)功能的有機(jī)載體，也是加快東柵老街開發(fā)建設(shè)的有利保障，將助力湘家蕩區(qū)域邁向“二次騰飛”。

圖1 工程總體布置圖

2 隧道開挖對周邊環(huán)境的影響

隧道工程采用明挖法施工，在粉質(zhì)黏土中開挖深度大，施工難度大、工期長，并對周圍環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，涉及一系列巖土工程問題，主要包括深基坑開挖和降水所引起的地基土體沉降和水平位移，造成地面和相鄰建筑物、道路等產(chǎn)生附加下沉、開裂或傾斜，導(dǎo)致地下管線發(fā)生側(cè)移、沉降、甚至開裂。

2.1 基坑側(cè)面的水平位移

基坑開挖深度范圍主要為粉質(zhì)黏土層?；娱_挖過程中，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要承受水平方向的土壓力，產(chǎn)生指向基坑中心方向的水平位移，導(dǎo)致坑外土體發(fā)生水平位移。隨著開挖深度的增加，產(chǎn)生水平位移的范圍和位移量增大，并且變形歷時(shí)較長。

2.2 基坑外側(cè)土體的固結(jié)沉降

基坑開挖過程中，由于坑內(nèi)水位下降，坑內(nèi)土體挖除后土體應(yīng)力不平衡，造成周邊土體應(yīng)力重新調(diào)整以達(dá)到新的應(yīng)力平衡?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)的外側(cè)地面上承受各種不均勻超載，由此引起基坑外側(cè)土體產(chǎn)生豎向固結(jié)變形[1]，造成地面附加下沉。隨著超載量的增加，沉降量亦有所增加。對于基坑降水措施，無論是坑內(nèi)降水還是坑外降水，都將引起坑外土體中有效應(yīng)力增大，導(dǎo)致土體產(chǎn)生附加固結(jié)沉降。基坑外側(cè)土體的沉降量大小，主要取決于離開基坑的距離，從而使相鄰建筑或道路產(chǎn)生不均勻沉降。

2.3 施工降水的影響

基坑施工過程中的降水措施，尤其是坑外降水，將引起土體中有效應(yīng)力增大，導(dǎo)致土體產(chǎn)生附加固結(jié)沉降，造成基坑周邊的相鄰建筑或道路產(chǎn)生不均勻沉降、地下管線發(fā)生沉降或水平移位[2]。降水過程中，水流將帶走一定量的砂土或粉土，可能造成土體坍塌、地面沉陷。由于動水壓力的作用，地下連續(xù)墻接縫處砂土流失，將增大基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土體的變形。若施工降水范圍廣、降水量大、歷時(shí)長，將在較長時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)施工降落漏斗，導(dǎo)致地下水的動力場和化學(xué)場發(fā)生變化。

3 隧道開挖監(jiān)測項(xiàng)目及監(jiān)測方法

3.1 水平位移監(jiān)測

3.1.1 土（墻）體水平位移監(jiān)測

采用測斜管測量的方法對土（墻）體的水平位移進(jìn)行監(jiān)測。土體測斜管安裝采用鉆孔法安裝，墻體測斜管在鋼筋綁扎時(shí)進(jìn)行預(yù)安裝，然后下籠澆筑混凝土。采用北京智利CX－08A型鉆孔測斜儀測量，觀測前應(yīng)用模擬探頭檢查測斜管導(dǎo)槽通暢情況，然后啟動測斜儀，將探頭導(dǎo)輪插入測斜管的導(dǎo)槽內(nèi)，緩緩下放直至孔底。首次測量時(shí)，探頭應(yīng)在孔底停留15min后開始自下而上沿孔深一定間距測讀一次，記錄測量深度與相應(yīng)讀數(shù)。然后將探頭旋轉(zhuǎn)180度，插入同一對導(dǎo)槽內(nèi)放到孔底，等待5min，按上述步驟沿孔深重復(fù)觀測一次。將開始觀測以后的兩次以上穩(wěn)定觀測值的平均值作為觀測基準(zhǔn)值。

