佛山市中心组团隧道深基坑工程施工安全监测与研究

佛山市中心组团隧道深基坑工程施工安全监测与研究

1项目工程建设背景佛山中心团队新城西部出口建设项目是解决禅桂新交通问题的通俗项目。它是广东省第十个省级体育活动系列的重点项目之一，也是新城最重要的出口之一。按佛山市市委、市政府的要求,该工程必须在2006年10月底建成,在第十二届省运会召开前投入使用。该工程建设方案为325国道在交叉口下穿,下沉式隧道双向四车道,单侧辅道为三车道,裕和路在交叉口处作平面交叉设计,工程路线全长636.8米,隧道长450米。该项目于2006年5月11日动工,计划工期6个月。该项目建设时间紧,任务重,技术难度较大,隧道基坑采用明挖施工,最大开挖深度达11.0m。隧道工程位于交通繁忙的佛山大道上,其车流量极大,因此隧道基坑工程的施工安全显得尤为重要。为确保工程建设过程中的施工安全及施工进度,经研究,决定设立隧道深基坑工程施工的监测与研究项目,对本复杂环境条件下的深基坑工程施工安全进行监测,采用信息化分析技术,确保施工安全与质量,促进工程施工进度。2监控系统的设计2.1基坑支护工作正常施工由于隧道工程位于交通繁忙的佛山大道(325国道)上,其车流量极大,隧道基坑两边的位移和变形将会对边上的道路行车以及附近钢材市场的进出造成直接的影响,同时,也会对现场施工人员造成危及人身安全的直接影响。另外,考虑到本项目工期紧张,该工程的实际施工顺序是在2～3隧道支撑节段土方挖至隧道底板填层下面深度后,再对基坑支护桩加撑。已挖土基坑节段的支撑工作完成前,加撑后乃至隧道底板浇筑前等时段,基坑支护结构都处于最危险的工作状态。本着“监测信息满足基坑安全施工要求,并尽可能降低监测费用”的原则,经研究后决定,对支护桩的测斜、钢筋应力检测工作忽略,提出了将内支撑的轴力与基坑支护桩墙的顶部位移变形作为监测的主要项目,辅以施工方对地下水位变化、周边路面、地面的沉降和建筑变形等测量信息作对照的施工监控方案。本项目的主要监测目的是为隧道基坑和泵房基坑施工提供安全信息,据此研究施工过程可能出现的工程安全隐患,及时提出相应的预防建议和改进的技术措施。2.2钢管支撑应力监测根据本基坑的现状及其周边的情况,基坑监测重点放在钢管支撑,东、西两侧隧道的封闭段和泵房周边。测点布置情况如下:(1)钢管支撑内力监测点:对20条钢管支撑作为受控钢管支撑,在其端部作轴力监测。(2)位移观测点:基坑周边支护桩顶冠梁处共布置40个观测点。监测过程采取的技术方法:(1)用频率读数仪测量钢管支撑表面应变计,通过标定曲线,换算成所需要的支撑拉(压)力值。(2)用全站仪对隧道及泵房基坑支护结构顶面进行位移观测。3支护结构冠梁内位移监测基坑开挖以来所开展的监测点布设与监测工作是分4个时段进行的,并分时段将监测得到的支护结构冠梁处位移和钢管内支撑轴力绘制成了动态趋势图表,对各阶段监测数据进行动态分析,并指导现场施工。3.1高危险施工状态对现场进行了全面的观察,根据监测方案的设计要求完成了控制测点的布设,并测取了所布控测点的坐标初值;同时,经过论证分析,发现在实施的支护方案中泵房部分的深基坑支护结构36m长的支撑钢管已出现了偏心受压和挠曲等不安全迹象,且随基坑土方的开挖仍在发展之中,极可能导致泵房基坑支护结构出现失稳倒塌,还会将整个隧道基坑工程施工拖入高危险施工状态,为此,我们及时提出了进行补强处理的方案,即针对泵房等关键部位的支撑结构系统,在泵房与隧道接口处增设一沿隧道侧壁的纵向钢管做担梁,通过纵向钢管担梁的吊挂限制位移的作用,减少隧道横向钢管支撑的支撑长度,提高隧道横向长钢管支撑的稳定性和承受支撑压力的能力。同时为保证泵房与隧道交接处的基坑支护结构的安全可靠,在泵房附近的WY4和WY6处(即K0+285,K0+305处)各附加一道钢支撑,强化了隧道中薄弱部位的支护结构的承载安全与变形协调能力。从而在后期多种不利于安全的工况出现时,基坑施工都得以顺利进行。这一阶段基坑两侧的累计位移量都相对较小。从监测数据来看较有规律性,即东侧和西侧的测点在位移量上具有明显的一致性,呈现出这一规律,说明对隧道段架设的钢管支撑后,支护结构的整体作用效果明显,所以能使基坑两侧的位移量保持着协调一致。随着各种机械和材料的相继进场,造成了基坑两侧的堆压荷载出现了较大差异,基坑钢管支撑的内力变化幅度也相应增大,但这些变化并没有造成位移总量、每日的变化量失去控制,不足以对基坑开挖产生安全影响。3.2基坑支护结构的内固定性隧道基坑开挖至泵房以南,即后半段。泵房以北的前半段基坑已进入防水处理和坑外基坑的砂土分层回填施工,此时,前半段隧道基坑已完全处于安全稳定状态,故停止了部份监测点的观测。由于有泵房附近的钢支撑进行加强布设,所以在泵房附近的钢支撑的整体刚度相对较大,基坑的整体性也得到了再次的加强,这种整体性的加强在监测曲线上也有所表现,即基坑中部的位移是协调的,钢管中的轴力变化量变小。