市政综合管廊基坑开挖变形监测与变形分析

市政综合管廊基坑开挖变形监测与变形分析

随着城市高度密集和高利用的发展，各种地下掩埋的情况显著增加。一般来说，在城市街道上，各种管道的埋葬和管理往往是独立进行的，这给管道的检查和维护带来了许多问题，这导致了道路频繁挖掘的频繁坍塌和许多不便。为了减少这种负面影响，尽量减少其影响道路交通的功能，在现代城市规划中，道路辅助设施集中在地下结构空间（即综合城市管理走廊）上，以便统一管理。综合城市管理走廊（也称为“共同沟”）是指将城市地下管道，如电力、通信、天然气、供水、污水、加热、电视网络电脑化等集中在同一隧道空间内，并实施专门的维修孔、安装孔和监测系统，实施统一规划、设计、建设、共同维护、集中管理，形成现代、集约的城市公共基础设施。南京市河西地区的新建综合管廊,在管廊和地下人行通道相交时,往往开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,需要开挖深度超过10m,采用SMW工法支护,按照深度条件可将该段基坑归为一级基坑.基坑工程是系统工程,且涉及岩土工程三个基本问题:稳定、变形和渗流.基坑工程的变形主要由围护结构位移、周围地表沉降及基坑底部隆起三部分组成.这三者之间存在耦合关系.目前,SMW工法是一种比较新颖的基坑支护方式,限于设计理论的不足和施工工艺的差异,工程施工中进行监测,不仅可以判断基坑开挖过程合理和基坑支护的稳定性,还能为SMW工法的设计提供科学的依据.由于管廊基坑的特殊性,管廊开挖到底后,需很快浇筑混凝土底板,并开始上部结构的施工,因此没有对基坑隆起进行合适的监测与研究.本文将通过南京市河西地区某管廊的施工监测,来研究分析SMW工法支护下管廊基坑的变形规律.1基坑与工程概况天保街管廊基坑项目位于南京市河西新城南部地区,北起滨江大道,南至新河路,全长约1599.846m,设计桩号K0+000~K1+599.846,实施桩号K0+082.971~K1+599.846,不含滨江大道(K0+000~K0+082.971)、燕山路(K0+388.604~K0+444.769)和江东南路(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,桩号k0+980~k1+060,开挖平均深度10.06m,宽度5.4m,长80m,采用SMW工法桩维护.SMW工法桩冠梁使用C30混凝土,采用Φ850@600三轴深层搅拌桩,套接一孔法施工,坑内加固纵向搭接250mm,使用42.5级普通硅酸盐水泥.内插H型钢采用H700*300*13*24,强度为Q235B.1.1工程地质和水文地质概况场地内地表水主要分布于附近新建2号河道内.场地地下水为潜水和承压水,潜水主要赋存于素填土、黏土和淤泥质粉质黏土层中,富水性弱~中等,主要接受大气降水和地表水体入渗补给,勘探期间量测得潜水稳定水位埋深1.0~2.5m,相应标高为4.68~4.72m,根据地区经验,潜水年变化幅度在0.50~1.00m.承压水主要富存于砂层和含砾中粗砂性土体中,上部水体渗透和横向补给是其主要补给来源,与长江也有一定水力联系,具弱承压性.场地地表水和地下水对混凝土无结晶类、分解类、结晶分解复合类腐蚀性.