深基坑变形规律现场监测_任建喜

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2008.03.026第28卷　第3期西

2008年9月安科技大学学报Vol.28　No.3Sep.2008JOURNALOFXI′ANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY

　　文章编号:1672-9315(2008)03-0445-05

深基坑变形规律现场监测

任建喜,高立新,刘　杰,张　琨,池　鹏

(西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西西安710054)＊

摘　要:给出了北京地铁某车站深基坑围护和变形监测方案,对基坑变形规律进行了现场监测研究,重点分析了基坑的水平变形、锚索内力和钢支撑轴力变化规律。结果表明,基坑开挖的深度与无支撑暴露的时间对围护桩的变形、锚索内力及钢支撑的轴力影响较大。随着基坑开挖深度的增加和钢支撑的施加,围护桩的变形形态由向坑内的前倾型曲线逐渐变为弓形。围护桩的水平位移、钢支撑的轴力也随着基坑开挖深度的增加而增大。随着钢支撑的施加,围护桩水平位移及锚索内力都趋于稳定,说明钢支撑、围护桩和预应力锚索联合支护形式能够有效地控制基坑变形,保证地铁车站安全施工。

关键词:深基坑;基坑变形;现场监测;支护形式

中图分类号:TU47　　　文献标识码:A

城市地铁建设已经成为大型城市解决交通拥挤问题重要手段,地铁车站是由于地铁车站一般位于城市的繁华路段,车站附近建筑物密集,地铁车站深基坑平面尺寸和开挖深度的增大带来一系列复杂的岩土工程问题,为保证车站安全施工,必须进行基坑围护结构变形现场监测,为维护方案的修改提供重要支撑。变形监测可以为信息化施工提供必要的数据,对安全施工意义重大。本文给出了北京地铁某换乘车站深基坑变形监测方案,完成了现场监测,研究了地铁车站深基坑变形规律。[1～5][6～10]

1　车站及工程地质

1.1　工程概况及车站结构

研究的地铁车站是为2008年北京奥运交通工程的地铁奥运支线与大型公交线路的换乘站。车站场地位于永定河冲积扇的北部边缘。原始地貌形态已人为改观,场地内现状地形较为平坦,勘探期间各钻孔标高为43.92～44.69m。该车站共为地下2层,总长101.1m(K2+222.041—K3+323.141),南北两端断面宽24.7m,中间断面宽26.7m,均为两层三跨框架结构。本站地下一层整个平面纵向划分为3个部分:中间部分为隧道和公交站台,南北两侧为集散厅;地下二层横向分为3部分:其中东西两侧为地铁区间隧道,中间为地铁-公交换乘通道,另附设排水泵房,基坑采用围护桩加锚索钢支撑支护。

1.2　岩土分层及其特征

本车站场地位于永定河冲积扇的北部边缘。根据勘察报告所揭示土层,按成因及年代分为人工堆积层和一般第四纪沉积层两大层;按地层岩性进一步分为8层。

第1大层人工堆积层:粉土填土①层:房渣土①1层;粉质粘土填土①2层。人工填土层总厚为0.70～4.00m,层底标高为40.34～43.59m。

第2大层第四纪冲洪积层:粉土③层:粉质粘土③1层;粘土③2层;粉细砂③3层。本层总厚度为7.40～13.00m,层底标高为30.51～33.93m。粉质粘土④层:粘土④1层;粉土④2层;粉细砂④3层。本层总厚度为3.80～11.90m,层底标高为22.56～26.60m。粉质粘土⑥层:粘土⑥1层;粉土⑥2层;细中砂⑥3层。卵石⑦层:中粗砂⑦1层;粉细砂⑦2层;粉土⑦3层。粉质粘土⑧层:粘土⑧1层;粉土⑧2层。＊收稿日期:2007-11-15　　责任编辑:杨忠民

基金项目:教育部科学技术研究重点项目(207119);陕西省教育厅自然科学专项科研项目(08JK362),,,,

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1.3　水文概况

本区域有3层地下水,分别为潜水、层间水和承压水。潜水、层间水和承压水以侧向径流和越流方式补给为主,以侧向径流和人工开采方式排泄。

2　深基坑围护方案

2.1　围护结构形式

综合考虑车站站址环境及周边规划情况,根据本站基坑的特殊情况,拟采用明挖施工,基坑围护有4种结构形式。

1)K2+222.041—K3+244.963段,已有基坑土方已开挖完毕,属于大屯路共构段,土方也开挖至冠梁顶标高,不需要坡面支护,冠梁以下围护结构采用 600@1000mm钻孔灌注桩+锚杆系统围护形式。

