庆丰路跨河隧道明挖施工基坑监测实践研究
时间：2023-03-26 21:55:05 来源：千叶帆 本文已影响人
吴远华
（浙江华东测绘与工程安全技术有限公司，浙江 杭州 310014）
深基坑开挖过程中由于坑内土体卸荷，围护结构在两侧压力差的作用下，产生水平方向位移，引起墙外侧土体的位移，同时在基坑周边产生较大塑性区，引起周边地面沉降。此外，在软土地基中进行深基坑开挖及支护时，分步开挖的空间几何尺寸和开挖部分的无支撑暴露时间与围护体、土体位移有一定的相关性。淤泥质粘土、粉质粘土地层中工作井施工时可能引发流砂的风险，在动水作用下易产生管涌、流砂，甚至造成基坑失稳坍塌。隧道工程基坑跨越河道，地下水位较高，安全风险大，极有可能产生围堰渗漏水、坑底涌水以及由于围堰内部开挖与渗漏水造成的地基土体沉降和水平位移以及由土体沉降和水平位移引起的围堰破坏，影响施工的安全和质量。
基于此，结合庆丰路（南溪东路～甪里街）线路隧道建设工程，开展跨河隧道明挖施工基坑监测方法实践研究，对基坑施工的安全性和施工的质量具有重要的意义。
庆丰路（南溪东路～甪里街）线路建设工程，南起南溪东路，北至甪里街，下穿平湖塘和嘉善塘。新建线路总长953m，其中建设隧道总长度769m，南侧敞开段长度约165m，北侧敞开段长度约178m，基坑最大深度约13m，道路宽度42m。该工程主要包括道路工程、隧道工程、排水工程及其他附属设施等组成。
该工程项目是南湖区2020年重大基础设施建设项目，是连接嘉兴东北部城市绿楔与东南片城市副中心的重要通道，也是嘉兴站与嘉兴南站连接通道的重要组成（见图1）。线路中的隧道南端连接商务商贸集群区，直通嘉兴南站；
中部穿越凤凰洲公园；
北端连接省级旅游度假区湘家荡。该隧道作为嘉兴市第一条下穿隧道，是提升城市品质功能的有机载体，也是加快东栅老街开发建设的有利保障，将助力湘家荡区域迈向“二次腾飞”。
图1 工程总体布置图
隧道工程采用明挖法施工，在粉质黏土中开挖深度大，施工难度大、工期长，并对周围环境产生较大的影响，涉及一系列岩土工程问题，主要包括深基坑开挖和降水所引起的地基土体沉降和水平位移，造成地面和相邻建筑物、道路等产生附加下沉、开裂或倾斜，导致地下管线发生侧移、沉降、甚至开裂。
2.1 基坑侧面的水平位移
基坑开挖深度范围主要为粉质黏土层。基坑开挖过程中，基坑围护结构主要承受水平方向的土压力，产生指向基坑中心方向的水平位移，导致坑外土体发生水平位移。随着开挖深度的增加，产生水平位移的范围和位移量增大，并且变形历时较长。
2.2 基坑外侧土体的固结沉降
基坑开挖过程中，由于坑内水位下降，坑内土体挖除后土体应力不平衡，造成周边土体应力重新调整以达到新的应力平衡。基坑围护结构的外侧地面上承受各种不均匀超载，由此引起基坑外侧土体产生竖向固结变形[1]，造成地面附加下沉。随着超载量的增加，沉降量亦有所增加。对于基坑降水措施，无论是坑内降水还是坑外降水，都将引起坑外土体中有效应力增大，导致土体产生附加固结沉降。基坑外侧土体的沉降量大小，主要取决于离开基坑的距离，从而使相邻建筑或道路产生不均匀沉降。
2.3 施工降水的影响
基坑施工过程中的降水措施，尤其是坑外降水，将引起土体中有效应力增大，导致土体产生附加固结沉降，造成基坑周边的相邻建筑或道路产生不均匀沉降、地下管线发生沉降或水平移位[2]。降水过程中，水流将带走一定量的砂土或粉土，可能造成土体坍塌、地面沉陷。由于动水压力的作用，地下连续墙接缝处砂土流失，将增大基坑围护结构外侧土体的变形。若施工降水范围广、降水量大、历时长，将在较长时间内形成一个施工降落漏斗，导致地下水的动力场和化学场发生变化。
3.1 水平位移监测
3.1.1 土（墙）体水平位移监测
