滨海复杂地层长大深基坑施工变形实测分析

2016-12-09 09:52  来源:中国岩土网  阅读:1399
本文已经发表于《工程地质学报》2016, Vol. 24 Issue (5): 806-814 ,欢迎大家一起探讨。

滨海复杂地层长大深基坑施工变形实测分析

0  引言

随着当今社会城市化进程加快,土地资源紧张问题日益严峻,除此之外经济社会的快速发展和人们对生活水平的提高,势必对建筑安全稳定提出更高要求。随着地下工程的逐年增多,深基坑施工越来越普遍,其施工规模也越来越大。这些基坑往往经常面临建筑物、地铁、市政管线、地下障碍物等复杂的施工环境。为安全施工考虑,基坑变形监测已经成为深基坑施工不可或缺的一部分。

随城市建设的发展,地铁工程的规模逐步增大,采用的施工技术也在逐步更新。需要注意的是,如果地铁工程在换乘、盾构始发等关键节点处于复杂地层中时,基坑常会面临较多施工风险(刘建航等,1997)该情况下更加需要对基坑工程的自身结构和周边环境的变化进行细致的分析。

基坑开挖除对基坑本身造成影响外,也关系着基坑周边建筑物和构筑物以及各种市政设施的安全。在地质状况较好的地区,基坑变形对周边建筑及其它构筑物和市政设施的影响较小,但在地质条件较差的地区这种影响会很大。因此对复杂地层的基坑变形的深入研究将是一个研究热点和重点。

对于基坑变形监测,一些学者早在1969年已经通过现场监测和计算给出了相应的沉降槽曲线和计算经验公式(Peck, R. B,1969),国外还有一些学者通过现场实测研究了世界范围内其他区域软土基坑开挖变形规律,并进行了对比分析(Hashash, Y. M. A. et al,2008;Clough, R. W., et al,2010;Hsieh, P. G., et al,2011)。在国内,对基坑变形的研究也十分重视。有很多学者通过原位监测或者数值模拟对基坑变形规律进行了一定的总结。例如,有学者以某城市大型地铁车站基坑为研究背景,对基坑围护结构及其变形监测方案进行了设计,并对基坑围护结构变形的现场监测数据进行了分析,重点分析了基坑施工过程中围护结构的水平变形随基坑开挖深度和时间的变化规律(刘杰等,2010)。有学者运用FLAC3D 软件对成都地铁1号线麓山站明挖基坑进行了开挖与支护模拟,得出了基坑施工过程中的变形规律。并通过计算得出不同开挖阶段的地表沉降、坑底隆起、土体侧向位移和灌注桩水平变形,并对数据进行了分析(张连泽等,2014)。还有不少学者通过监测和数值计算分析了国内软土地区深基坑工程的变形规律(刘燕等,2006;刘国彬等,2007)。有学者研究大尺度深基坑及临近既有地铁车站的基坑变形性状(朱炎兵等,2013;廖少明等,2015),还有学者通过数值计算和现场实测研究了上海软土地区深基坑的变形特性(王建华等,2005;徐营营等,2005;徐中华等,2006)。有人通过模拟试验研究软土基坑变形失稳形态(牛富俊等,2001)

长大深基坑有别于普通基坑,具有开挖规模大、深度深、危险系数高的特点,对其变形的监测就显得更为重要。因此有许多学者对长大深基坑的变形进行了研究,有人通过数值模拟的手段重点探讨了长大深基坑开挖过程中围护桩的受力与变形情况及其空间分布规律(李卫明等,2009);有人借助于基坑坑壁,土体三维破坏模式,基于土的塑性上限理论及相关联流动法则,对黏性土条件下长、大、深基坑施工空间效应的计算方法进行了推导(雷明锋等,2010)。但是对于处于施工难度更大的复杂地层当中的长大深基坑,在施工过程中的受力和变形规律,因为种种原因目前较少有文章进行过现场实测分析报道。

