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地铁深基坑监控量测与数据分析

目前我国已有42座城市获批修建地铁,徐州为第36座获批城市,正处在“三线共建”的快速发展期,该区域地层地下水丰富、岩溶发育、上软下硬、岩溶塌陷、老城为“城上城”,具有不确定性、高度非线性、随时空域呈复杂变化性三大特点。地铁建设之前,徐州基坑深度基本在10m以上,未曾有超深基坑工程施工经验和变形监测基础资料,这也是徐州地铁基坑工程修建极具挑战性、高风险性、高难度性的关键所在。纵观全国,还存在着因勘察、设计、施工、监管、监测不当等造成的深基坑工程安全事件,特别是由于基坑变形、失稳引起周边建(构)筑物、道路及地下管网等破坏,既造成一定的经济损失,又造成了广泛的社会负面影响,故对徐州新建地铁城市来讲,深基坑工程有必要通过严格监控量测累积地区变形经验、优化工程设计、实现信息化施工,继而保障基坑与周边环境的安全和使用功能。

1工程概况

该车站东西向设置,全长153m、标准段宽21.9m、基坑深23.2~23.558m,采用地下连续墙+首道混凝土支撑+4道钢支撑围护结构形式,为3层双柱三跨箱型框架结构,坑内管井降水。车站西南角净距11.45m为快捷宾馆,南侧净距13.03m为7层老旧住宅楼和服饰城,东南角净距3.94m为医院,东北角净距10.71m为小学,西侧净距3.88m为在建高层深基坑。基坑范围穿越地层主要为11杂填土(松散)、25-2粘质粉土(稍密)、26粉砂(密实)、24-3粘土(可塑)、24-4粘土(硬塑)、53-4粘土(硬塑)、122A溶洞、122-3中风化灰岩,场地在-3.4~-14.9m范围分布的25-2粉土层、26粉砂土层均为液化土,在一定动水头差压力下,易产生流砂、管涌现象。

2监测内容及技术标准

该基坑安全等级、变形控制保护等级和监测等级均为一级,根据设计部门监测要求,结合本工程自身结构特点、基坑开挖特色、周边环境和地质情况及已有工程类比经验,经监测优化完善后确定本基坑监测内容及技术标准见表1。

3监测数据分析与变形规律总结

3.1基坑开挖与支护结构变形监测数据分析

选取具有代表性的东端头基坑开挖与支护结构变形关系分析,施工工况与墙体测斜变形见图1。图1基坑东端头墙体测斜ZQT-09在深度-14m处变形由图1可知:1)基坑开挖与支撑架设的工序衔接十分关键,基坑无支撑暴露时间长短与围护结构、周边地层变形存在密切相关性,充分利用基坑开挖“时空效应”是一项安全而又经济的技术措施;2)当支撑及时架设后或基坑短暂停止开挖期间,基坑支护结构变形会短暂处于变形收敛或基本稳定状态;3)该测斜对应竖向部位共布设4道斜支撑轴力,其中第一道混凝土支撑实测轴力-1679kN,第二道钢支撑实测轴力-1004kN(设计预加力-1867kN),第三道钢支撑实测轴力-1521kN(设计预加力-2333kN),加密第四道钢支撑实测轴力-684kN(设计预加力-2333kN),远低于设计要求预加力标准,基坑开挖后钢支撑施加预应力的大小、预应轴力的损减及支护结构变形能否转化为支撑的有效受力对基坑支护结构变形大小和变形趋势有较大影响;4)墙体测斜ZQT-09在深-14m处累计最大值为53.4mm,开挖面(-19m位置)累计变形量为42.1mm,占比79%,即开挖面部位变形占总变形量过大,易产生“踢脚”变形引发基坑整体失稳,参照类似基坑工程,推荐控制踢脚部位变形占比60%以下为宜;5)该测斜对应位置立柱沉降ZCL-06累计隆起12.4mm,已达设计给定控制值60%左右,除因基坑土体卸载引发应力释放造成立柱隆起因素外,经监测数据分析对比也与基坑在6月中下旬、7月中下旬长时间停工暴露有一定联系,基坑暴露时间过长同样会造成基坑底部持续隆起现象,而基坑无支撑状态下长期暴露更会加剧基坑底部隆起变形和侧壁水平方向变形;6)测斜变形最大部位基本位于26粉砂层,这与该地层在坑内表现的失水压缩性大、受振动易液化、降水易流失的特性以及坑外表现的受振动易产生位移、丧失稳定的特性有关;7)后期对该部位跟踪监测,基坑底板(侧墙)结构施工完成对基坑底部隆起变形和支护结构变形发展能有效抑制。

3.2基坑支护结构变形与周边地层变形监测数据分析

该车站基坑地表测点预警点位约占地表总点位31%,墙体测斜约占94%,排水管线约占15%,给水管线约占9%,热力管线约占28%,选取具有代表性的标准段基坑支护结构变形与周边地层变形关系分析,见图2。由图2可知:1)单从测斜数据来看基坑南北两侧不对称变形,已开挖部位同等深度北侧较南侧大,这与基坑北侧临边机械停放、材料堆载、出土渣车运行有关,北侧地表沉降相对南侧大,亦与此有关;2)基坑南侧地表与地下管线累计沉降基本超过-20mm,66%测点均橙色预警,最大变形点为DBC-14-02(累计-48.7mm),变形较大位置主要介于DBC-14-01~DBC-14-03之间,相对基坑边线约12m左右,时间上测斜变形在先、地表变形滞后约3~5d,也侧面验证了基坑开挖阶段因坑内外水土压力差造成支护结构变形,继而引发周边地层损失、土体松散、位移变形,造成附着在地层上的管线、建筑等产生变形位移的规律;3)统计基坑周边第3排共计18处地表沉降测点变形情况,累计沉降-2~-5mm,平均-3.12mm,统计基坑南侧距基坑边线约18~20m范围的共计23处管线沉降情况,累计沉降-4~-12mm,平均-6.26mm;结合GB50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》规定的“基坑变形主要影响区为0.7H(H为基坑设计深度)”,根据监测基坑周边沉降监测数据统计,本工程变形主要影响区宜调整为0.85H,即距基坑边线约0~20m。随着基坑工程主体结构施工,经后期监测跟踪,地表、管线等几何监测项目变形均能稳定,原基坑开挖期已产生的变形量基本维持不变,无法恢复至变形初始状态。

4结语

通过本工程监测设计、数据分析和信息反馈实现了信息化施工,有效地保护了基坑及周边环境安全总体可控并总结出一些基坑开挖变形原因及规律。1)基坑土方开挖阶段为支护结构、周边环境变形主要发展期,基坑主体结构施工阶段,各项变形指标均能稳定,但已产生的变形量无法消除。2)监测设计的科学性、监测埋点的高质量、监测数据的准确性、巡视检查的辅助性、监测分析的全面性、应急监测的迅捷性和监测信息反馈的及时性,均是确保监测工作指导、服务施工的首要前提,每个环节都应高度重视、认真对待。3)基坑通过严密的监控量测设计和实施,使得变形初期能够及时发现、变形趋势能够及时预测,为基坑安全施工提供宝贵的应急时间保障,是以相对较小的经济投入换来巨大的社会经济效益。

作者:朱茂国 单位:中铁隧道勘测设计院有限公司

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