2)K3+244.963—K3+287.891段,地铁换乘车站南侧K3+288.979里程北侧之间长度60m的范围内基坑,采用从地面以下两层放坡开挖,第一层开挖深度5.8m左右,坡比为1∶1.25,该部分坡面采用人工刷坡处理,东侧采用挂网喷锚支护,西侧采用挂网喷锚加土钉围护形式以保证基坑稳定;第二层开挖深度为2m到冠梁顶标高,坡比为1∶1,采用土钉支护,冠梁顶以下围护结构采用 800@1200mm钻孔灌注桩+锚杆系统围护形式。

3)K2+287.891—K2+295.091段,地下一层采用放坡开挖,开挖深度9.7m左右,挂网喷锚加土钉围护形式,地下二层宽24.9m、深8.5m左右,采用 800@1200的钻孔灌注桩+锚杆系统。

4)K2+295.091—K3+323.141段,在地面下1.5m进行摘帽处理,长为31.350m,宽为33.299m,挂网喷锚围护,以下均采用 800@1200的钻孔灌注桩,支撑采用锚索和钢支撑系统

。

2.2　围护结构参数设计

基坑锚索设置在冠梁位置,长度为33.0m,自由段长

11.0m,锚固段长22.0m,锚固体直径为200mm,水平倾角

为20°,钢绞线3×7 S15.2,砂浆M20,拉力设计值为506.8

kN,拉力锁定值为430kN。基坑钢支撑采用3道支撑体系:

第1道钢支撑采用 600的钢管,设置在冠梁处,第2道钢支

撑采用 800的钢管,设置在桩顶以下6.35m处,第3道钢

支撑采用 800的钢管,设置在桩顶以下12.3m处。第1

道

钢支撑的设计轴力为382.3kN/m,第2道和

第3道钢支撑的设计轴力为876.5kN/m。图1　水平位移监测点布置图Fig.1　Layoutofmonitoringsitesforhorizontaldisplacement

3　监测方案

3.1　监测内容

为确保基坑施工顺利进行和基坑周围建

筑物、地下管线的安全,在基坑开挖过程中对

以下8项进行现场监测:①桩体变形;②锚索

拉力;③钢支撑轴力;④桩内钢筋应力;⑤基坑

内、外观察;⑥边坡土体顶部水平位移;⑦桩顶

位移;⑧地下水位。

重点分析图1中截面1-1围护桩变形、

锚索受力和钢支撑轴力变化规律。截面1-1剖面监测点布置如图图2所示。

3.2　监测仪器

①桩体变形采用CX系列钻孔测斜仪测量;②锚索应力采用钢弦式锚索应力计和SS—Ⅱ型频率计数器测量;③钢支撑轴力:在钢支撑的一端安装钢弦式轴力计监测支撑轴力,采用SS—Ⅱ型频率计数器测量;④护坡桩桩身内力监测采用JXG—1型钢弦式钢筋应力传感器和SS—Ⅱ型频率计数器;⑤基坑内外观察、边坡土体顶部水平位移及桩顶位移选用高精度经纬仪测量。

　　　　　　　　　第3期　　　　　任建喜等:深基坑变形规律现场监测447

3.3　观测时间与频次

观测周期、次数确定为:自开挖起,1～7d,每12h观测1次;8～15d,每天观测1次;16～30d,每2d观测1次;30d以后,每3d观测1次。当变形超过有关标准或场地变化较大时,加密观测;当大雨、暴雨或基坑荷载条件改变时及时监测;当有危险事故征兆时连续观测。根据工程进度安排,基坑监测时间与基坑施工保持同步。