文章所监测地点厦门地铁2号线海沧大道站,所处地层复杂,场区覆盖层主要为近代人工填筑土层、第四系全新统海积层、海陆交互相沉积层及残积层等。厚度及性能变化较大;下伏基岩复杂,岩性多变,海沧侧及滩涂主要为燕山期侵入花岗岩。文章依托厦门地铁2号线海沧大道站长大深基坑,在施工过程中对基坑进行现场监测,通过记录监测点地表沉降、墙体水平位移、地下水位、海堤水平位移和海堤沉降,并对监测数据进行分析,研究在厦门复杂地层下长大深基坑在开挖过程中的受力变形规律,并得出一定结论,为今后类似复杂地层深基坑工程的设计和施工提供参考。

1  工程背景

1.1  工程概况

厦门地铁2号线一期工程海沧大道站位于海沧大道与滨湖东路丁字路口,车站沿着海沧大道敷设,如图1所示。车站为地下二层岛式站台车站,为双柱三跨闭合框架结构,基坑长272.9m,标准段宽度为20.7m,深度约为17.0m,顶板覆土约3.6m。车站主体采用明挖顺筑法施工,基坑采用地下连续墙+内支撑体系。车站小里程端接盾构区间(盾构始发),车站大里程端接跨海盾构区间(盾构始发)。

图1  海沧大道站位置示意图

图1  海沧大道站位置示意图

Fig.1  Schematic diagram of Haicang Avenue station

1.2  工程地质与水文地质条件

1.2.1  工程地质条件

海沧大道站局部顶板覆土约3.5m,底板主要位于粉质黏土层,部分位于淤泥层、淤泥质黏土层和残积砂质粘性土层。连续墙底部主要位于中等风化花岗岩层上。

场区覆盖层主要为近代人工填筑土层、第四系全新统海积层、海陆交互相沉积层及残积层等。厚度及性能变化较大;下伏基岩复杂,岩性多变,海沧侧及滩涂主要为燕山期侵入花岗岩。工程地质剖面图如下图2所示。场地岩土物理力学参数如表1所示。

1.2.2  水文地质条件

(1)地表水及地下水的类型及赋存场区地表水为海水,原始地下水位2.0~4.2m。按赋存介质,地下水可分为三类:赋存于第四系填土层中的松散岩类孔隙水;赋存于残积层及全、强风化带中的风化残积孔隙裂隙水;赋存于碎裂状强风化带及以下的基岩裂隙水。

(2)地下水补给、径流、排泄及动态特征,场区松散岩类孔隙水、风化残积孔隙裂隙水及基岩裂隙水均直接或间接接受大气降水或海水补给,但补给程度有一定差异。风化残积孔隙裂隙水除接受大气降水或海水垂直入渗补给外,尚有基岩裂隙水的侧向补给或托顶上渗补给。

1.3  工程周边环境

车站周边区域现有用地状况主要为居住用地及绿地公园。已经形成有规模的小区,分别为中骏海岸一号、海景奥斯卡、金海华景。中骏海岸一号地上30层,1层地下室,裙楼距离车站主体基坑35.8m、地下室距离车站主体基坑40m,海景奥斯卡地上32层,1层地下室,裙楼距离车站主体基坑41.5m、地下室距离车站主体基坑19.6m。海堤距离车站附属结构基坑最近距离约5m。

图2  海沧大道站地层剖面图

图2  海沧大道站地层剖面图

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

表1  场地岩土体物理力学参数表

Table 1  Physical and mechanical parameters of site rock and soil

表1  场地岩土体物理力学参数表

1.4  施工进度简介

基坑的主要施工步序可归纳为6个阶段,具体如表2所示。

表2  基坑施工步序

Table 2  Construction stage of foundation

表2  基坑施工步序

2  工程难点分析

海沧大道站工程难点主要包括以下4点:

(1)该工程环境复杂,地层软弱复杂,基坑东侧靠海,受潮汐和台风影响较大,地下水位波动大,对基坑影响大,在施工中基坑防水要求高、难度大;

(2)基坑西侧三十多层高居民小区距离近,对沉降和倾斜要求高,安全风险大;

(3)基坑最深处达17m,周边复杂坏境情况,造成基坑本身稳定性要求高,控制基坑围护结构变形是工程重点;

