市政綜合管廊基坑開(kāi)挖變形監(jiān)測(cè)與變形分析

市政綜合管廊基坑開(kāi)挖變形監(jiān)測(cè)與變形分析

隨著城市高度密集和高利用的發(fā)展，各種地下掩埋的情況顯著增加。一般來(lái)說(shuō)，在城市街道上，各種管道的埋葬和管理往往是獨(dú)立進(jìn)行的，這給管道的檢查和維護(hù)帶來(lái)了許多問(wèn)題，這導(dǎo)致了道路頻繁挖掘的頻繁坍塌和許多不便。為了減少這種負(fù)面影響，盡量減少其影響道路交通的功能，在現(xiàn)代城市規(guī)劃中，道路輔助設(shè)施集中在地下結(jié)構(gòu)空間（即綜合城市管理走廊）上，以便統(tǒng)一管理。綜合城市管理走廊（也稱為“共同溝”）是指將城市地下管道，如電力、通信、天然氣、供水、污水、加熱、電視網(wǎng)絡(luò)電腦化等集中在同一隧道空間內(nèi)，并實(shí)施專門(mén)的維修孔、安裝孔和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、共同維護(hù)、集中管理，形成現(xiàn)代、集約的城市公共基礎(chǔ)設(shè)施。南京市河西地區(qū)的新建綜合管廊,在管廊和地下人行通道相交時(shí),往往開(kāi)挖基坑先建造管廊后在其上建造地下人行通道.在管廊下穿段,需要開(kāi)挖深度超過(guò)10m,采用SMW工法支護(hù),按照深度條件可將該段基坑歸為一級(jí)基坑.基坑工程是系統(tǒng)工程,且涉及巖土工程三個(gè)基本問(wèn)題:穩(wěn)定、變形和滲流.基坑工程的變形主要由圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、周圍地表沉降及基坑底部隆起三部分組成.這三者之間存在耦合關(guān)系.目前,SMW工法是一種比較新穎的基坑支護(hù)方式,限于設(shè)計(jì)理論的不足和施工工藝的差異,工程施工中進(jìn)行監(jiān)測(cè),不僅可以判斷基坑開(kāi)挖過(guò)程合理和基坑支護(hù)的穩(wěn)定性,還能為SMW工法的設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù).由于管廊基坑的特殊性,管廊開(kāi)挖到底后,需很快澆筑混凝土底板,并開(kāi)始上部結(jié)構(gòu)的施工,因此沒(méi)有對(duì)基坑隆起進(jìn)行合適的監(jiān)測(cè)與研究.本文將通過(guò)南京市河西地區(qū)某管廊的施工監(jiān)測(cè),來(lái)研究分析SMW工法支護(hù)下管廊基坑的變形規(guī)律.1基坑與工程概況天保街管廊基坑項(xiàng)目位于南京市河西新城南部地區(qū),北起濱江大道,南至新河路,全長(zhǎng)約1599.846m,設(shè)計(jì)樁號(hào)K0+000~K1+599.846,實(shí)施樁號(hào)K0+082.971~K1+599.846,不含濱江大道(K0+000~K0+082.971)、燕山路(K0+388.604~K0+444.769)和江東南路(K0+600.958~K0+785.275)交叉口.本文研究的基坑是天保街管廊基坑施工的一段,樁號(hào)k0+980~k1+060,開(kāi)挖平均深度10.06m,寬度5.4m,長(zhǎng)80m,采用SMW工法樁維護(hù).SMW工法樁冠梁使用C30混凝土,采用Φ850@600三軸深層攪拌樁,套接一孔法施工,坑內(nèi)加固縱向搭接250mm,使用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥.內(nèi)插H型鋼采用H700*300*13*24,強(qiáng)度為Q235B.1.1工程地質(zhì)和水文地質(zhì)概況場(chǎng)地內(nèi)地表水主要分布于附近新建2號(hào)河道內(nèi).場(chǎng)地地下水為潛水和承壓水,潛水主要賦存于素填土、黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中,富水性弱~中等,主要接受大氣降水和地表水體入滲補(bǔ)給,勘探期間量測(cè)得潛水穩(wěn)定水位埋深1.0~2.5m,相應(yīng)標(biāo)高為4.68~4.72m,根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn),潛水年變化幅度在0.50~1.00m.