4　监测数据分析

本基坑工程是由中铁电气化局西安铁路建设公司施工,本文作者组成的课题组完成了现场监测的工作并对现场监测的数据进行了分析。监测数据的分析结果如下。

4.1　桩身水平位移变化规律

自桩顶起沿桩身向下每0.5m设一个监测点,监测桩身的水平位移发展情况。现分析图1中CX1测点的监测数据。CX1测点初始值量测时间是2006-07-25,土方开挖完成时间是2006-11-04,从2006-11-05到2006-12-09,施作主体结构底板,以后拆除第3层和第2层钢支撑,监测结束。在各关键阶段,桩身主要部位的位移监测数据如表1所示。

表1　CX1测点桩身水平位移监测数据表

Tab.1　ThehorizontaldisplacementmonitoringdataofsiteCX1

深度

CX1-0

CX1-8.5

CX1-17.5

CX1-18日　　期7.25-9.06-0.06-0.810.228.20-7.88-0.34-0.620.658.21-8.50-6.86-1.400.228.31-6.39-13.34-2.360.1611.30-2.85-17.09-3.44-1.1811.14-1.67-18.36-4.06-1.3612.80-2.17-18.42-4.96-1.52mm注:+表示向基坑外倾斜;-表示向基坑内倾斜

。

各个关键施工阶段如下。

第1阶段(2006-07-23～25):基坑开挖至0.5m处,桩身水平位

移很小,满足变形要求。

第2阶段(2006-07-26～08-02):基坑开挖至1.0m处,施作第

1层钢支撑。

第3阶段(2006-08-03～08-21):基坑开挖至7.0m处,在距桩

顶6.35m处施作第2层钢支撑。

第4阶段(2006-08-22～08-31):基坑开挖至13.0m处,在距

桩顶12.3m处施作第3层钢支撑。

第5阶段(2006-09-01～11-03):基坑开挖至17.4m处,土方

开挖完成。

第6,7阶段(2006-11-04～12-08):拆除第三层和第2层钢支撑。

CX1在各个施工阶段的水平变形规律图3所示。

桩身各关键位置位移随施工过程的变化规律如图4所示,分析可

知,基坑水平位移始终向基坑内方向发展,但是由于对基坑两侧施作锚图3　各关键施工阶段CX1桩身水平位移曲线

Fig.3　Curvesofhorizontaldisplace-索和钢支撑,对水平位移的发展起到一定的限制作用,且使其有向基坑

mentofpileCX1atkeystages外回复的趋势。基坑开挖过程中,围护桩的最大水平位移与开挖深度

和时间的关系非常密切。在基坑开挖到一定深度而未架设钢支撑时,围护桩呈向坑内变形的前倾型曲线,桩顶水平位移最大。随着基坑的开挖和支撑的施加,围护桩变形曲线由前倾型逐渐向弓形变化,最大水平位移发生的部位也随之下移。基坑中部的水平位移发展最快,较桩顶大很多。基坑底部处桩身的水平位移影响较小。另外,围护桩变形最大、最危险的部位不在桩顶,而是出现在基坑中部到2/3基坑深度处,该基坑水

448　　　　　西安科技大学学报　　　　　　　　　　　　　　2008年　　平位移最大值出现在10.0m处。

4.2　锚索受力变化规律

本文选取锚索MS5为研究对象,锚索MS5于2006-07-21

安装上,于2006-07-25进行正式量测,直到2006-12-10,共

进行了114次量测。锚索MS5所受拉力随施工过程的变化曲线

如图5所示。

锚索MS5预应力设计值为506kN,拉力锁定值为430kN。从锚

索拉力变化趋势可以看出,锚索所受拉力经历两个的不同趋势的变

化,第1阶段,由于锚索本身受张拉伸长、粘结体的变形和微量滑移,

X1桩身关键部位水平位移监测曲线造成锚索预应力损失,锚索拉力降低,该阶段持续时间较短;第2阶图4　C

Fig.4　Monitoringcurvesofhorizontal段,随着基坑土方开挖和内支撑的施作,基坑西侧的基坑边坡土体和displacementofkey-sectionofpileCX1围护桩在土压力的作用下,向基坑内侧变形,这样就对锚索进行了张