(4)厦门市环保要求高,建设中要文明施工,保护环境,做到“零破坏”,对基坑稳定性和周边环境的影响要求极高。

3  基坑监测方案

海沧大道站作为厦门地铁2号线最先开工建设的标志性车站工程,也是盾构区间的始发井。在施工中,对基坑本身及周边环境进行实时监测,依据监测数据,进行信息化施工。本文选取基坑中部靠近大里程端较早开挖至底板的区段进行科研监测分析,监测项目包括:地表沉降DB01~DB08,共40个地表点;墙体水平位移CX01~CX08,共8个测斜孔;地下水位SW01~SW04,共4个孔;海堤水平位移HDS01~04,共4个海堤水平位移监测点;海堤沉降HDC01~04,共4个海堤沉降监测点。基坑监测点平面布设及基坑横断面监测点布设分别如图3、图4所示。

图3  监测点平面布置图

图3  监测点平面布置图

Fig.3  Floorplan of Monitoring points

图4  基坑横断面监测点布置图

图4  基坑横断面监测点布置图

Fig.4  monitoring points in cross sections of foundation pit

4  监测结果及分析

4.1  墙体水平位移

地连墙墙体水平位移是基坑开挖过程中最直接反应基坑变形趋势和变形量的监测项目,海沧大道站地处复杂地层环境下,更应关注在不同的开挖深度处地下连续墙水平位移变化规律。

从图5地下连续墙水平位移曲线可以看出,在基坑从开挖到底板浇筑期间,墙体水平位移随工况进行有增大的趋势,但各工况下墙体水平变形量均较小,水平位移最大值为24.5mm,未超30mm报警值,基坑围护结构处于安全状态。

图5  地下连续墙水平位移曲线

图5  地下连续墙水平位移曲线

Fig.5  Horizontal displacement curve of underground continuous wall

图6 最大水平位移与开挖深度的关系

图6 最大水平位移与开挖深度的关系

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

从图6可以看出,地下连续墙水平位移最大值约为0.35%基坑开挖深度,小于国外学者Peck0报道的1.0%和Clough0报道的0.6%,这可能与工程地质条件及地连墙打至基岩有一定关系。

4.2  地表沉降

地表沉降能够直观地反映出基坑在施工过程中对周边环境的影响范围和大小,通过在施工中监测地表沉降变化,来指导施工控制变形,是施工中的重要环节。文章通过对基坑周边8个监测断面进行现场监测,统计监测数据来分析基坑施工变形效应。

由地表沉降监测数据图7、图8可以看出,基坑在施工过程中,地表沉降变形较小,最大沉降量为22.4mm,小于30mm的报警控制值,基坑周边环境处于安全状态。地表沉降时程曲线在基坑开挖前,受围护结构施工和场地工程车辆影响,基本呈现上下波动状态,基坑开挖过程中,地表呈现快速沉降的过程,开挖至基底时,地表沉降基本趋于稳定变形状态。

图7  DB02断面地表沉降时程曲线

图7  DB02断面地表沉降时程曲线

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

图8  DB05断面地表沉降时程曲线

图8  DB05断面地表沉降时程曲线

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

图9  基坑横断面上地表沉降槽

图9  基坑横断面上地表沉降槽

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

由图9地表沉降槽曲线可以看出,基坑在开挖过程中,地表沉降量最大的点基本全是距离基坑7m位置处的2号测点,最大沉降量约为22.4mm。距离最近的1号点(距基坑边约2m)因土体与基坑围护结构相互作用影响,沉降量相对2号点较小。自2号点向远离基坑边方向,地表沉降呈现逐渐减小的趋势。地表沉降槽呈现“√”状。

图10  地表沉降比与基坑边距离之间的关系

图10  地表沉降比与基坑边距离之间的关系

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

从图10可以看出,文章研究基坑地表沉降影响范围较小,约为1.76倍基坑深度范围,地表沉降最大值出现在距基坑边0.5倍基坑深度位置处。通过与国外学者研究对比,Clough et al0研究基坑施工影响范围为2倍基坑深度,地表沉降最大值出现在距基坑边0.7倍基坑深度位置处。Hashash et al错误!未找到引用源。研究基坑施工影响范围为3倍基坑深度范围外,地表沉降最大值出现在距基坑边0.7倍基坑深度位置处。相比较而言,本文研究基坑影响范围较小。