承壓水主要富存于砂層和含礫中粗砂性土體中,上部水體滲透和橫向補(bǔ)給是其主要補(bǔ)給來(lái)源,與長(zhǎng)江也有一定水力聯(lián)系,具弱承壓性.場(chǎng)地地表水和地下水對(duì)混凝土無(wú)結(jié)晶類、分解類、結(jié)晶分解復(fù)合類腐蝕性.場(chǎng)地土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1.1.2基坑開(kāi)挖及管廊加固方案本基坑施工過(guò)程可分為以下8個(gè)工況:工況w1:施工工法樁;工況w2:土方開(kāi)挖至圍檁托盤(pán)底(開(kāi)挖約1m),施工鋼圍檁及第一層鋼管支撐;工況w3:土方開(kāi)挖至第二層圍檁托盤(pán)底(開(kāi)挖約5m),施工鋼圍檁及第二層鋼管支撐;工況w4:土方開(kāi)挖至第三層圍檁托盤(pán)底(開(kāi)挖約9m),施工鋼圍檁及第三層鋼管支撐;工況w5:土方開(kāi)挖至基坑底標(biāo)高,及時(shí)澆筑砼墊層、底板至支護(hù)樁樁邊;工況w6:待地下室底板素混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%后,拆除第三層鋼管支撐及圍檁,繼續(xù)施工管廊主體結(jié)構(gòu);工況w7:待管廊主體結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,土方回填至第二層支撐底,拆除第二層鋼支撐及圍檁;工況w8:土方繼續(xù)回填至第一層支撐底,拆除首層支撐,繼續(xù)回填至地面標(biāo)高,并拔出型鋼,空隙采用水泥漿填充.圖1所示為管廊結(jié)構(gòu)典型橫斷面.2土體深層水平位移測(cè)斜、地表沉降、支撐軸力、水位綜合考慮周邊環(huán)境對(duì)管廊基坑的影響,確定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如下:土體深層水平位移(測(cè)斜)、周圍地表沉降、支撐軸力、水位共4項(xiàng).表2中列舉了各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的預(yù)警值.2.1管廊土體變形的“時(shí)空效應(yīng)”本段管廊未開(kāi)挖之時(shí),按照《建筑基坑工程檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》的要求,布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn).選取其中兩個(gè)有代表性的測(cè)斜點(diǎn)(CX-1,CX-2)來(lái)分析基坑的變形情況.如圖2所示CX-1測(cè)斜孔,在基坑開(kāi)挖3m左右,未出現(xiàn)較大變形.隨著第一道鋼支撐的施加,預(yù)加軸力的作用下,接近地面的土體水平位移向坑外發(fā)展.第一次較大變形發(fā)生在基坑開(kāi)挖5m,樁后土壓力增大,在第二道支撐施加之前,4~7m處均出現(xiàn)較大位移變形.此時(shí)最大位移為16.64mm,發(fā)生在埋深6.5m處.在0~4m出現(xiàn)稍微向坑外變形,但不明顯.8m以下土體也沒(méi)有太大變化.施工到工況四,即土方開(kāi)挖至第三層圍檁托盤(pán)底(開(kāi)挖約9m),樁后的側(cè)下土壓力繼續(xù)增大,2~12m土體發(fā)生向坑內(nèi)的整體水平移動(dòng),幅度約12mm,最大值為27.98mm,出現(xiàn)在地下5m,達(dá)到報(bào)警值25~30mm范圍內(nèi).之后施加第三道鋼支撐,從而限制位移進(jìn)一步擴(kuò)大.待基坑開(kāi)挖到坑底(約10m),澆筑混凝土墊層,進(jìn)而進(jìn)行管廊主體結(jié)構(gòu)的底板鋼筋混凝土施工,期間水平位移變化不大.直到管廊施工結(jié)束達(dá)到需要的強(qiáng)度,用砂土回填管廊和基坑之間間隙并注水密實(shí)后,拆除首層鋼支撐,土體發(fā)生10~20mm的水平變形.