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濱海復雜地層長大深基坑施工變形實測分析

發布時間:2018-11-09

濱海復雜地層長大深基坑施工變形實測分析

0  引言

隨著當今社會城市化進程加快,土地資源緊張問題日益嚴峻,除此之外經濟社會的快速發展和人們對生活水平的提高,勢必對建筑安全穩定提出更高要求。隨著地下工程的逐年增多,深基坑施工越來越普遍,其施工規模也越來越大。這些基坑往往經常面臨建筑物、地鐵、市政管線、地下障礙物等復雜的施工環境。為安全施工考慮,基坑變形監測已經成為深基坑施工不可或缺的一部分。

隨城市建設的發展,地鐵工程的規模逐步增大,采用的施工技術也在逐步更新。需要注意的是,如果地鐵工程在換乘、盾構始發等關鍵節點處于復雜地層中時,基坑常會面臨較多施工風險(劉建航等,1997)該情況下更加需要對基坑工程的自身結構和周邊環境的變化進行細致的分析。

基坑開挖除對基坑本身造成影響外,也關系著基坑周邊建筑物和構筑物以及各種市政設施的安全。在地質狀況較好的地區,基坑變形對周邊建筑及其它構筑物和市政設施的影響較小,但在地質條件較差的地區這種影響會很大。因此對復雜地層的基坑變形的深入研究將是一個研究熱點和重點。

對于基坑變形監測,一些學者早在1969年已經通過現場監測和計算給出了相應的沉降槽曲線和計算經驗公式(Peck, R. B,1969),國外還有一些學者通過現場實測研究了世界范圍內其他區域軟土基坑開挖變形規律,并進行了對比分析(Hashash, Y. M. A. et al,2008;Clough, R. W., et al,2010;Hsieh, P. G., et al,2011)。在國內,對基坑變形的研究也十分重視。有很多學者通過原位監測或者數值模擬對基坑變形規律進行了一定的總結。例如,有學者以某城市大型地鐵車站基坑為研究背景,對基坑圍護結構及其變形監測方案進行了設計,并對基坑圍護結構變形的現場監測數據進行了分析,重點分析了基坑施工過程中圍護結構的水平變形隨基坑開挖深度和時間的變化規律(劉杰等,2010)。有學者運用FLAC3D 軟件對成都地鐵1號線麓山站明挖基坑進行了開挖與支護模擬,得出了基坑施工過程中的變形規律。并通過計算得出不同開挖階段的地表沉降、坑底隆起、土體側向位移和灌注樁水平變形,并對數據進行了分析(張連澤等,2014)。還有不少學者通過監測和數值計算分析了國內軟土地區深基坑工程的變形規律(劉燕等,2006;劉國彬等,2007)。有學者研究大尺度深基坑及臨近既有地鐵車站的基坑變形性狀(朱炎兵等,2013;廖少明等,2015),還有學者通過數值計算和現場實測研究了上海軟土地區深基坑的變形特性(王建華等,2005;徐營營等,2005;徐中華等,2006)。有人通過模擬試驗研究軟土基坑變形失穩形態(牛富俊等,2001)

長大深基坑有別于普通基坑,具有開挖規模大、深度深、危險系數高的特點,對其變形的監測就顯得更為重要。因此有許多學者對長大深基坑的變形進行了研究,有人通過數值模擬的手段重點探討了長大深基坑開挖過程中圍護樁的受力與變形情況及其空間分布規律(李衛明等,2009);有人借助于基坑坑壁,土體三維破壞模式,基于土的塑性上限理論及相關聯流動法則,對黏性土條件下長、大、深基坑施工空間效應的計算方法進行了推導(雷明鋒等,2010)。但是對于處于施工難度更大的復雜地層當中的長大深基坑,在施工過程中的受力和變形規律,因為種種原因目前較少有文章進行過現場實測分析報道。