4.3  地下水位变化分析

因厦门属亚热带海洋季风气候,降雨频繁,降雨量大,降雨对基坑地下水位影响较大。海沧大道站基坑位于滨海环境下,海堤距离基坑附属结构最近处约为5m,潮汐变化和台风对基坑周边地下水位影响也较大。因此,需要对基坑地下水位进行重点关注。

图11 地下水位变化时程曲线

图11 地下水位变化时程曲线

Fig.11  Time curve of groundwater level

由图11可以看出,基坑在开挖过程中,地下水位上下波动强烈,水位整体呈现上升趋势。综合考虑基坑在开挖前后施工、气候、潮汐等因素可知,水位波动强烈并呈现上升趋势主要是因在7~9月份,在此期间台风较频繁登陆福建厦门地区,造成频繁降雨,降雨造成基坑水位时常呈现快速上升趋势。从监测数据,水位累积变化最大值为2.18m,远远超过1m水位报警值,该条件下由于及时降水等措施,基坑工程施工并未出现风险事故。并且在非降水时间段,地下水位变化均较小,可以看出基坑在施工过程中防水作业效果良好,对地下水位影响较小。

4.4  海堤水平位移及海堤沉降

海堤是安全要求极高的工程,由于基坑一侧紧邻海堤,为保障海堤结构及岸上基坑和其它建筑物的安全,本文还对基坑施工中海堤结构的水平位移和沉降进行监测,具体变化情况如图12、图13所示。

图12 海堤水平位移时程曲线

图12 海堤水平位移时程曲线

Fig.12  Time curve of seawall horizontal displacementl

图13 海堤沉降时程曲线

图13 海堤沉降时程曲线

Fig.13  Time curve of seawall settlement

海堤水平位移与海堤沉降的变化规律较为复杂,并未呈现与工况直接相关性的变化,海堤的变形除了与基坑开挖相关以后,还与海域潮汐的影响联系紧密,这一点尤其在海堤沉降变化中体现明显,HDC01~04的监测数据的变形规律呈现高度一致性,因此可以推测各点沉隆的主要因素均为潮汐作用,但这方面的详细作用机理还有待于深入研究。

5  结论与讨论

文章研究厦门滨海复杂底层环境下地铁2号线海沧大道站基坑,结合现场施工概况,在总结地层环境的同时,通过现场实测数据,分析了施工引起的基坑变形规律,对以后类似地层环境下的此类基坑工程施工提供参考。

(1)地下连续墙水平位移最大值约为0.35%基坑开挖深度,地表沉降影响范围较小,约为1.76倍基坑深度范围,地表沉降最大值出现在距基坑边0.5倍基坑深度位置处,较其他软土地区,变形较小,基坑稳定性较好;

(2)滨海基坑施工中地下水位上下波动,总体呈现上升趋势,在做好基坑防水措施的同时应做好地下水位监测预警与控制措施;

(3)海堤水平位移与海堤沉降的变化规律较为复杂,海堤变形除了与基坑开挖相关以后,还与海域潮汐的影响联系紧密;

(4)本文在着重介绍了滨海复杂地层环境下长大基坑的变形分析,较常规软土地层基坑,变形规律更明显,具有研究价值;通过本文现场实测研究了该地层环境下基坑的稳定性和对周边环境的扰动影响规律,可对今后滨海地区长大基坑施工起到借鉴和参考价值,笔者下一步将通过理论和数值计算,进行细化研究和分析。

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徐娜·司小东

2016年12月

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全部评论(2)

  • potato-01发表于 12月12日 10:09现在已成过去,将来已成现在。看,能持否。
  • 好文章!!!!!
点评:
  • zhaoszh1990发表于 12月09日 16:18这家伙很懒,没有个性签名!
  • 怒抢沙发,师兄帅!
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司小东

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