3.1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測

包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和冠梁水平位移，監(jiān)測點(diǎn)采用在基坑冠梁上設(shè)置強(qiáng)制對中標(biāo)志的形式，監(jiān)測裝置采用固定桿件與冠梁上埋設(shè)的固定螺栓連接，固定桿件尺寸與固定螺栓規(guī)格可根據(jù)采用的測量裝置尺寸要求加工。采用徠卡TM50全站儀進(jìn)行觀測，采用極坐標(biāo)法，變形方向以向基坑內(nèi)側(cè)為正。

3.2 豎向位移監(jiān)測

3.2.1 基坑周圍豎向監(jiān)測

包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移、立柱豎向位移、地表沉降、房屋沉降。維護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移在基坑各邊中間部位、陽角部位、深度變化部位、鄰近建（構(gòu)）筑物及地下管線等重要部位、地質(zhì)條件復(fù)雜部位等布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)；對于出入口、風(fēng)井等附屬工程的基坑，每側(cè)的監(jiān)測點(diǎn)不少于1個(gè)。立柱豎向位移點(diǎn)布置在與立柱剛性連接的砼支撐表面上，采用鉆孔埋設(shè)的方式，在對應(yīng)立柱樁頂部的混凝土支撐上埋設(shè)直徑約10mm的沉降測釘，地表沉降測點(diǎn)穿透道路表面結(jié)構(gòu)層，將其埋設(shè)在較堅(jiān)實(shí)的地層中（通常深度不小于1m），同時(shí)應(yīng)設(shè)置保護(hù)套管及蓋板，房屋沉降觀測點(diǎn)布置于建（構(gòu)）筑物的墻體上，一般布置于建筑物角點(diǎn)位置。沉降觀測點(diǎn)的布置，應(yīng)以能全面反映建筑物地基變形特征并結(jié)合地質(zhì)情況及建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定[3]。

3.2.2 坑底沉降監(jiān)測

分層沉降測量系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：第一部分為埋入地下的材料部分，由沉降導(dǎo)管、底蓋和沉降磁環(huán)等組成；第二部分為地面測試儀器——分層沉降儀，由測頭、測量電纜、接收系統(tǒng)和繞線盤等組成；第三部分為管口水準(zhǔn)測量，由水準(zhǔn)儀、標(biāo)尺、腳架、尺墊等組成。觀測采用JD-90型鋼尺沉降儀，是通過電感探測裝置，根據(jù)電磁頻率的變化來觀測埋設(shè)在土體不同深度內(nèi)的磁環(huán)的確切位置，再由其所在位置深度的變化計(jì)算出地層不同標(biāo)高處的沉降變化情況。

3.3 地下水位監(jiān)測

水位孔一般用小型鉆機(jī)成孔，孔徑略大干水位管的直徑，一般選用直徑50mm左右的鋼管或硬質(zhì)塑料管，管底加蓋密封。管底埋置深度應(yīng)在最低設(shè)計(jì)水位或最低允許地下水位之下3-5m。其中潛水位孔最低允許位于地下水位之下4m；承壓水位孔管底進(jìn)入承壓水層。監(jiān)測時(shí)采用水位監(jiān)測儀，始值應(yīng)采用水位計(jì)逐日連續(xù)觀測水位，取至少連續(xù)3d穩(wěn)定值作為初始值，水位變化量主要是查看水位孔內(nèi)水位的絕對高程變化量，水位監(jiān)測時(shí)先用水位計(jì)測出水位管內(nèi)水面距管口的距離，然后用水準(zhǔn)測量的方法測出水位管管口絕對高程，最后通過計(jì)算得到水位管內(nèi)水面的絕對高程[4]。

3.4 支撐結(jié)構(gòu)軸力監(jiān)測

混凝土支撐軸力在支撐梁捆扎鋼筋籠后，在上、下對撐埋設(shè)位置處用綁扎法或者焊接法連接上鋼筋應(yīng)力計(jì)，應(yīng)力計(jì)纜線用細(xì)塑料管保護(hù)并澆筑于混凝土中。鋼管支撐埋設(shè)反力計(jì)時(shí)，反力計(jì)設(shè)置在支撐端部的固定端，反力計(jì)外殼與固定端貼角圍焊，并與鋼牛腿貼角圍焊，地墻與軸力計(jì)之間必須設(shè)置不小于20mm的加強(qiáng)鋼板。采用振弦式鋼筋測力計(jì)進(jìn)行觀測，基坑開挖前等混凝土支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度采集初始值，采集三次取平均值作為計(jì)算應(yīng)力變化的初始值，同一批支撐盡量在相同的時(shí)間或溫度下量測[5]。