文章所監測地點廈門地鐵2號線海滄大道站,所處地層復雜,場區覆蓋層主要為近代人工填筑土層、第四系全新統海積層、海陸交互相沉積層及殘積層等。厚度及性能變化較大;下伏基巖復雜,巖性多變,海滄側及灘涂主要為燕山期侵入花崗巖。文章依托廈門地鐵2號線海滄大道站長大深基坑,在施工過程中對基坑進行現場監測,通過記錄監測點地表沉降、墻體水平位移、地下水位、海堤水平位移和海堤沉降,并對監測數據進行分析,研究在廈門復雜地層下長大深基坑在開挖過程中的受力變形規律,并得出一定結論,為今后類似復雜地層深基坑工程的設計和施工提供參考。

1  工程背景

1.1  工程概況

廈門地鐵2號線一期工程海滄大道站位于海滄大道與濱湖東路丁字路口,車站沿著海滄大道敷設,如圖1所示。車站為地下二層島式站臺車站,為雙柱三跨閉合框架結構,基坑長272.9m,標準段寬度為20.7m,深度約為17.0m,頂板覆土約3.6m。車站主體采用明挖順筑法施工,基坑采用地下連續墻+內支撐體系。車站小里程端接盾構區間(盾構始發),車站大里程端接跨海盾構區間(盾構始發)。

 

圖1  海滄大道站位置示意圖

Fig.1  Schematic diagram of Haicang Avenue station

1.2  工程地質與水文地質條件

1.2.1  工程地質條件

海滄大道站局部頂板覆土約3.5m,底板主要位于粉質黏土層,部分位于淤泥層、淤泥質黏土層和殘積砂質粘性土層。連續墻底部主要位于中等風化花崗巖層上。

場區覆蓋層主要為近代人工填筑土層、第四系全新統海積層、海陸交互相沉積層及殘積層等。厚度及性能變化較大;下伏基巖復雜,巖性多變,海滄側及灘涂主要為燕山期侵入花崗巖。工程地質剖面圖如下圖2所示。場地巖土物理力學參數如表1所示。

1.2.2  水文地質條件

(1)地表水及地下水的類型及賦存場區地表水為海水,原始地下水位2.0~4.2m。按賦存介質,地下水可分為三類:賦存于第四系填土層中的松散巖類孔隙水;賦存于殘積層及全、強風化帶中的風化殘積孔隙裂隙水;賦存于碎裂狀強風化帶及以下的基巖裂隙水。

(2)地下水補給、徑流、排泄及動態特征,場區松散巖類孔隙水、風化殘積孔隙裂隙水及基巖裂隙水均直接或間接接受大氣降水或海水補給,但補給程度有一定差異。風化殘積孔隙裂隙水除接受大氣降水或海水垂直入滲補給外,尚有基巖裂隙水的側向補給或托頂上滲補給。

1.3  工程周邊環境

車站周邊區域現有用地狀況主要為居住用地及綠地公園。已經形成有規模的小區,分別為中駿海岸一號、海景奧斯卡、金海華景。中駿海岸一號地上30層,1層地下室,裙樓距離車站主體基坑35.8m、地下室距離車站主體基坑40m,海景奧斯卡地上32層,1層地下室,裙樓距離車站主體基坑41.5m、地下室距離車站主體基坑19.6m。海堤距離車站附屬結構基坑最近距離約5m。

 

圖2  海滄大道站地層剖面圖

Fig.2 Stratigraphic cross-sectional view of Haicang Avenue station

表1  場地巖土體物理力學參數表

Table 1  Physical and mechanical parameters of site rock and soil

 

1.4  施工進度簡介

基坑的主要施工步序可歸納為6個階段,具體如表2所示。

表2  基坑施工步序

Table 2  Construction stage of foundation

 

2  工程難點分析

海滄大道站工程難點主要包括以下4點:

(1)該工程環境復雜,地層軟弱復雜,基坑東側靠海,受潮汐和臺風影響較大,地下水位波動大,對基坑影響大,在施工中基坑防水要求高、難度大;

(2)基坑西側三十多層高居民小區距離近,對沉降和傾斜要求高,安全風險大;