由于此時(shí)基坑已經(jīng)回填完成,故拆除支撐引起的變形沒(méi)有危害.圖3所示,CX-2測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)與CX-1的變形情況很相似.當(dāng)?shù)谝坏冷撝蔚氖┘雍?在預(yù)加軸力作用下,表層土體出現(xiàn)向基坑外的變形,之后,隨著基坑的不斷開(kāi)挖,引起土體應(yīng)力釋放,墻外側(cè)土體作用于墻體的土壓力趨向于主動(dòng)土壓力,其作用結(jié)果使得墻體向基坑內(nèi)發(fā)生側(cè)向變形,墻體的測(cè)移的結(jié)果使得墻后土體發(fā)生水平向移動(dòng).CX-2的突變發(fā)生在工況四,即土方開(kāi)挖至第三層圍檁托盤(pán)底(開(kāi)挖約9m),施工鋼圍檁及第三層鋼管支撐的時(shí)候.由于現(xiàn)場(chǎng)施工的不確定因素使得該處的鋼支撐施加延遲,故產(chǎn)生的“時(shí)空效應(yīng)”,導(dǎo)致8~12m處發(fā)生較CX-1更大的水平向位移.當(dāng)3層鋼支撐全部施加完成以后,在巨大的支撐軸力作用下,墻體變形被牢牢限制,直到管廊主體施工結(jié)束都沒(méi)有發(fā)生過(guò)大位移.由此可以得出,基坑邊角處變形較小,隨后逐步增大,基坑中部附近變形最大.2.2支撐軸力監(jiān)測(cè)為了確?；拥姆€(wěn)定,采用振弦式反力計(jì)監(jiān)測(cè)基坑重要斷面的鋼支撐軸力變化情況.本次軸力監(jiān)測(cè)采用的是振弦式反力計(jì),又稱軸力計(jì),是一種振弦式載重傳感器.本段基坑軸力監(jiān)測(cè)選擇一個(gè)重點(diǎn)斷面,該斷面設(shè)有三層鋼支撐,每層均架設(shè)一臺(tái)軸力計(jì).3臺(tái)軸力計(jì)的標(biāo)高分別為+7.0m,+3.0m和-1.0m.對(duì)應(yīng)開(kāi)挖深度分別為1m,5m和9m.支撐軸力的監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4.在工況二階段施加第一道鋼支撐后,由于預(yù)壓應(yīng)力作用,鋼支撐對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向坑外的擠壓,坑外土體被壓縮發(fā)生一定的變形,軸力會(huì)損失一部分.隨著土層開(kāi)挖,基坑的深度和長(zhǎng)度不斷增加,開(kāi)挖面層以上的土體的主動(dòng)土壓力使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向坑內(nèi)的變形,第一道支撐的軸力會(huì)不斷增大,直到施加第二道鋼支撐時(shí),由于鋼支撐之間的相互影響,第一道支撐的軸力會(huì)發(fā)生波動(dòng),呈減小趨勢(shì).此時(shí)兩層支撐共同承擔(dān)坑外土體的主動(dòng)土壓力.隨著基坑不斷向下開(kāi)挖,第一、二層支撐的軸力值之和不斷增大,第二道支撐的軸力變化在此段變化最大.在施加第三道鋼支撐后,由于此時(shí)基坑已經(jīng)接近開(kāi)挖到底,此后的坑外土體壓力值增長(zhǎng)不大,故第三道支撐的軸力值變化幅度很小且數(shù)值小于第二道支撐的軸力值.且施加第三道支撐后,第一、二到支撐的軸力有不同程度的減小情況.基坑開(kāi)挖到底后,三道支撐的軸力值相對(duì)穩(wěn)定.在工況六,由于管廊底板混凝土的澆筑并達(dá)到預(yù)期強(qiáng)度,拆除第三道支撐,對(duì)第二層支撐軸力變化不大.至第二道鋼支撐拆除后,由于管廊上部回填土質(zhì)較疏松,第一道支撐的軸力會(huì)突然增大,最后又趨于穩(wěn)定.2.3基坑降水監(jiān)測(cè)基坑周邊的地下水位與基坑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性密切相關(guān).如果坑外水位高于基坑底面而進(jìn)行基坑開(kāi)挖施工時(shí),由于坑內(nèi)外的水位差大,容易產(chǎn)生流沙、管涌等滲透性破壞現(xiàn)象.因此在地下水位以下進(jìn)行深基坑開(kāi)挖施工時(shí),為了避免發(fā)生事故,就需要適當(dāng)?shù)亟档偷叵滤?