北方冬期明挖基坑變形監測分析研究

宋吉超

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司,北京 100101)

0 引 言

長春市屬寒溫帶大陸型季風氣候,四季分明,春季干旱多風,夏季炎熱多雨且短暫,秋季涼爽溫差大,冬季嚴寒而漫長。歷年各月極端最高氣溫38℃,最低氣溫-36.5℃,多年平均氣溫4.9℃,凍結期長達5個多月,12～4月份平均氣溫零下17℃,土的凍結深度為1.5～1.8 m,春季來臨后氣溫逐漸升高。

城市軌道交通工程具有建設規模大、建設周期長、地質條件和環境條件復雜、工程風險高的特點,我國北方土體表層冬凍春融,在其凍融循環的過程中對工程風險的提高可謂是雪上加霜,土體性質的變化將直接影響地鐵深基坑支護結構的穩定性。尤其是秋冬和冬春冷暖交替季節是北方城市地下管線泄漏的多發期,再加上復雜的地質條件等種種因素更是使軌道交通工程建設風險難以控制。因此,冬期停工期間的監測在風險管控中的作用就尤為重要,監測數據的連續性為工程安全復工提供了重要的保障。

1 工程概況

長春市地鐵2號線袁家店站位于綠園區雙豐鄉袁家店,在西四環路與站前街交叉口的東北角,為換乘車站,規劃輕軌6號線在地鐵以南平行從地下穿過。袁家店站廳公共區為遠期預留接口,本期3、4號出入口為預留口。場地以北為荒地及高壓鐵塔線路,以西為西四環路,以南為民用住宅,以東為荒地及道路。本車站周邊環境主要以荒地為主,根據現有管線資料,基坑施工范圍內無管線,如圖1所示。

圖1 袁家店站平面示意圖

2 結構形式與施工方法

袁家店站為地下島式車站,站臺寬度為13 m,車站寬度為20.5～32.9 m,有效站臺長 118 m,車站全長 310 m。其中現澆段 122 m,裝配段 188 m,車站主體覆土3.0～5.0 m左右,部分為雙層三跨箱型框架結構,部分為裝配式管片結構。車站西側區間采用盾構法和單洞雙線暗挖法施工,樓板處需為盾構提供接收條件,東側采用盾構法施工,樓板結構需為盾構提供始發條件。車站附屬結構包含2個風亭、3個出入口、2個疏散口、1個緊急疏散口及1個預留出入口,均采用明挖法施工。

基坑平面布置:基坑長度310 m,裝配段 188 m,現澆段 122 m,如圖2所示。

圖2 基坑支護結構平面示意圖

車站現澆段及裝配段基坑橫斷面:圍護樁+鋼支撐和圍護樁+豎向五道錨索錨拉的支護形式,如圖3所示。

圖3 車站現澆段及裝配段基坑橫斷面示意圖

3 工程地質及水文地質條件

擬建長春地鐵2號線一期工程袁家店站位于松遼波狀平原東緣與吉東山地接址帶,屬長春波狀臺地,地勢北高南低,地面高程202.72～210.23 m,場地整平標高為 204.515 m。場地北部填土較厚,為土坡,高程在206.48～210.23 m。根據地質報告場區地層由雜填土、黏土及泥巖組成;第一層為雜填土厚度1.2～7.9 m,第二層為粉質黏土厚度 2.6 m,第三層為全風化泥巖厚度2～7 m,第四層為強風化泥巖厚度16.9～22.3 m。

現場勘察過程中,于鉆探過程中發現一層地下水,為碎屑巖類裂隙水。含水層巖性為泥巖與泥質粉砂巖,無穩定水位,主要接受上層潛水的滲透補給及側向的徑流補給,排泄方式主要為相對含水層中的徑流形式。在勘察過程中遇少量上層滯水,水量不大,水位埋深2.90～8.50 m(高程199.42～202.46 m),主要賦存于泥巖中。其主要補給來源為大氣降水和地表水入滲,排泄方式主要為蒸發和微弱的徑流排泄,并向下滲透補給巖石含水層。其水位具有明顯的豐、枯水期變化,豐水期水位上升,枯水期水位下降,年變化平均值約 1.00 m,場地整平后最高水位為地表以下 1.50 m,如圖4所示。