(3)基坑最深處達17m,周邊復雜壞境情況,造成基坑本身穩定性要求高,控制基坑圍護結構變形是工程重點;

(4)廈門市環保要求高,建設中要文明施工,保護環境,做到“零破壞”,對基坑穩定性和周邊環境的影響要求極高。

3  基坑監測方案

海滄大道站作為廈門地鐵2號線最先開工建設的標志性車站工程,也是盾構區間的始發井。在施工中,對基坑本身及周邊環境進行實時監測,依據監測數據,進行信息化施工。本文選取基坑中部靠近大里程端較早開挖至底板的區段進行科研監測分析,監測項目包括:地表沉降DB01~DB08,共40個地表點;墻體水平位移CX01~CX08,共8個測斜孔;地下水位SW01~SW04,共4個孔;海堤水平位移HDS01~04,共4個海堤水平位移監測點;海堤沉降HDC01~04,共4個海堤沉降監測點。基坑監測點平面布設及基坑橫斷面監測點布設分別如圖3、圖4所示。

 

圖3  監測點平面布置圖

Fig.3  Floorplan of Monitoring points

 

圖4  基坑橫斷面監測點布置圖

Fig.4  monitoring points in cross sections of foundation pit

4  監測結果及分析

4.1  墻體水平位移

地連墻墻體水平位移是基坑開挖過程中最直接反應基坑變形趨勢和變形量的監測項目,海滄大道站地處復雜地層環境下,更應關注在不同的開挖深度處地下連續墻水平位移變化規律。

從圖5地下連續墻水平位移曲線可以看出,在基坑從開挖到底板澆筑期間,墻體水平位移隨工況進行有增大的趨勢,但各工況下墻體水平變形量均較小,水平位移最大值為24.5mm,未超30mm報警值,基坑圍護結構處于安全狀態。

 

圖5  地下連續墻水平位移曲線

Fig.5  Horizontal displacement curve of underground continuous wall

 

圖6 最大水平位移與開挖深度的關系

Fig.6 Relationship between the depth of excavation of foundation pit H the maximum horizontal displacement

從圖6可以看出,地下連續墻水平位移最大值約為0.35%基坑開挖深度,小于國外學者Peck0報道的1.0%和Clough0報道的0.6%,這可能與工程地質條件及地連墻打至基巖有一定關系。

4.2  地表沉降

地表沉降能夠直觀地反映出基坑在施工過程中對周邊環境的影響范圍和大小,通過在施工中監測地表沉降變化,來指導施工控制變形,是施工中的重要環節。文章通過對基坑周邊8個監測斷面進行現場監測,統計監測數據來分析基坑施工變形效應。

由地表沉降監測數據圖7、圖8可以看出,基坑在施工過程中,地表沉降變形較小,最大沉降量為22.4mm,小于30mm的報警控制值,基坑周邊環境處于安全狀態。地表沉降時程曲線在基坑開挖前,受圍護結構施工和場地工程車輛影響,基本呈現上下波動狀態,基坑開挖過程中,地表呈現快速沉降的過程,開挖至基底時,地表沉降基本趨于穩定變形狀態。

圖7  DB02斷面地表沉降時程曲線

Fig.7  Time history curve of surface subsidence in DB02 section

圖8  DB05斷面地表沉降時程曲線

Fig.8  Time history curve of surface subsidence in DB05 section

圖9  基坑橫斷面上地表沉降槽

Fig.9  Curve of surface settlement trough in the foundation pit

由圖9地表沉降槽曲線可以看出,基坑在開挖過程中,地表沉降量最大的點基本全是距離基坑7m位置處的2號測點,最大沉降量約為22.4mm。距離最近的1號點(距基坑邊約2m)因土體與基坑圍護結構相互作用影響,沉降量相對2號點較小。自2號點向遠離基坑邊方向,地表沉降呈現逐漸減小的趨勢。地表沉降槽呈現“√”狀。

圖10  地表沉降比與基坑邊距離之間的關系

Fig.10  The relationship between the ratio and the distance of the surface settlement of foundation pit

