深豎井施工地表及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律研究★

陳 周，趙英龍，周巾森，裴建良，李洪濤，姚 強(qiáng)

(1.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213; 2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,四川 成都 610065)

0 引言

在深豎井施工過(guò)程中,需要對(duì)豎井支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊地層變形進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè),用于指導(dǎo)豎井施工和保障施工安全。我國(guó)在20世紀(jì)90年代開(kāi)始對(duì)豎井和基坑工程施工進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè),經(jīng)過(guò)多年來(lái)的大量研究,豎井和基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了很大的進(jìn)步和發(fā)展[1]。

王志堅(jiān)和郝軍[2]基于光纖光柵傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)斷層地質(zhì)條件下的豎井井壁變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。趙康等[3]同樣基于光纖光柵傳感技術(shù),解決了潮濕、腐蝕井筒內(nèi)壁條件下打孔監(jiān)測(cè)難的問(wèn)題。于成相和李芹濤[4]、趙喜江等[5]采用高精度三維激光掃描技術(shù),對(duì)煤礦豎井井筒變形進(jìn)行了全面監(jiān)測(cè)。王鵬飛等[6]采用測(cè)斜技術(shù),對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。陳邦鐸[7]詳細(xì)闡述了地鐵車(chē)站基坑變形監(jiān)測(cè)方案、地表沉降監(jiān)測(cè)、建筑物沉降和傾斜監(jiān)測(cè)等技術(shù)。

運(yùn)用上述監(jiān)測(cè)技術(shù),學(xué)者們對(duì)豎井工程變形及破壞規(guī)律進(jìn)行了大量研究。李文輝[8]、國(guó)計(jì)鑫等[9]基于現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)研究了倒掛井壁法施工豎井及周邊地表的變形規(guī)律。付耀宇[10]研究了地鐵工程豎井深基坑開(kāi)挖的變形規(guī)律。李錦亮[11]分析了軟土地區(qū)基坑施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)、隧道與豎井的變形特點(diǎn)與規(guī)律,研究了各項(xiàng)保護(hù)措施對(duì)減小豎井差異沉降的效果。宋許根等[12]依據(jù)程潮鐵礦地表變形、巖體變形和井筒裂縫監(jiān)測(cè)資料,分析東主井井筒變形破壞的成因。高良博等[13]基于GM模型與灰色Verhulst模型對(duì)地鐵豎井沉降變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

本文針對(duì)高富水砂層大直徑深豎井工程監(jiān)測(cè)變形規(guī)律鮮有研究的問(wèn)題,以西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程某深豎井為工程背景,詳細(xì)說(shuō)明了豎井施工變形監(jiān)測(cè)方案,并詳細(xì)分析了高富水砂層大直徑深豎井施工期圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及周邊地層變化規(guī)律,可為今后類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程位于河南省黃河北岸,涉及洛陽(yáng)、焦作、新鄉(xiāng)三市的6個(gè)縣(市、區(qū))。工程從洛陽(yáng)市吉利區(qū)西霞院水庫(kù)壩下北岸已建灌溉閘引水,通過(guò)新建一條自西向東長(zhǎng)114.283 km的輸水總干渠,在為上游新建西霞院灌區(qū)供水的同時(shí),將供水保證率較高的黃河水引調(diào)至武嘉灌區(qū)、人民勝利渠總干渠和大功灌區(qū),年引黃總量2.13億m3,發(fā)展灌溉面積2.08萬(wàn)ha,為下游武嘉灌區(qū)、人民勝利渠及大功灌區(qū)補(bǔ)水面積9.34萬(wàn)ha,工程布置各類(lèi)渠系13條,新、改建骨干建筑物570座。其中武陟縣境內(nèi)輸水總干渠穿沁河隧洞段樁號(hào)為XZ93+204.3—XZ96+154.3,長(zhǎng)2 850 m。線(xiàn)路沿方陵村以北由西向東穿越沁河至南賈村以南敷設(shè),中間下穿沁河。