场地土层物理力学性质指标见表1.1.2基坑开挖及管廊加固方案本基坑施工过程可分为以下8个工况:工况w1:施工工法桩;工况w2:土方开挖至围檩托盘底(开挖约1m),施工钢围檩及第一层钢管支撑;工况w3:土方开挖至第二层围檩托盘底(开挖约5m),施工钢围檩及第二层钢管支撑;工况w4:土方开挖至第三层围檩托盘底(开挖约9m),施工钢围檩及第三层钢管支撑;工况w5:土方开挖至基坑底标高,及时浇筑砼垫层、底板至支护桩桩边;工况w6:待地下室底板素混凝土结构达到设计强度80%后,拆除第三层钢管支撑及围檩,继续施工管廊主体结构;工况w7:待管廊主体结构达到设计强度后,土方回填至第二层支撑底,拆除第二层钢支撑及围檩;工况w8:土方继续回填至第一层支撑底,拆除首层支撑,继续回填至地面标高,并拔出型钢,空隙采用水泥浆填充.图1所示为管廊结构典型横断面.2土体深层水平位移测斜、地表沉降、支撑轴力、水位综合考虑周边环境对管廊基坑的影响,确定监测项目如下:土体深层水平位移(测斜)、周围地表沉降、支撑轴力、水位共4项.表2中列举了各监测项目的预警值.2.1管廊土体变形的“时空效应”本段管廊未开挖之时,按照《建筑基坑工程检测技术规范》的要求,布设4个监测点.选取其中两个有代表性的测斜点(CX-1,CX-2)来分析基坑的变形情况.如图2所示CX-1测斜孔,在基坑开挖3m左右,未出现较大变形.随着第一道钢支撑的施加,预加轴力的作用下,接近地面的土体水平位移向坑外发展.第一次较大变形发生在基坑开挖5m,桩后土压力增大,在第二道支撑施加之前,4~7m处均出现较大位移变形.此时最大位移为16.64mm,发生在埋深6.5m处.在0~4m出现稍微向坑外变形,但不明显.8m以下土体也没有太大变化.施工到工况四,即土方开挖至第三层围檩托盘底(开挖约9m),桩后的侧下土压力继续增大,2~12m土体发生向坑内的整体水平移动,幅度约12mm,最大值为27.98mm,出现在地下5m,达到报警值25~30mm范围内.之后施加第三道钢支撑,从而限制位移进一步扩大.待基坑开挖到坑底(约10m),浇筑混凝土垫层,进而进行管廊主体结构的底板钢筋混凝土施工,期间水平位移变化不大.直到管廊施工结束达到需要的强度,用砂土回填管廊和基坑之间间隙并注水密实后,拆除首层钢支撑,土体发生10~20mm的水平变形.由于此时基坑已经回填完成,故拆除支撑引起的变形没有危害.图3所示,CX-2测斜监测点与CX-1的变形情况很相似.当第一道钢支撑的施加后,在预加轴力作用下,表层土体出现向基坑外的变形,之后,随着基坑的不断开挖,引起土体应力释放,墙外侧土体作用于墙体的土压力趋向于主动土压力,其作用结果使得墙体向基坑内发生侧向变形,墙体的测移的结果使得墙后土体发生水平向移动.CX-2的突变发生在工况四,即土方开挖至第三层围檩托盘底(开挖约9m),施工钢围檩及第三层钢管支撑的时候.由于现场施工的不确定因素使得该处的钢支撑施加延迟,故产生的“时空效应”,导致8~12m处发生较CX-1更大的水平向位移.当3层钢支撑全部施加完成以后,在巨大的支撑轴力作用下,墙体变形被牢牢限制,直到管廊主体施工结束都没有发生过大位移.由此可以得出,基坑边角处变形较小,随后逐步增大,基坑中部附近变形最大.2.2支撑轴力监测为了确保基坑的稳定,采用振弦式反力计监测基坑重要断面的钢支撑轴力变化情况.本次轴力监测采用的是振弦式反力计,又称轴力计,是一种振弦式载重传感器.本段基坑轴力监测选择一个重点断面,该断面设有三层钢支撑,每层均架设一台轴力计.3台轴力计的标高分别为+7.0m,+3.0m和-1.0m.对应开挖深度分别为1m,5m和9m.支撑轴力的监测结果见图4.在工况二阶段施加第一道钢支撑后,由于预压应力作用,钢支撑对围护结构产生向坑外的挤压,坑外土体被压缩发生一定的变形,轴力会损失一部分.