4 測點(diǎn)布置原則及監(jiān)測重難點(diǎn)

4.1 測點(diǎn)布置原則

（1）土體位移、圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測點(diǎn)沿基坑周邊的樁體布設(shè)，根據(jù)基坑開挖節(jié)段劃分，確保每節(jié)段每側(cè)不少于一個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)，布設(shè)間距為20～30m；在基坑各邊中間部位、陽角部位及其他代表性部位的樁體布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，且布設(shè)在每幅地墻中部，不得在支撐位置和地墻接頭、轉(zhuǎn)角處布設(shè)。

（2）地下水位根據(jù)基坑開挖節(jié)段劃分，短邊中點(diǎn)、沿基坑長度方向間距20～30m布置一個(gè)測點(diǎn)，確保每節(jié)段每側(cè)不少于一個(gè)坑外水位測點(diǎn)，坑內(nèi)每節(jié)段不少于一個(gè)坑內(nèi)水位測點(diǎn)。

（3）圍護(hù)墻頂部水平、豎向位移監(jiān)測點(diǎn)沿基坑周邊的樁體布設(shè)，根據(jù)基坑開挖節(jié)段劃分，確保每節(jié)段每側(cè)不少于一個(gè)測點(diǎn)，短邊中點(diǎn)、沿基坑長度方向間距20～30m布置一個(gè)測點(diǎn)，每邊監(jiān)測點(diǎn)不少于3個(gè)；沉降測點(diǎn)與水平位移測點(diǎn)為共用點(diǎn)，基坑各邊中間部位、陽角部位、深度變化部位、鄰近建（構(gòu)）筑物及地下管線等重要環(huán)境部位、地質(zhì)條件復(fù)雜部位等布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)；對于出入口、風(fēng)井等附屬工程的基坑，每側(cè)的監(jiān)測點(diǎn)不少于1個(gè)。

（4）支撐軸力布置在支撐內(nèi)力較大或在整個(gè)支撐系統(tǒng)中起控制作用的支撐上，宜選擇基坑中部、陽角部位、深度變化部位、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力條件復(fù)雜部位及在支撐系統(tǒng)中起控制作用的支撐；沿基坑長度方向間距20～30m布置一個(gè)斷面，并根據(jù)基坑開挖節(jié)段劃分，確保每節(jié)段不少于一個(gè)斷面，基坑端頭斜撐應(yīng)布置監(jiān)測斷面，在同一豎直面內(nèi)每道支撐均應(yīng)布設(shè)測點(diǎn)，布置位置在基坑內(nèi)鋼支撐端部、混凝土支撐1/3處且避開立柱及系梁連接位置。

（5）地表沉降沿基坑長度方向間距20～30m布置一個(gè)斷面，并根據(jù)基坑開挖節(jié)段劃分，確保每節(jié)段每側(cè)不少于一個(gè)斷面，每橫斷面上3～5個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)距3～8m。

4.2 監(jiān)測重難點(diǎn)及應(yīng)對措施

4.2.1 跨河段監(jiān)測

隧道工程基坑跨越河道，地下水位較高，安全風(fēng)險(xiǎn)大，極有可能產(chǎn)生圍堰滲漏水、坑底涌水、以及由于圍堰內(nèi)部開挖與滲漏水造成的地基土層沉降和水平位移以及由土體沉降和水平位移引起的圍堰的破壞。因此河道圍堰、河道段地下水位、河道與河堤地表差異沉降位移、滲漏水等及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行監(jiān)測較困難。

應(yīng)對措施為適當(dāng)增加跨河段的測點(diǎn)布置密度及觀測頻率；在跨河段上游圍堰處布置河道水位監(jiān)測點(diǎn)，并加強(qiáng)河道水位、地下水位監(jiān)測，避免因下雨天或其他原因?qū)е碌乃槐q引發(fā)安全施工。