從圖10可以看出,文章研究基坑地表沉降影響范圍較小,約為1.76倍基坑深度范圍,地表沉降最大值出現在距基坑邊0.5倍基坑深度位置處。通過與國外學者研究對比,Clough et al0研究基坑施工影響范圍為2倍基坑深度,地表沉降最大值出現在距基坑邊0.7倍基坑深度位置處。Hashash et al錯誤!未找到引用源。研究基坑施工影響范圍為3倍基坑深度范圍外,地表沉降最大值出現在距基坑邊0.7倍基坑深度位置處。相比較而言,本文研究基坑影響范圍較小。

4.3  地下水位變化分析

因廈門屬亞熱帶海洋季風氣候,降雨頻繁,降雨量大,降雨對基坑地下水位影響較大。海滄大道站基坑位于濱海環境下,海堤距離基坑附屬結構最近處約為5m,潮汐變化和臺風對基坑周邊地下水位影響也較大。因此,需要對基坑地下水位進行重點關注。

 

圖11 地下水位變化時程曲線

Fig.11  Time curve of groundwater level

由圖11可以看出,基坑在開挖過程中,地下水位上下波動強烈,水位整體呈現上升趨勢。綜合考慮基坑在開挖前后施工、氣候、潮汐等因素可知,水位波動強烈并呈現上升趨勢主要是因在7~9月份,在此期間臺風較頻繁登陸福建廈門地區,造成頻繁降雨,降雨造成基坑水位時常呈現快速上升趨勢。從監測數據,水位累積變化最大值為2.18m,遠遠超過1m水位報警值,該條件下由于及時降水等措施,基坑工程施工并未出現風險事故。并且在非降水時間段,地下水位變化均較小,可以看出基坑在施工過程中防水作業效果良好,對地下水位影響較小。

4.4  海堤水平位移及海堤沉降

海堤是安全要求極高的工程,由于基坑一側緊鄰海堤,為保障海堤結構及岸上基坑和其它建筑物的安全,本文還對基坑施工中海堤結構的水平位移和沉降進行監測,具體變化情況如圖12、圖13所示。

圖12 海堤水平位移時程曲線

Fig.12  Time curve of seawall horizontal displacementl

圖13 海堤沉降時程曲線

Fig.13  Time curve of seawall settlement

海堤水平位移與海堤沉降的變化規律較為復雜,并未呈現與工況直接相關性的變化,海堤的變形除了與基坑開挖相關以后,還與海域潮汐的影響聯系緊密,這一點尤其在海堤沉降變化中體現明顯,HDC01~04的監測數據的變形規律呈現高度一致性,因此可以推測各點沉隆的主要因素均為潮汐作用,但這方面的詳細作用機理還有待于深入研究。

5  結論與討論

文章研究廈門濱海復雜底層環境下地鐵2號線海滄大道站基坑,結合現場施工概況,在總結地層環境的同時,通過現場實測數據,分析了施工引起的基坑變形規律,對以后類似地層環境下的此類基坑工程施工提供參考。

(1)地下連續墻水平位移最大值約為0.35%基坑開挖深度,地表沉降影響范圍較小,約為1.76倍基坑深度范圍,地表沉降最大值出現在距基坑邊0.5倍基坑深度位置處,較其他軟土地區,變形較小,基坑穩定性較好;

(2)濱海基坑施工中地下水位上下波動,總體呈現上升趨勢,在做好基坑防水措施的同時應做好地下水位監測預警與控制措施;

(3)海堤水平位移與海堤沉降的變化規律較為復雜,海堤變形除了與基坑開挖相關以后,還與海域潮汐的影響聯系緊密;

(4)本文在著重介紹了濱海復雜地層環境下長大基坑的變形分析,較常規軟土地層基坑,變形規律更明顯,具有研究價值;通過本文現場實測研究了該地層環境下基坑的穩定性和對周邊環境的擾動影響規律,可對今后濱海地區長大基坑施工起到借鑒和參考價值,筆者下一步將通過理論和數值計算,進行細化研究和分析。

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