出口檢修井作為盾構(gòu)接收井使用,位于南賈村以南一片楊樹(shù)林、果林及麥苗田中。檢修井直徑21.8 m,采用1 500 mm圓形地下連續(xù)墻,井底板高程為-52.76 m,井深約42.8 m。在檢修井勘探深度范圍內(nèi),地層屬第四紀(jì)新近沉積物,檢修井開(kāi)挖涉及地層從上至下分別為輕粉質(zhì)壤土、重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)壤土、中細(xì)砂。沁河右岸地下水賦存于中細(xì)砂中,埋深14.2 m～22.1 m。

檢修井采用明挖順作法施工。如圖1(a)所示,檢修井采用高壓噴旋樁封底,在檢修井基坑底部形成連續(xù)的固結(jié)體,從而有效隔斷地下水與基坑的連通。高噴封底平面范圍超出地下連續(xù)墻外邊線(xiàn)2 m,豎向范圍為基坑底面以下10 m,成孔深度54.59 m。樁間完全搭接,不留空隙。如圖1(b)所示,盾構(gòu)接收洞口采用高噴加固措施,形成連續(xù)的塊狀固結(jié)體,實(shí)現(xiàn)加固止水作用。盾構(gòu)接收洞口加固高壓旋噴樁樁間完全搭接,不留空隙;加固范圍為長(zhǎng)12 m,寬17 m,深19 m,最大灌漿深度42.64 m。

2 檢修井施工監(jiān)測(cè)方案

本項(xiàng)目所采用的測(cè)試儀器有全站儀、水準(zhǔn)儀、測(cè)斜儀等,工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括地下連續(xù)墻墻頂水平位移、墻體水平位移、凈空收斂變形以及地表豎向位移等,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖如圖2所示。

在2021年6月25日開(kāi)始監(jiān)測(cè)地表豎向位移監(jiān)測(cè),沿豎井徑向共布設(shè)8條測(cè)線(xiàn),編號(hào)分別為DBC1—DBC8,每條測(cè)線(xiàn)上布設(shè)8個(gè)或11個(gè)測(cè)點(diǎn);在2021年7月1日開(kāi)始?jí)斔轿灰?、墻體水平位移監(jiān)測(cè),沿周向方向布設(shè)8個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)墻頂水平位移,編號(hào)為ZQS1—ZQS8,布設(shè)8條鉛直測(cè)線(xiàn)監(jiān)測(cè)墻體水平位移,編號(hào)為ZQT1—ZQT8;隨著豎井的下挖,逐層布設(shè)凈空收斂變形監(jiān)測(cè)點(diǎn),共布設(shè)六層測(cè)點(diǎn),每層四個(gè)測(cè)點(diǎn),編號(hào)格式為“KJK層號(hào)-測(cè)點(diǎn)號(hào)”,各層凈空收斂測(cè)點(diǎn)布設(shè)時(shí)間與開(kāi)挖進(jìn)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。12月25日檢修井基坑內(nèi)二襯結(jié)構(gòu)已全部施工完畢。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 地表沉降分析

豎井開(kāi)挖會(huì)改變附近土層的應(yīng)力狀態(tài),使土層應(yīng)力重分布,從而使豎井周?chē)乇懋a(chǎn)生豎向的沉降。因此,在豎井周?chē)O(shè)置了一系列的監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)地表沉降規(guī)律。由于共設(shè)置了76個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,為了更為清晰地展示地表沉降規(guī)律,選取豎井開(kāi)挖期間部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù),繪制監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間和空間的變化曲線(xiàn)。此外,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)受測(cè)試儀器、監(jiān)測(cè)環(huán)境、監(jiān)測(cè)人員等因素的影響,沉降數(shù)據(jù)中會(huì)存在噪聲,本文采用小波分析[1]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了降噪處理。