随着土层开挖,基坑的深度和长度不断增加,开挖面层以上的土体的主动土压力使得围护结构产生向坑内的变形,第一道支撑的轴力会不断增大,直到施加第二道钢支撑时,由于钢支撑之间的相互影响,第一道支撑的轴力会发生波动,呈减小趋势.此时两层支撑共同承担坑外土体的主动土压力.随着基坑不断向下开挖,第一、二层支撑的轴力值之和不断增大,第二道支撑的轴力变化在此段变化最大.在施加第三道钢支撑后,由于此时基坑已经接近开挖到底,此后的坑外土体压力值增长不大,故第三道支撑的轴力值变化幅度很小且数值小于第二道支撑的轴力值.且施加第三道支撑后,第一、二到支撑的轴力有不同程度的减小情况.基坑开挖到底后,三道支撑的轴力值相对稳定.在工况六,由于管廊底板混凝土的浇筑并达到预期强度,拆除第三道支撑,对第二层支撑轴力变化不大.至第二道钢支撑拆除后,由于管廊上部回填土质较疏松,第一道支撑的轴力会突然增大,最后又趋于稳定.2.3基坑降水监测基坑周边的地下水位与基坑结构的稳定性密切相关.如果坑外水位高于基坑底面而进行基坑开挖施工时,由于坑内外的水位差大,容易产生流沙、管涌等渗透性破坏现象.因此在地下水位以下进行深基坑开挖施工时,为了避免发生事故,就需要适当地降低地下水水位.降水的目的在于:(1)加固基坑两侧土体及坑底土体,提高土体的抗力,从而减少的底部隆起与围护结构的水平变形.(2)降低坑内土体的含水量,防止土体在开挖过程中发生纵向滑坡,方便挖机和人工在基坑内施工作业.(3)确保基坑内开挖工作环境良好,通过及时疏干基坑内地下水,提高土体的有效应力,防止坑底出现管涌、流沙现象,保证基坑安全,满足安全施工要求.从基坑开挖之前开始抽水并进行监测,图5所示,五个监测的水位在-2.8~-4.0之间浮动,基本满足降水达到坑底标高以下0.5~1m的要求.在施工过程中,不断抽取地下水.通过监测结果表明,施工过程中,周边的5个水位监测点SW-1~5变化比较均匀,最大日变化量小于500mm,累计水位变化小于2m,各监测点水位变化均没有达到报警值.2.4基坑周围地表沉降引起地表沉降的主要原因之一是支护结构的侧向位移,除此之外,其大小主要取决于横向支撑的刚度、开挖过程中的时空效应、坑底隆起和坑外降水导致的土体固结沉降等因素.总体上来说,施工中在保证坑底稳定和减少隆起的前提下,有效地控制支护结构侧向位移,地表沉降是可控制的.本段基坑周围地表的沉降监测结果如图6.可以看出,基坑开挖初期,施工降水及由此引起的渗流使土中的有效应力改变,土体发生沉降,但沉降量较小.从工况二开始到工况三,基坑开挖5m,坑外地表沉降呈现第一次较大幅度的下沉,最大沉降量9.3mm,主要由于围护结构变形引起.基坑继续开挖至9m,坑外地表的沉降出现第二次较大幅度的下降,但明显地,在第一和第二道支撑的作用下,围护结构的水平位移被限制,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.当基坑开挖到底,并及时浇筑混凝土底板,有效地控制了基坑底部隆起和围护结构的水平位移,故在管廊主体施工阶段,地表沉降逐渐趋于缓和,变化不大.3支撑轴力轴力轴力轴力轴力轴力轴力轴力轴力轴力轴力轴力轴力轴力轴力值m通过对南京市河西南部地区天保街道路的市政综合管廊基坑的监测数据分析,可以得出以下结论:1)基坑两侧土体的深层土体水平位移曲线呈现出“两端小,中间凸”的趋势,基坑最大深度约10m,水平位移最大位置发生在6~11m处,即第二层支撑以下部分的变形较大.另绝大部分的变形发生在基坑开挖过程中,因此当基坑开挖到设计支撑点位置以下1m左右时,需及时施加支撑,防止变形进一步增大.2)