由于在基坑南端一侧施工机械、基坑侧堆载相对较少,故而基坑南端在这一阶段基坑支护结构的位移量也较小。图1为基坑东侧测点位移图(7.26～8.1),图2为基坑西侧测点位移图(7.26～8.1),图3为钢支撑轴力变化图(7.26～8.1)。3.3工程施工监测这一阶段,隧道及泵房的基坑已全部开挖完毕,而且北半段隧道及泵房的基坑底板、侧壁均已完成,隧道中部的位移测点位置状态已趋于稳定,不再出现较大的位移变化量,但在隧道南端有部分测点出现过正、反向的位移,且摆幅较大;但随着基坑的回填,底板的浇筑,这些监测点位的偏移量都呈减少的趋势;此阶段雨水较多,且出现了灾难性的暴雨天气,大量的雨水浸泡对基坑而言是一个很大威胁,因而在监测数据上有明显变化。为即时掌握基坑安全的状态,在下雨天气,均加强了监测工作。在监测过程中发现有局部隧道施工段位出现过位移和轴力变化量超警戒值的现象,由于有监测信息和工程经验作指导,在经过充分研究论证判定安全的情况下,项目管理班子没有对工程采取停工措施;隧道工程施工在经历了两次长时间大暴雨侵袭、浸泡过程中,仍能在监测信息的指引下,安全有序地快速推进。图4为基坑东侧测点位移图(8.2～8.12),图5为基坑西侧测点位移图(8.2～8.12),图6为钢支撑轴力变化图(8.2～8.12)。3.4折撑过程中检测成果的应用这一阶段主要是拆除钢支撑,为施工隧道和泵房顶板创造条件。根据前期的监测成果以及基坑的实际情况,监测小组针对拆撑方案提出了多项合理建议,通过对基坑外壁的回填,加设抵承板进行侧压力的转换,制定合理的折撑顺序等。例如,提出了“先在坑外回填局部高度砂石上加铺水平混凝土肋撑,再回填砂土,最后拆除钢管支撑”的技术建议,在随后的基坑工程施工过程的监测证实,这一技术处理方法发挥了重要的作用,有效地控制住了隧道东、西两侧支护结构(在折撑时常见)的突增位移和土体的沉降变形,所以,没有因道路路面开裂或沉降变形而引起的佛山大道封路维修、基坑工程停工处理等问题的出现。为监测折撑时基坑的安全状况,我们专门为基坑北端拆除钢管支撑加设了位移测点。从这些测点所测得的数据来看,拆撑前后基坑两边的偏移量是非常少量的,这些监测结果表明采取的拆撑方案是稳妥而安全有效的。由于拆除的钢支撑先后秩序不同,支护结构通过冠梁的协调能力,将支护结构上的支挡荷载传递给尚未拆除的钢支撑,所以尚未拆除的钢支撑的轴力在拆除之前,轴压力是呈增加变化的。正是整个拆撑过程中,监测组做了全程跟踪观测的工作,并做到了及时有效提供最新的监测数据,将基坑两侧拆撑过程中的动态信息提供给施工及监理等方,使得钢管支撑的折除过程能以极稳妥、安全的方式顺利地完成。图7为基坑东侧测点位移图(8.14～9.1),图8为基坑西侧测点位移图(8.14～9.1),图9为钢支撑轴力变化图(8.14～9.1)。4支护结构的方案设计要与施工方案相结合本项目由于工程建设任务特殊,工期极短,计划工期仅有6个月,而且在工程实施过程中还受到325国道维持交通及征地拆迁等工作的影响。在当时,省内外均无类似状态的工程建设管理先例。如何采取科学、合理的手段加强管理,确保工程建设的快速、有序、安全推进,是本项目管理班子探索的课题。实践表明,通过即时的监测信息研究与交流,较好地解决了业主、监理、设计、施工、安全监督等各方对工程施工安全信息的整体掌握问题,这也是施工安全紧急响应机制得以快速启动的基础。根据监测情况提出的各种技术措施,均收到了预期的监测效果。本项目于2006年5月11日正式动工,10月底顺利建成通车。本工程采用了“先开挖、后架设钢管支撑”的施工方案。在时间紧任务重的情况下,而不得不采取这种非常的施工工序来提高基坑内土方开挖速度,这对基坑的支护与土方的开挖都带来了较大的安全风险。从施工过程中对位移、支撑力的监测情况来看,除钢管支撑系统承载能力及轴压刚度有限外,本工程中所采取的支护结构方案基本能够适应这一实际施工工艺需要,即支护桩结构在承载力方面有一定富裕,安全储备足够,为工程施工安全提供了有力保障。监测工作的筹划与落实应先于基坑工程施工。本工程由于工期非常紧迫,在不得已的情况下先开始了基坑工程的施工,后开展施工安全监测,加上施工场地条件的影响,使得监测项目的设计、测点的布置处于非常被动的状态。这对开展信息化施工是非常不利的,应尽量提前规划、一次布点,以保证信息完整。“先挖后撑”的施工方案为土方开挖施工提供了很大的作业空间,但若无信息化监测,安全隐患不易发觉,则有可能发生多种重大事故,只有在开展了施工监测,进行信息化管理施工的条件下才能确保本隧道工程施工的顺利完成。另外,根据监测过程和信息化施工的要求,对这种“先挖后撑”的方案,还应做一些技术措施上的改进,才能在其它类似本隧道深基坑工程中加以安全地应用。如,首先要在支护结构的设计中对这种工况有承载力和变形的控制验算;其次是监测设计与施工方案同步进行,以杜绝无位