首先以距離豎井最近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例,繪制了這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)位豎向位移隨時(shí)間的變化曲線(xiàn),如圖4所示。其中,正值表示隆起,負(fù)值表示沉降。從圖4中可以看出,除DBC1-1測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)隆起外,其余測(cè)點(diǎn)變形均表現(xiàn)為沉降,并且隨著豎井的開(kāi)挖,豎井周?chē)牡乇沓两狄苍诓粩嘣龃?。地表變形主要可以分為兩個(gè)階段,9月20日以前(即開(kāi)挖至23 m左右)為第一階段,主要表現(xiàn)為地表沉降持續(xù)增大;9月20日以后為第二階段,地表變形基本趨于穩(wěn)定,繼續(xù)下挖對(duì)于地表沉降的影響較小。受非均質(zhì)地層的影響,豎井周?chē)牡乇沓两狄卜Q(chēng)非對(duì)稱(chēng)、非均勻分布,測(cè)點(diǎn)DBC6-1,DBC7-1,DBC8-1的最大沉降量相對(duì)較大,分別為4.13 mm,4.96 mm,2.49 mm,而其余測(cè)點(diǎn)的沉降量均小于1.55 mm。

然后以DBC7系列的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例,繪制了這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)位豎向位移隨空間位置的變化曲線(xiàn),如圖5所示。圖5中部分?jǐn)?shù)據(jù)表現(xiàn)為隆起,為典型的異常值,但不影響地表沉降整體趨勢(shì)的判斷。在不同的開(kāi)挖深度條件下,隨著測(cè)點(diǎn)與地下連續(xù)墻外側(cè)距離的增加,地表沉降均呈逐漸減小的趨勢(shì)。其中距離豎井最近的地表點(diǎn)沉降最大,最大沉降為4.96 mm。除DBC7系列的監(jiān)測(cè)點(diǎn)以外,其余測(cè)線(xiàn)上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)也表現(xiàn)出類(lèi)似的規(guī)律,且最大沉降量均比DBC7-1測(cè)點(diǎn)的最大沉降量小。因此,地表整體的最大沉降量約為5 mm,該沉降處于安全范圍內(nèi),說(shuō)明豎井開(kāi)挖對(duì)周?chē)乇沓两档挠绊戄^小。

3.2 墻頂水平位移分析

墻頂所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)在豎井開(kāi)挖期間的水平位移隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖6所示,其中所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均為正值,表示向豎井內(nèi)變形。墻頂水平位移規(guī)律主要可以分為兩個(gè)階段,10月10日以前(即開(kāi)挖至30 m左右)為第一階段,主要表現(xiàn)為墻頂水平位移持續(xù)增大;10月20日以后為第二階段,墻頂水平位移基本趨于穩(wěn)定,繼續(xù)下挖對(duì)于墻頂水平位移的影響較小。隨測(cè)點(diǎn)位置變化,最大墻頂水平位移也有所差異。其中,ZQS8號(hào)測(cè)點(diǎn)的墻頂水平位移明顯高于其他測(cè)點(diǎn),最大墻頂水平位移約為8.24 mm;而其余測(cè)點(diǎn)的墻頂水平位移變化規(guī)律基本一致,最大墻頂水平位移范圍為3.13 mm～5.31 mm。