圖4 地層及地下水位分布示意圖

4 風險工程及監測重點

袁家店站主體明挖基坑結構工程自身風險等級為一級,無周邊環境風險,綜合判定本工程監測等級為一級,如表1所示。

表1 風險源工程統計表

本工程周邊環境較為簡單,監測重點基坑結構自身,主要是基坑開挖時周邊地表沉降及差異沉降和基坑軸力等關鍵工序的施工時,對其巡查及監測力度應加強,關注基坑自身的變形。

車站范圍內地下水位高于結構底板,采用降水施工,現場巡查過程中要加強關注地下水的控制情況,土方開挖時樁間易造成滲漏水、涌泥等對工程自身及周邊環境造成不利影響,施工過程需著重加強巡查工作。

5 監測工作內容及要求

5.1 監測范圍

本工程監測范圍為基坑自身支護結構及施工影響范圍內的周邊環境。周邊環境監測范圍取從基坑邊緣向外2倍開挖深度或從隧道中線向外2倍隧道埋深即2.0H(H為基坑開挖深度或隧道底板埋深)且不小于 30 m范圍,其中地下水位監測選擇基坑四角和長邊中點。

5.2 儀器監測對象、項目及精度

儀器監測的對象、項目、儀器及精度如表2所示。

表2 儀器監測的對象、項目、儀器及精度

5.3 現場監測頻率

結合施工工況和凍土特點監測頻率調整為:主體基坑開挖期間1次/2天,冬期停工期間1次/7天;結構施工期間,1次/周;經數據分析確認達到基本穩定后1次/月。

5.4 監測點布設及監測方法

(1)地表沉降監測:為保護測點不受碾壓影響,道路及地表沉降測點標志采用窖井測點形式,采用人工開挖或鉆具成孔的方式進行埋設。觀測采用幾何水準測量方法,使用Trimble DINI03電子水準儀觀測,采用電子水準儀自帶記錄程序,記錄外業觀測數據文件。監測點監測主要技術指標按《工程測量規范》GB50026—2007三等垂直位移監測網技術要求觀測,采用閉合水準路線時可以只觀測單程,采用附合水準路線形式必須進行往返觀測,取兩次觀測高差中數進行平差。往測的觀察順序:后、前、前、后,返測的觀察順序:前、后、后、前。

(2)樁頂沉降監測:監測點埋設在冠梁的頂部用沖擊鉆鉆出深約 10 cm的孔,再把監測標志(小棱鏡)放入孔內,縫隙用錨固劑填充。樁頂沉降監測采用幾何水準測量方法,使用Trimble DINI03電子水準儀進行觀測,其技術要求及觀測注意事項與道路地表沉降監測相關要求一致。

(3)樁頂水平位移監測:監測點埋設在冠梁的頂部用沖擊鉆鉆出深約 10 cm的孔,再把監測標志(小棱鏡)放入孔內,縫隙用錨固劑填充。本工程根據現場條件,監測點水平位移觀測采用極坐標法。

(4)支撐軸力監測:軸力計采用頻率讀數儀進行讀數,監測精度達到0.25%F·S,并記錄溫度。

6 監測成果分析說明

本文監測成果分析說明只針對袁家店站主體基坑冬期停工期間,主要目的是為了避免現場施工擾動和車輛荷載等影響,各項監測數據分析取值時間段為:2015年11月10日～2016年4月10日。

2015年11月10日,袁家店站主體基坑進入冬期停工狀態。拼裝段15軸至32軸墊層鋪設完成,開挖長度 120 m;32軸至38軸之間第五層錨索張拉完成,開挖長度 48 m;38軸至40軸之間正在張拉第四層錨索,開挖長度 15 m,開挖深度 25 m;40軸至43軸之間正在張拉第三層錨索,長度 15 m,深度 20 m?，F澆段主體已完成,目前已回填,東側端頭旋噴樁施工完畢。

