复杂环境深基坑开挖监测技术研究

宁连冰,蒋登平,崔文乐

(中国水利水电第五工程局有限公司,成都 610021)

城市内涝问题一直是困扰大多数城市的一个难题,随着城市内涝排洪的水利设施需求日渐增多,大部分排洪设施出水口位于城区附近江、河,周边与城市现场建筑物存在交叉干扰,大范围放坡开挖困难,需要采用基坑支护结构以减少土地占用,减少对周边环境的干扰。本文结合福州市江北城区山洪防治及生态补水工程东线工程(Ⅰ标段)魁岐出水口泵室段及箱涵段工程复杂环境下基坑围护支撑结构开挖监测,并对监测数据进行统计分析研究。

1 工程概况

福州市江北城区山洪防治及生态补水工程位于福州市闽江北港北岸城区,西起闽江北港北岸淮安大桥边,东至鼓山魁岐。其中,魁岐出水口位于东线隧洞出口,主要由箱涵、分流室、检修闸泵室、消力池及外江抛石护底等组成。永久性主要建筑物级别为1级,次要建筑物级别为3级。魁岐出水口基坑最大开挖深度约20.1 m。

1.1 周边环境情况

魁岐出口箱涵、泵室段位于福州江滨公园内闽江边,外侧基坑围护桩位于驳岸挡墙中心线附近,内侧距离福州市江滨东大道高架边1～9 m,距离最近桥墩边缘约5 m,基坑周边有电缆、城市管道、江滨公园景观道、管理房等,周边环境极其复杂。

1.2 工程地质概况

魁岐出口箱涵、泵室段地层上部为人工堆积,中部为中细砂,下部为全风化、强风化碱性花岗岩。

1.3 水文气象概况

工程区属南亚热带海洋性季风气侯,年平均气温19.5℃,最高气温37.8℃,最低气温-1.1℃,无霜期长达340 d。多年平均风速2.9 m/s,年最大风速26 m/s,台风登陆或过境时,风速可达40 m/s,台风引起的增水达1.0～1.5 m。本地区雨水充沛多年平均降水约1450 mm,一年中以10月-2月为少雨季,占全年的19%;5-6月为梅雨季,雨量占全年的27%～32%,7-9月为台风雷阵雨季,雨量占全年的30%～37%。魁岐出水口位于闽江边,魁岐出水口1-3月多年平均最高高潮位5.95 m,多年平均最低低潮位0.60 m。

1.4 基坑支护结构

采用的主要支护方案为:D1000钻孔灌注桩+D600高压旋喷桩+混凝土支撑+钢支撑。

2 基坑监测内容

2.1 土体深层水平位移监测(测斜)

基坑开挖过程中对土体的整体稳定性会造成一定的破坏,土体稳定性破坏后产生的水平位移需要通过该方式进行监测[1]。通过进行水平位移的监测,可以有效地避免因为应力的突然释放导致的超限形变带来的安全事故,同时,也能及时监测应力释放对支护结构的破坏,切实保护基坑的开挖作业安全,并保护受基坑开挖影响的建(构)筑物等。本基坑开挖采用的仪器是℃X-03D测斜仪。

2.2 基坑坡顶沉降观测

本工程基坑开挖时受到潮汐影响,开挖过程中的应力变化更加复杂,因此,需要对基坑坡顶产生的沉降进行观测,为相对精准地对沉降变形进行监测,采用仪器为瑞士徕卡NA2+GPM3,根据二等水准观测精度要求进行观测[2]。

2.3 基坑坡顶水平位移观测

基坑开挖过程中,随着坑体中土体的逐步挖除,基坑坡顶部分的土体会失去一侧支撑力,在自身重力和另一侧土体的侧压力下容易产生侧边位移,乃至发生基坑失稳,造成基坑生产过程中的隐患,对基坑周边地表和建筑物造成危害。该处监测和其余监测结果进行交叉检查,互相验算,采用全站仪根据二等观测精度进行观测。

2.4 支撑内力监测

随着基坑开挖,支撑内力开始发生变化,受力超过设计值时,便可能会导致支撑系统及支护结构失效。了解支撑内力变化情况,必要时采取相应的措施,确保支撑系统和支护结构的安全[3-4]。支撑内力监测,使用传感器、频率计等仪器进行数据收集。

2.5 周边地表沉降观测

在基坑地下室施工过程中,由于土层应力释放、支护结构的变形、地下水位变化等因素,可能导致周边地表沉降变形。采用精密水准仪瑞士徕卡NA2+GPM3,根据二等水准观测精度要求进行观测[4-5]。