3.3 墻體水平位移分析

地下連續(xù)墻典型鉛直測(cè)線(xiàn)在豎井開(kāi)挖期間的墻體水平位移分布如圖7所示,其中正值表示向豎井內(nèi)變形,負(fù)值表示向豎井外變形。從圖7中可以看出,隨著豎井的逐漸下挖,出露的地下連續(xù)墻表現(xiàn)為向豎井內(nèi)變形,而未出露的部分變形較小。例如,當(dāng)開(kāi)挖深度為10 m～20 m時(shí),地下連續(xù)墻頂部10 m～20 m范圍內(nèi)向豎井內(nèi)變形;當(dāng)開(kāi)挖深度為30 m時(shí),地下連續(xù)墻頂部30 mm范圍內(nèi)向豎井內(nèi)變形,埋深30 m以下的地下連續(xù)墻變形很小。但是當(dāng)開(kāi)挖深度超過(guò)30 m時(shí),地下連續(xù)墻的變形趨于穩(wěn)定,不再隨開(kāi)挖深度的增加而增大。對(duì)于地下連續(xù)墻變形的部分,隨著測(cè)點(diǎn)埋深的增加,地下連續(xù)墻的水平位移逐漸減小,其中墻頂?shù)乃轿灰谱畲?。在開(kāi)挖完成后,ZQT8測(cè)線(xiàn)上墻頂?shù)乃轿灰谱畲?約為10 mm;而其余測(cè)線(xiàn)上墻頂?shù)淖畲笏轿灰葡鄬?duì)較小,約為4.5 mm;這與全站儀觀(guān)測(cè)的墻頂水平位移規(guī)律類(lèi)似。

以ZQT8測(cè)線(xiàn)為例,圖8展示了不同埋深的測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的地下連續(xù)墻水平位移隨時(shí)間的變化規(guī)律。從圖8中可以看出,僅埋深在0.5 m,10 m和20 m的測(cè)點(diǎn)有位移變化,而埋深超過(guò)30 m的測(cè)點(diǎn)幾乎沒(méi)有位移變化,受豎井下挖影響小?？梢?jiàn),豎井開(kāi)挖對(duì)地下連續(xù)墻變形影響的深度不到30 m。埋深0.5 m和10 m的測(cè)點(diǎn)在豎井下挖初期就產(chǎn)生了位移變化,在9月10日(已開(kāi)挖20 m左右)變形趨于穩(wěn)定,不再受下挖影響;而埋深20 m的測(cè)點(diǎn)在8月10日(已開(kāi)挖12 m左右)開(kāi)始變形,而在10月9日(已開(kāi)挖至30 m左右)變形趨于穩(wěn)定。埋深0.5 m的測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的位移最大,約10 mm,量值在可控范圍內(nèi),對(duì)豎井施工安全的影響較小。

3.4 凈空收斂變形分析

沿豎井高程方向布設(shè)了6層凈空收斂變形監(jiān)測(cè)設(shè)施,布設(shè)高程分別為8 m,15 m,21 m,26 m,35 m和40 m。其中第一層的4個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的位移隨時(shí)間的變化如圖9所示,其中正值表示向豎井外變形,負(fù)值表示向豎井內(nèi)變形。在第一層測(cè)點(diǎn)布設(shè)后,監(jiān)測(cè)到的豎井變形較小,而在9月1日(開(kāi)挖至17 m左右)后,第一層測(cè)點(diǎn)凈空收斂變形逐漸增大,在10月9日(已開(kāi)挖至30 m左右)后收斂變形已達(dá)最大值,并趨于穩(wěn)定。同一層四個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大收斂變形并不相同,KJK1-1,KJK1-2,KJK1-3,KJK1-4監(jiān)測(cè)到的最大收斂變形分別為-4.23 mm,-3.37 mm,-2.99 mm,-2.41 mm,其中1號(hào)測(cè)點(diǎn)的收斂變形最大,其余監(jiān)測(cè)層也均在1號(hào)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)收斂變形最大值。