2016年4月10日,袁家店站主體基坑復工,開始進行管片拼裝施工。

氣溫說明(圖5):2015年長春市入冬以來氣溫逐漸降低,從11月15日開始日最低氣溫穩定在0℃以下,同年12月26日最低氣溫達到-24℃;2016年1月22日,整個冬期氣溫最低點達到-28℃;從3月9日開始氣溫逐步回升,3月31日氣溫為5℃,此時正式回升至0℃以上,4月6日氣溫最高達到17℃;整個冬期平均氣溫為-11℃。

圖5 階段性歷史氣溫統計表

6.1 監測數據統計

階段變化及累計變化最大值統計如表3所示。

表3 階段變化及累計變化最大值統計

6.2 監測數據分析

(1)地表沉降監測

本期基坑周邊地表沉降測點自入冬以來監測數據變化較為平穩,如圖6所示,直至2016年3月31日氣溫開始回升至零上,此階段土體處于凍融期,監測點數據存在明顯上浮情況。測點DBC-11累計變形值從+3.9 mm上浮至+18.5 mm后數據趨于穩定,階段變形量為+14.6 mm;測點DBCJ-11累計變形值從-9.7 mm上浮至-3.2 mm后數據趨于穩定,階段變形量為+6.5 mm;測點DBCJ-10累計變形值從-78.2 mm上浮至-63.6 mm后數據趨于穩定,階段變形量為+14.6 mm;測點DBC-10累計變形值從-79.2 mm上浮至-66 mm后數據趨于穩定,階段變形量為+13.2 mm。

圖6 長春地鐵2號線袁家店站主體基坑地表沉降時程曲線圖

(2)樁頂沉降監測

本期基坑支護結構樁頂沉降監測點自入冬以來整體監測數據變化較為平穩,冬期數據有較小的沉降起伏波動,如圖7所示,直至2016年2月25日氣溫開始逐步回升,此階段凍層最下方土體開始緩慢融化,監測點數據存在較小的上浮情況。測點ZDCJ-3累計變形值從+1.2 mm上浮至+5.8 mm后數據趨于穩定,階段變形量為+4.6 mm;ZDCJ3-Z累計變形值從+1.5 mm上浮至+6.5 mm后數據趨于穩定,階段變形量為+5 mm;ZDCJ4-Z累計變形值從-1.9 mm上浮至+3.5 mm后數據趨于穩定,階段變形量為+5.4 mm;ZDCJ6-Z累計變形值從-3.1 mm上浮至+3.8 mm后數據趨于穩定,階段變形量為+6.9 mm。

圖7 長春地鐵2號線袁家店站主體基坑樁頂沉降監測點變化時程曲線圖

(3)樁頂水平位移監測

本期基坑支護結構樁頂水平位移監測點自入冬以來整體監測數據變化較為平穩,冬期數據有較小的偏移波動,如圖8所示,從2015年12月30日監測點發生向基坑內偏移的趨勢,此時冬期氣溫進入最低階段,同時支撐軸力增大。測點ZDWY3-Z累計變形值從 +15.4 mm增加至+19.9 mm后數據趨于穩定,階段變形量為 +4.5 mm;測點ZDWY4-Z累計變形值從 +20.4 mm減小至 +19.7 mm后數據趨于穩定,階段變形量為 -0.7 mm;測點ZDWY8-Z累計變形值從 +12.7 mm增加至 +19 mm后數據趨于穩定,階段變形量為 +6.3 mm;測點ZDWY9-Z累計變形值從 +11.7 mm增加至 +19.4 mm后數據趨于穩定,階段變形量為 +7.7 mm。