采用测斜管测量的方法对土（墙）体的水平位移进行监测。土体测斜管安装采用钻孔法安装，墙体测斜管在钢筋绑扎时进行预安装，然后下笼浇筑混凝土。采用北京智利CX－08A型钻孔测斜仪测量，观测前应用模拟探头检查测斜管导槽通畅情况，然后启动测斜仪，将探头导轮插入测斜管的导槽内，缓缓下放直至孔底。首次测量时，探头应在孔底停留15min后开始自下而上沿孔深一定间距测读一次，记录测量深度与相应读数。然后将探头旋转180度，插入同一对导槽内放到孔底，等待5min，按上述步骤沿孔深重复观测一次。将开始观测以后的两次以上稳定观测值的平均值作为观测基准值。
3.1.2 支护结构水平位移监测
包括围护结构水平位移和冠梁水平位移，监测点采用在基坑冠梁上设置强制对中标志的形式，监测装置采用固定杆件与冠梁上埋设的固定螺栓连接，固定杆件尺寸与固定螺栓规格可根据采用的测量装置尺寸要求加工。采用徕卡TM50全站仪进行观测，采用极坐标法，变形方向以向基坑内侧为正。
3.2 竖向位移监测
3.2.1 基坑周围竖向监测
包括围护结构竖向位移、立柱竖向位移、地表沉降、房屋沉降。维护结构竖向位移在基坑各边中间部位、阳角部位、深度变化部位、邻近建（构）筑物及地下管线等重要部位、地质条件复杂部位等布设监测点；
对于出入口、风井等附属工程的基坑，每侧的监测点不少于1个。立柱竖向位移点布置在与立柱刚性连接的砼支撑表面上，采用钻孔埋设的方式，在对应立柱桩顶部的混凝土支撑上埋设直径约10mm的沉降测钉，地表沉降测点穿透道路表面结构层，将其埋设在较坚实的地层中（通常深度不小于1m），同时应设置保护套管及盖板，房屋沉降观测点布置于建（构）筑物的墙体上，一般布置于建筑物角点位置。沉降观测点的布置，应以能全面反映建筑物地基变形特征并结合地质情况及建筑结构特点确定[3]。
3.2.2 坑底沉降监测
分层沉降测量系统由三部分构成：第一部分为埋入地下的材料部分，由沉降导管、底盖和沉降磁环等组成；
第二部分为地面测试仪器——分层沉降仪，由测头、测量电缆、接收系统和绕线盘等组成；
第三部分为管口水准测量，由水准仪、标尺、脚架、尺垫等组成。观测采用JD-90型钢尺沉降仪，是通过电感探测装置，根据电磁频率的变化来观测埋设在土体不同深度内的磁环的确切位置，再由其所在位置深度的变化计算出地层不同标高处的沉降变化情况。
3.3 地下水位监测
水位孔一般用小型钻机成孔，孔径略大干水位管的直径，一般选用直径50mm左右的钢管或硬质塑料管，管底加盖密封。管底埋置深度应在最低设计水位或最低允许地下水位之下3-5m。其中潜水位孔最低允许位于地下水位之下4m；
承压水位孔管底进入承压水层。监测时采用水位监测仪，始值应采用水位计逐日连续观测水位，取至少连续3d稳定值作为初始值，水位变化量主要是查看水位孔内水位的绝对高程变化量，水位监测时先用水位计测出水位管内水面距管口的距离，然后用水准测量的方法测出水位管管口绝对高程，最后通过计算得到水位管内水面的绝对高程[4]。
3.4 支撑结构轴力监测
混凝土支撑轴力在支撑梁捆扎钢筋笼后，在上、下对撑埋设位置处用绑扎法或者焊接法连接上钢筋应力计，应力计缆线用细塑料管保护并浇筑于混凝土中。钢管支撑埋设反力计时，反力计设置在支撑端部的固定端，反力计外壳与固定端贴角围焊，并与钢牛腿贴角围焊，地墙与轴力计之间必须设置不小于20mm的加强钢板。采用振弦式钢筋测力计进行观测，基坑开挖前等混凝土支撑达到设计强度采集初始值，采集三次取平均值作为计算应力变化的初始值，同一批支撑尽量在相同的时间或温度下量测[5]。
4.1 测点布置原则
（1）土体位移、围护结构位移监测点沿基坑周边的桩体布设，根据基坑开挖节段划分，确保每节段每侧不少于一个位移监测点，布设间距为20～30m；
在基坑各边中间部位、阳角部位及其他代表性部位的桩体布设监测点，且布设在每幅地墙中部，不得在支撑位置和地墙接头、转角处布设。
（2）地下水位根据基坑开挖节段划分，短边中点、沿基坑长度方向间距20～30m布置一个测点，确保每节段每侧不少于一个坑外水位测点，坑内每节段不少于一个坑内水位测点。
（3）围护墙顶部水平、竖向位移监测点沿基坑周边的桩体布设，根据基坑开挖节段划分，确保每节段每侧不少于一个测点，短边中点、沿基坑长度方向间距20～30m布置一个测点，每边监测点不少于3个；