降水的目的在于:(1)加固基坑兩側(cè)土體及坑底土體,提高土體的抗力,從而減少的底部隆起與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形.(2)降低坑內(nèi)土體的含水量,防止土體在開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生縱向滑坡,方便挖機(jī)和人工在基坑內(nèi)施工作業(yè).(3)確?；觾?nèi)開(kāi)挖工作環(huán)境良好,通過(guò)及時(shí)疏干基坑內(nèi)地下水,提高土體的有效應(yīng)力,防止坑底出現(xiàn)管涌、流沙現(xiàn)象,保證基坑安全,滿足安全施工要求.從基坑開(kāi)挖之前開(kāi)始抽水并進(jìn)行監(jiān)測(cè),圖5所示,五個(gè)監(jiān)測(cè)的水位在-2.8~-4.0之間浮動(dòng),基本滿足降水達(dá)到坑底標(biāo)高以下0.5~1m的要求.在施工過(guò)程中,不斷抽取地下水.通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,施工過(guò)程中,周邊的5個(gè)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)SW-1~5變化比較均勻,最大日變化量小于500mm,累計(jì)水位變化小于2m,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位變化均沒(méi)有達(dá)到報(bào)警值.2.4基坑周圍地表沉降引起地表沉降的主要原因之一是支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移,除此之外,其大小主要取決于橫向支撐的剛度、開(kāi)挖過(guò)程中的時(shí)空效應(yīng)、坑底隆起和坑外降水導(dǎo)致的土體固結(jié)沉降等因素.總體上來(lái)說(shuō),施工中在保證坑底穩(wěn)定和減少隆起的前提下,有效地控制支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移,地表沉降是可控制的.本段基坑周圍地表的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6.可以看出,基坑開(kāi)挖初期,施工降水及由此引起的滲流使土中的有效應(yīng)力改變,土體發(fā)生沉降,但沉降量較小.從工況二開(kāi)始到工況三,基坑開(kāi)挖5m,坑外地表沉降呈現(xiàn)第一次較大幅度的下沉,最大沉降量9.3mm,主要由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形引起.基坑繼續(xù)開(kāi)挖至9m,坑外地表的沉降出現(xiàn)第二次較大幅度的下降,但明顯地,在第一和第二道支撐的作用下,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移被限制,故此段的沉降幅度比第一段稍小.最大沉降量也由9.3mm增加到15.5mm.當(dāng)基坑開(kāi)挖到底,并及時(shí)澆筑混凝土底板,有效地控制了基坑底部隆起和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移,故在管廊主體施工階段,地表沉降逐漸趨于緩和,變化不大.3支撐軸力軸力軸力軸力軸力軸力軸力軸力軸力軸力軸力軸力軸力軸力軸力值m通過(guò)對(duì)南京市河西南部地區(qū)天保街道路的市政綜合管廊基坑的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,可以得出以下結(jié)論:1)基坑兩側(cè)土體的深層土體水平位移曲線呈現(xiàn)出“兩端小,中間凸”的趨勢(shì),基坑最大深度約10m,水平位移最大位置發(fā)生在6~11m處,即第二層支撐以下部分的變形較大.另絕大部分的變形發(fā)生在基坑開(kāi)挖過(guò)程中,因此當(dāng)基坑開(kāi)挖到設(shè)計(jì)支撐點(diǎn)位置以下1m左右時(shí),需及時(shí)施加支撐,防止變形進(jìn)一步增大.2)