圖8 長春地鐵2號線袁家店站主體基坑樁頂水平位移時程曲線圖

(4)支撐軸力監測

本期基坑第一道鋼支撐軸力測點自入冬以來整體監測數據相對變化較為平穩,但從2015年12月20日開始氣溫逐漸降低,如圖9所示,此時冬期氣溫進入最低谷,鋼支撐軸力急劇增大。測點27#支撐軸力值從+67.2 kN增加至+594 kN后數據趨于穩定,階段變形量為 +526.8 mm;測點20#支撐軸力值從 +106.5 kN增加至 +571.8 kN后數據趨于穩定,階段變形量為 +465.3 kN;測點25#支撐軸力值從 +42.6 kN增加至 +440.25 kN后數據趨于穩定,階段變形量為 +397.65 kN;測點145#支撐軸力值從 +120.1 kN增加至 +528.2 kN后數據趨于穩定,階段變形量為 +408.1 kN。

圖9 長春地鐵2號線袁家店站主體基坑支撐軸力測點變化時程曲線圖

(5)樁體水平位移監測、地下水位監測

由于測斜孔內積水,冬期溫度過低導致斜孔內積水和地下水位孔內結冰,無法進行正常的有效監測,所以這兩監測項目本文不做數據分析說明。

6.3 現場巡查情況

2015年11月10日入冬以來,袁家店站主體基坑一直處于冬期停工狀態,現場巡查基坑支護結構未見明顯變形及開裂,但基坑側壁存在少量滲漏水情況,隨著氣溫降低,漏水點結冰嚴重;基坑周邊地表未見明顯開裂、隆起等情況,如圖10所示。

圖10 現場巡查照片

7 冬期基坑監測工作注意事項

北方冬期基坑監測與其他季節施工監測有所不同,現場作業暴露出諸多潛在問題及注意事項,下面從監測點位保護及儀器設備兩方面闡述個人觀點。

(1)基坑周邊地表沉降監測點埋設時必須穿越凍土層,且應設有護筒及保護蓋,測點完畢應立即蓋嚴,點位周邊需清理干凈,避免積雪等雜物混入導致冰凍無法監測;基坑支護結構樁頂沉降及水平位移監測點必須設置便于監測的保護裝置,冬期降雪很容易將其覆蓋,影響正常監測,且冠梁上方應設置防護欄桿并派專人定時清理積雪;樁體水平位移監測點在測斜管施工時一定要嚴格控制綁扎質量,接口處必須抹膠和纏防水膠帶處理,并做好管口蓋的保護工作,避免其進水導致冬期無法正常監測;支撐軸力線束的轉角處要做好防折保護工作,避免破壞無法監測。

(2)日常監測儀器設備均應及時充電,保證電量充足并配備滿電量備用電池;溫度劇烈變化對監測儀器設備精度影響較大,需做好儀器保暖工作,觀測前應正確設定記錄文件中各項控制限差參數,尤其是溫度改正,觀測完成需現場檢核閉合或附合差值情況。

8 結 語

北方冬期土體凍融對基坑支護結構存在一定影響,本文通過袁家店站冬期停工期間監測數據分析,結合工程地質和水文地質條件及現場巡查情況總結如下:

(1)北方冬期基坑監測工作在條件允許時應盡量在每天溫度相近時進行數據采集工作,尤其是支撐軸力受溫度影響變化很大,雖然鋼支撐受材質影響會產生熱脹冷縮現象,但從本文支撐軸力監測數據分析中可見,隨著氣溫升高鋼支撐軸力仍相對穩定,可見冬期支撐軸力增大主要來源于土體凍脹所產生的側壓力,且受鋼支撐熱脹冷縮現象影響相對較小。

(2)粉質黏土巖具有凍脹敏感性,當基坑降水效果不佳或存在無穩定水位的碎屑巖類裂隙水等情況時,冬期氣溫較低會導致土體凍脹,且土體含水量越高,土體膨脹量越大,凍融期反應越明顯。

(3)北方冬期基坑周圍巖土體凍融,導致基坑支護結構背后土體側壓力增大,基坑支護結構會發生變形,可能會影響基坑的穩定性,可見冬期監測數據亦能及時反映基坑受土體凍融影響的安全狀態,為后續施工采取相應有效措施提供了重要保障。