4.2.2 十字路口交叉作業(yè)

隧道工程基坑施工現(xiàn)場與甪里街交叉口交通繁忙，交通流量較大，周邊環(huán)境復(fù)雜并處于交叉作業(yè)區(qū)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。同時(shí)嘉興夏秋季雨水多，降水量大，日溫差明顯，也會對工程的安全產(chǎn)生影響，而暴雨、高溫、大雨大風(fēng)等惡劣氣候條件以及道路的車輛行駛，會直接影響監(jiān)測工作的開展以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因?yàn)楦呔艿臏y量儀器需要較穩(wěn)定的外界環(huán)境，多變的氣象條件會影響儀器精度。

應(yīng)對措施是在惡劣氣候期間一方面要加強(qiáng)現(xiàn)場安全巡視；另外應(yīng)建立特殊環(huán)境下的監(jiān)測應(yīng)急措施，以備不時(shí)之需。

4.2.3 軟土地基測點(diǎn)埋設(shè)

隧道工程基坑為軟土、回填土地基，給土體深層水平位移、地下水位、監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)等測點(diǎn)布設(shè)帶來許多麻煩，測點(diǎn)布置質(zhì)量難以控制。

應(yīng)對措施為土體測斜、水位鉆孔時(shí)加裝套筒，回填軟基采用水沖等方式成孔；基準(zhǔn)點(diǎn)盡量布置在基坑影響范圍外的樁基礎(chǔ)建筑頂部或側(cè)面；工作基點(diǎn)埋設(shè)深度要足夠，根據(jù)需要可鉆孔埋設(shè)深樁基準(zhǔn)點(diǎn)，確?；鶞?zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性。

4.2.4 承壓水層測點(diǎn)埋設(shè)

本基坑范圍內(nèi)地下水位布置深度有輕微承壓水土層存在，在布置地下水位監(jiān)測點(diǎn)時(shí)需采取措施，確保測點(diǎn)的布置及后期水位的準(zhǔn)確性，難度較大。

應(yīng)對措施是水位管入孔后，用素混凝土將承壓水土層與其它水層隔離，避免水位監(jiān)測數(shù)據(jù)有誤。

5 監(jiān)測結(jié)果分析

通過對基坑進(jìn)行監(jiān)測后獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：由于跨河段東側(cè)止水帷幕滲漏，導(dǎo)致地表沉降測點(diǎn)DC47-3變化超限（見圖2），本監(jiān)測斷面土體位移測點(diǎn)CX32（見圖3）。其他各斷面測點(diǎn)變化較小。

圖2 DC47-3地表沉降累計(jì)變化曲線圖

圖3 CX32土體深層位移曲線圖

跨河段東側(cè)地表沉降累計(jì)變化最大的測點(diǎn)為DC47-3，最終沉降量為-45.82mm；斷面土體位移測點(diǎn)CX32最終位移變化量為58.46mm，超過報(bào)警值±36mm，最大位移深度在-7.5m處，位于第二、第三道支撐之間，測孔變形曲線呈大肚狀；出現(xiàn)這種情況的原因?yàn)榭绾佣螙|側(cè)止水帷幕破壞，降雨引起土體大量滲漏導(dǎo)致本監(jiān)測斷面測量數(shù)據(jù)超限報(bào)警，后施工單位對此段進(jìn)行注漿處理。

6 結(jié)束語

綜上所述，在跨河隧道工程明挖施工過程中，所使用的基坑監(jiān)測方法和監(jiān)測技術(shù)能較好的反應(yīng)施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的變化情況，能及時(shí)準(zhǔn)確地對超過報(bào)警值的部位發(fā)出預(yù)警，達(dá)到確保工程安全、指導(dǎo)施工、驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)的目的。但需對基坑跨河段及其他重點(diǎn)區(qū)域采取增加斷面監(jiān)測密度和加強(qiáng)觀測頻率等措施，通過對薄弱區(qū)域、重點(diǎn)區(qū)域加強(qiáng)監(jiān)測以達(dá)到更好的監(jiān)測效果。