拉,使锚索所受的拉力有不断增大的趋势,该阶段持续时间较长,一直到整个主体结构施工完成

。

4.3　钢支撑轴力变化规律

现以ZC3-2钢支撑为研究对象,对该基坑的钢支撑受

力变化规律(图6)进行分析。由图6可以看出,基坑开挖阶

段,钢支撑的轴力随开挖深度的增加而增加,在基坑开挖完

成后,各支撑的轴力增长速率明显下降,趋于稳定。原因是

随着土方的开挖,迎土侧主动土压力增大,而基坑开挖土体图5　锚索MS5拉力变化实测曲线卸载,被动土压力减小,导致桩身水平位移有向基坑内侧发Fig.5　MonitoringcurveoftensionofcableMS5展的趋势,所以钢支撑轴力进一步增大。从图中可以看出

,

第22测次之后,曲线波动明显,主要是因为施工扰动和温度等因素的

影响,但总体趋势基本保持稳定。结果表明:基坑施工过程中每层土

开挖完毕到施加该层钢支撑这段时间以及钢支撑拆除过程是最不利

时期,为保证基坑稳定,应尽量减小基坑无支撑暴露的时间。

5　结　论

1)基坑开挖初期变形速率较大,随开挖深度增加,速率逐渐减小,图6　钢支撑ZC-2轴力变化监测曲线到达某一深度基坑变形不再发展,基坑趋于稳定。影响深基坑稳定性的Fig.6　Monitoringcureveofaxialforce

ofsteelsupportZC3-2因素包括工程地质与水文地质条件、基坑规模、土压力、维护结构方案及

施工组织方法等。为保证基坑及周围建筑物的安全,应选择合理的基坑支护类型及支护参数,开展现场监测,采用信息化施工技术。

2)钢支撑对深基坑变形有明显的限制作用,钢支撑安装以后,由于钢支撑施作以后的支挡作用以及预加轴力的反向支撑作用,基坑变形向内侧发展速率减缓,甚至稍有向基坑外侧发展趋势,保证了基坑的稳定。钢支撑的变形受围护桩变形的影响较大,当围护桩变形增大时,钢支撑的轴力增大,钢支撑在预应力施加后,轴力变化波动较大,主要原因是由于土方开挖以及温度的影响;锚索的预应力损失有明显的时间效应,在初始阶段预应力快速损失,随后预应力缓慢的损失,最终达到一个相对稳定的状态。

3)基坑开挖的深度与无支撑暴露的时间对围护桩的变形、锚索内力及钢支撑的轴力影响较大。随着基坑开挖深度的增加和钢支撑的施加,围护桩的变形形态由向坑内的前倾型曲线逐渐变为弓形。围护桩的水平位移、钢支撑的轴力也随着基坑开挖深度的增加而增大。随着钢支撑的施加,围护桩水平位移及钢筋内力都趋于稳定,说明钢支撑能够有效地限制围护桩的水平位移,调整围护桩的受力。

4)目前,该车站基坑已顺利施工完毕,表明基坑变形监测方案是可行的。

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　In-situmonitoringondeformationlawsofdeepfoundationpit

RENJian-xi,GAOLi-xin,LIUJie,ZHANGKun,CHIPeng

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,Xi′anUniversityofScienceandTechnology,Xi′an710054,China)＊

Abstract:Thesupportingplananddeformationmonitoringplanaregivenandthein-situmonitoringstudyiscompletedonthefoundationpitdeformation,especiallyonthehorizontaldeformationofthefoundationpit,theaxialforceofanchoragecableandthesteelsupport.Theresultshowsthattheexcava-tiondepthandtheexposedtimewithoutsupportofthefoundationpitaffectmuchonthedeformationoftheretainingpiles,thetensionforceofthecablesandtheaxialforceofsteelsupport.Withtheincre-mentofexcavationdepthandtheapplicationofsteelsupport,thedeformationstateoftheretainingpilesgraduallydevelopsfromtheantevertedcurvetowardsfoundationpittobowcurve.Thehorizontaldeform-ationoftheretainingpilesandtheaxialforceofthesteelsupportincreasewiththeincrementofexcava-tiondepth.Withtheapplicationofsteelsupport,thehorizontaldeformationoftheretainingpilesandthetensionforceofcablesbecomesteady.Themultiplexsupportingplanconsistsofsteelsupport,retai-ningpilesandpre-stressedanchoragecablecancontrolthedeformationefficientlyandassureasafecon-structionofsubwaystation.

Keywords:deepfoundationpit;deepfoundationdeformation;in-situmonitoring;maintenanceform

:E,r,X,ina,,.ed