沉降测点与水平位移测点为共用点，基坑各边中间部位、阳角部位、深度变化部位、邻近建（构）筑物及地下管线等重要环境部位、地质条件复杂部位等布设监测点；
对于出入口、风井等附属工程的基坑，每侧的监测点不少于1个。
（4）支撑轴力布置在支撑内力较大或在整个支撑系统中起控制作用的支撑上，宜选择基坑中部、阳角部位、深度变化部位、支护结构受力条件复杂部位及在支撑系统中起控制作用的支撑；
沿基坑长度方向间距20～30m布置一个断面，并根据基坑开挖节段划分，确保每节段不少于一个断面，基坑端头斜撑应布置监测断面，在同一竖直面内每道支撑均应布设测点，布置位置在基坑内钢支撑端部、混凝土支撑1/3处且避开立柱及系梁连接位置。
（5）地表沉降沿基坑长度方向间距20～30m布置一个断面，并根据基坑开挖节段划分，确保每节段每侧不少于一个断面，每横断面上3～5个点，点距3～8m。
4.2 监测重难点及应对措施
4.2.1 跨河段监测
隧道工程基坑跨越河道，地下水位较高，安全风险大，极有可能产生围堰渗漏水、坑底涌水、以及由于围堰内部开挖与渗漏水造成的地基土层沉降和水平位移以及由土体沉降和水平位移引起的围堰的破坏。因此河道围堰、河道段地下水位、河道与河堤地表差异沉降位移、渗漏水等及时准确地进行监测较困难。
应对措施为适当增加跨河段的测点布置密度及观测频率；
在跨河段上游围堰处布置河道水位监测点，并加强河道水位、地下水位监测，避免因下雨天或其他原因导致的水位暴涨引发安全施工。
4.2.2 十字路口交叉作业
隧道工程基坑施工现场与甪里街交叉口交通繁忙，交通流量较大，周边环境复杂并处于交叉作业区，施工安全风险高。同时嘉兴夏秋季雨水多，降水量大，日温差明显，也会对工程的安全产生影响，而暴雨、高温、大雨大风等恶劣气候条件以及道路的车辆行驶，会直接影响监测工作的开展以及监测数据的质量，因为高精密的测量仪器需要较稳定的外界环境，多变的气象条件会影响仪器精度。
应对措施是在恶劣气候期间一方面要加强现场安全巡视；
另外应建立特殊环境下的监测应急措施，以备不时之需。
4.2.3 软土地基测点埋设
隧道工程基坑为软土、回填土地基，给土体深层水平位移、地下水位、监测基准点等测点布设带来许多麻烦，测点布置质量难以控制。
应对措施为土体测斜、水位钻孔时加装套筒，回填软基采用水冲等方式成孔；
基准点尽量布置在基坑影响范围外的桩基础建筑顶部或侧面；
工作基点埋设深度要足够，根据需要可钻孔埋设深桩基准点，确保基准点稳定性。
4.2.4 承压水层测点埋设
本基坑范围内地下水位布置深度有轻微承压水土层存在，在布置地下水位监测点时需采取措施，确保测点的布置及后期水位的准确性，难度较大。
应对措施是水位管入孔后，用素混凝土将承压水土层与其它水层隔离，避免水位监测数据有误。
通过对基坑进行监测后获得的监测数据可知：由于跨河段东侧止水帷幕渗漏，导致地表沉降测点DC47-3变化超限（见图2），本监测断面土体位移测点CX32（见图3）。其他各断面测点变化较小。
图2 DC47-3地表沉降累计变化曲线图
图3 CX32土体深层位移曲线图
跨河段东侧地表沉降累计变化最大的测点为DC47-3，最终沉降量为-45.82mm；
断面土体位移测点CX32最终位移变化量为58.46mm，超过报警值±36mm，最大位移深度在-7.5m处，位于第二、第三道支撑之间，测孔变形曲线呈大肚状；
出现这种情况的原因为跨河段东侧止水帷幕破坏，降雨引起土体大量渗漏导致本监测断面测量数据超限报警，后施工单位对此段进行注浆处理。
综上所述，在跨河隧道工程明挖施工过程中，所使用的基坑监测方法和监测技术能较好的反应施工过程中支护结构及周边环境的变化情况，能及时准确地对超过报警值的部位发出预警，达到确保工程安全、指导施工、验证设计参数的目的。但需对基坑跨河段及其他重点区域采取增加断面监测密度和加强观测频率等措施，通过对薄弱区域、重点区域加强监测以达到更好的监测效果。
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