3 监测点的布置、监测频率及预警指标

3.1 监测点布置

根据福州市江北城区山洪防治及生态补水工程魁岐出水口基坑监测点平面布置图进行监测点埋设。监测设施均做了明显标记。监测点是监测工作的重要标志,在现场各方的共同保护下,保证了数据的连续性并能够及时准确地获得数据,确保了施工过程的顺利进行[4-5]。魁岐出水口基坑支护监测点布置在混凝土支撑梁、钢支撑、混凝土冠梁及基坑周围,土体深层水平位移(测斜)监测共埋设7个点(C1-C7),孔深为25～26 m;基坑坡顶沉降观测沿着支护结构边缘埋设23个沉降观测点(J1-J23);基坑坡顶的水平位移观测沿着支护结构边缘埋设23个水平位移观测点(S1-S23);在混凝土支撑上共埋设监测点13组(每组监测点埋设2个应变计,共26个应变计);在钢支撑上共埋设监测点6个;在基坑周边埋设21个地表沉降观测点(D1-1-D7-3)。

3.2 监测频率

监测频率参照表1进行,监测数据超过预警值时,监测频率为1次/1d。

表1 监测频率

3.3 监测预警指标

基坑监测预警指标按表2进行。

表2 基坑及周边环境监测内容及报警值

4 监测结果汇总分析

4.1 土体深层水平位移监测(测斜)

土体深层水平位移(测斜)监测共埋设7个点(C1-C7),孔深为25～26 m。监测工作从2022年6月6日至2022年10月17日,其中:累计位移最大值为 26.32 mm(C2测斜孔-9 m处)。土体深层水平位移过程曲线(C2监测点)如图1所示。

图1 土壤深层水平位移过程曲线(C2监测点)

4.2 基坑坡顶沉降观测

基坑坡顶沉降观测是为了监测基坑开挖期间基坑支护结构周边的坡顶沉降变形情况[6]。沿着支护结构边缘埋设23个沉降观测点(J1-J23)。监测工作从2022年5月30日至2023年1月13日,其中:最大累计沉降为11.62 mm(J10)。基坑坡顶沉降过程曲线如图2所示。

图2 基坑坡顶沉降过程曲线

4.3 基坑坡顶水平位移观测

基坑坡顶的水平位移观测是为了监测基坑开挖期间支护结构顶部的水平位移情况。沿着支护结构边缘埋设23个水平位移观测点(S1-S23)。监测工作从2022年6月1日至2023年1月13日,其中:最大累计位移为22 mm(S13)。基坑坡顶水平位移过程曲线如图3所示。

图3 基坑坡顶水平位移过程曲线

4.4 混凝土支撑内力及钢支撑轴力监测

(1)混凝土支撑内力监测是为了监测基坑开挖期间混凝土支撑的受力变化情况。在混凝土支撑上共埋设监测点13组(每组监测点埋设2个应变计,共26个应变计)。监测工作从2022年6月1日至2023年1月13日。其中:最大内力为199.89 kN[Y6(3394)]。混凝土支撑应力过程曲线如图4所示。

图4 混凝土支撑应力过程曲线

(2)钢支撑轴力监测是为了监测基坑开挖期间钢支撑的受力变化情况。在钢支撑上共埋设监测点6个。监测工作从2022年6月27日至2022年10月28日。其中:最大内力为1033.88 kN(G2-1)。钢支撑轴力过程曲线如图5所示。

图5 钢支撑轴力过程曲线

4.5 周边地表沉降观测

地表沉降观测是为了监测基坑开挖期间基坑周边地表的沉降变形情况。在基坑周边埋设21个地表沉降观测点(D1-1-D7-3)。监测工作从2022 年5月30日至2023年1月13日,其中:最大累计沉降为12.20 mm(D2-1)。地表沉降过程曲线见图6所示。

图6 地表沉降过程曲线

5 结论

(1)对土体深层水平位移(测斜)监测数据进行分析,变形曲线基本呈上升趋,后期曲线缓慢收敛,最终未达到设定的预警值。

(2) 基坑坡顶水平位移观测累计位移量,得出基坑周边向基坑内变形的位移量,本工程基坑支护结构形式对基坑开挖起到了很好保护作用,对基坑开挖有较好的指导意义和内支撑设定提供依据。

(3) 混凝土支撑梁及钢管撑内力随着开挖和内支撑作用不断变化,受力变化图近一步验证了基坑坡顶水平位移和竖向位移变形特征。

(4) 通过对各项监测数据的分析,本工程基坑开挖过程中涨潮落潮对基坑临江侧支护结构带来一定影响,但未超过警戒值,施工过程中要加强监测。

(5) 本工程监测工作自2022年5月30日至2023年1月13日,通过7个月的监测数据表明:在魁岐出水口基坑工程施工期间,各监测项目的监测数据未出现超过预警值的情况,基坑施工顺利完成,基坑的支护结构和监测形式可以为类似工程提供参考。