各監(jiān)測(cè)層1號(hào)測(cè)點(diǎn)的收斂變形隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖10所示。由于第5層所有測(cè)點(diǎn)觀(guān)測(cè)的收斂變形以向豎井外變形為主且為大幅度三角形波形,與其余層向豎井內(nèi)變形和單調(diào)變化規(guī)律不服,為典型的異常值,因此未在圖中展示。與第一層測(cè)點(diǎn)的變化規(guī)律類(lèi)似,其余層測(cè)點(diǎn)均在9月1日(開(kāi)挖至17 m左右)后開(kāi)始變形,而在10月9日(已開(kāi)挖至30 m左右)后收斂變形趨于穩(wěn)定。此外,KJK1-1,KJK2-1,KJK3-1測(cè)點(diǎn)埋深小于25 m,監(jiān)測(cè)的水平位移相對(duì)較大;KJK4-1,KJK5-1,KJK6-1測(cè)點(diǎn)埋深大于25 m,監(jiān)測(cè)的水平位移相對(duì)較小;最上層的KJK1-1測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的位移最大,隨著埋深的增加,收斂變形逐漸減小。這些變形規(guī)律與測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)的墻體水平位移規(guī)律類(lèi)似。

3.5 地下連續(xù)墻水平變形綜合分析

本項(xiàng)目采用全站儀、測(cè)斜儀和收斂變形監(jiān)測(cè)等多種手段對(duì)地下連續(xù)墻的水平變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè),因此本文進(jìn)一步對(duì)不同手段監(jiān)測(cè)的地下連續(xù)墻在開(kāi)挖完成后的水平變形進(jìn)行了對(duì)比,如圖11所示。從圖11中可以看出,不同監(jiān)測(cè)手段獲得的水平變形數(shù)據(jù)略有差異,例如部分凈空收斂變形和墻頂水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比測(cè)斜儀所測(cè)的水平位移更大,主要原因在于墻頂水平位移監(jiān)測(cè)和凈空收斂變形設(shè)施布設(shè)在構(gòu)筑物表面,易受到施工機(jī)具設(shè)備等擾動(dòng),產(chǎn)生更大的粗差。若忽略粗差的影響,所測(cè)地下連續(xù)墻水平變形規(guī)律基本一致,且墻頂所測(cè)水平位移誤差小于0.5 mm。測(cè)斜儀所測(cè)水平變形和凈空收斂變形均表明:埋深大于30 m的地下連續(xù)墻水平變形較小,而埋深小于30 m的部分會(huì)產(chǎn)生水平位移;墻頂?shù)奈灰谱畲?除8號(hào)位置以外的最大水平位移約4.5 mm;隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋深的增加,地下連續(xù)墻水平位移逐漸減小。

4 結(jié)論

本文以西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程某檢修井為工程背景,對(duì)檢修井地下連續(xù)墻墻頂水平位移、墻體水平位移、凈空收斂變形和地表豎向位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè),并基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了高富水砂層大直徑深豎井工程地下連續(xù)墻和周邊地層變形規(guī)律。主要結(jié)論如下:1)在不同的開(kāi)挖深度條件下,隨著地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)與地下連續(xù)墻外側(cè)距離的增加,地表沉降均呈逐漸減小的趨勢(shì)。其中距離豎井最近的地表點(diǎn)沉降最大,最大沉降為4.96 mm。當(dāng)豎井下挖至23 m左右時(shí),地表沉降基本趨于穩(wěn)定,繼續(xù)下挖對(duì)于地表沉降的影響很小。2)隨著豎井的下挖,地下連續(xù)墻墻頂水平變形、墻體水平變形和凈空收斂變形向豎井內(nèi)變形,變形量值逐漸增大,當(dāng)下挖至30 m左右時(shí),地下連續(xù)墻墻頂水平變形、墻體水平變形和凈空收斂變形均趨于穩(wěn)定,繼續(xù)下挖對(duì)于地下連續(xù)墻水平位移的影響很小。3)豎井開(kāi)挖完成后,地下連續(xù)墻水平位移隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋深的增加而逐漸減小,埋深大于30 m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移很小,埋深小于30 m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的水平位移,其中墻頂?shù)奈灰谱畲?除8號(hào)測(cè)點(diǎn)的水平位移達(dá)10 mm以外,其余測(cè)點(diǎn)的最大水平位移約4.5 mm。