王龍，李亞明

（核工業(yè)二一六大隊，新疆 烏魯木齊 830011）

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，各大城市都在大力發(fā)展地鐵建設(shè)，地鐵基坑監(jiān)測變得越來越重要。樁體水平位移監(jiān)測又稱測斜，是地鐵基坑監(jiān)測的重要項目，為地鐵建設(shè)中的安全生產(chǎn)提供保障［1］。在對基坑進(jìn)行挖掘之前，基坑中的土層保持原有的平衡狀態(tài)，一旦開始挖掘，土層原有的平衡狀態(tài)就會被破壞掉，其之間的壓力也會隨即發(fā)生改變，嚴(yán)重情況會造成土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生相對形變。進(jìn)行樁體水平位移監(jiān)測對及時掌握工程的質(zhì)量以及保證工程的安全性發(fā)揮著積極的作用［2-3］。基坑工程施工安全與否，必然與實(shí)際監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析具有緊密聯(lián)系，做好預(yù)防措施，排除潛在的安全隱患，真正做到預(yù)防為主、安全第一［4］。

本文以成都地鐵某車站基坑為研究對象，對圍護(hù)樁的樁體水平位移變形曲線進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，論述了不同階段基坑施工對圍護(hù)樁樁體水平位移累計變化量的影響規(guī)律。以基坑監(jiān)測黃色預(yù)警時的各項數(shù)據(jù)異常為例，分析了監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的原因，總結(jié)經(jīng)驗，對安全施工提出了合理化的建議。

1 工程介紹

成都地鐵13 號線一期工程于2019 年8 月16 日開工建設(shè)，設(shè)車站21 座。預(yù)計一期工程將于2024 年年底建成通車。其中某一中間車站，為地下兩層局部三層島式車站，總長729 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為22 m，車站基坑深度為25～29 m，覆土厚度為2～9 m。車站大、小里程端為盾構(gòu)接收。車站平面圖見圖1。

圖1 成都地鐵某車站基坑總平面圖Fig.1 General plan of foundation pit of Chengdu metro station

車站范圍內(nèi)從上至下的地層主要為第四系人工填土層（Q4ml）、第四系中-下更新統(tǒng)冰水沉積層（Q1+2fgl）黏土和下白堊統(tǒng)灌口組（K2g）泥巖。其中上部人工填土回填時間小于5 年。該層均一性差，多為欠壓密土，自重固結(jié)尚未完成，結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度較低，壓縮性高，受壓易變形。中部黏土為弱膨脹土，自由膨脹率（FS）為48%～53%；膨脹力（Pp）為53.2～65.1 kPa，膨脹率為0.26%～0.35%，收縮系數(shù)為0.35～0.38。下部泥巖屬易風(fēng)化巖，全風(fēng)化呈土狀，局部呈碎塊狀，強(qiáng)風(fēng)化呈半巖半土、碎塊狀，軟硬不均，在場地范圍內(nèi)均有分布，具有遇水軟化、崩解，強(qiáng)度急劇降低的特點(diǎn)。該層富水性差，透水性弱—中等，自穩(wěn)定差，對圍擋支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響大。各土層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1，車站基坑地質(zhì)縱斷面圖和地質(zhì)橫斷面圖見圖2、3。

表1 物理力學(xué)指標(biāo)綜合建議值表Table 1 Suggested values of physical and mechanical indexes

圖3 車站地質(zhì)橫斷面圖Fig.3 Geological cross-section of the station

車站范圍內(nèi)地下水主要有賦存于黏性土層之上填土層中的上層滯水、黏土中的裂隙水和基巖中的裂隙水。水量受季節(jié)性變化明顯，具有雨季獲得補(bǔ)充，積存一定水量，旱季水量逐漸耗失的特點(diǎn)。

2 監(jiān)測內(nèi)容及測點(diǎn)布置

本次工作對深基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境進(jìn)行了全面監(jiān)測。監(jiān)測項目主要為樁體水平位移、地表沉降、支撐軸力等，采用現(xiàn)場巡視檢查和儀器測量結(jié)合的方式進(jìn)行監(jiān)測［5-6］。監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)總體要求見表2。

表2 監(jiān)控量測設(shè)計表Table 2 Design sheet of the monitor measurement

車站基坑采用明挖法施工。由于基坑長度較大，大、小里程分區(qū)開挖。本文選取小里程端頭測點(diǎn)CX1 進(jìn)行分析，該測點(diǎn)位于小里程端頭，短邊中部。小里程第一段于8 月底開挖，11 月18 日頂板澆筑完成?；觾蓚?cè)長邊每隔20 m 布設(shè)一個地表監(jiān)測斷面，兩個短邊各布設(shè)2 個地表監(jiān)測斷面，一共布設(shè)71 個地表監(jiān)測斷面，分別為DB1～DB71?；舆厡?yīng)布設(shè)71 個測斜孔，分別為CX1～CX71。附加71 組樁頂水平（豎向）位移監(jiān)測點(diǎn)，分別為ZQS（ZQC）1～ZQS（ZQC）71。支撐軸力在直撐處每隔30 m 布設(shè)一組，在基坑陽角斜撐部位各布設(shè)一組，分別為ZL1～ZL30?；又苓厹y點(diǎn)布設(shè)示意圖如圖4。

圖4 車站監(jiān)測布點(diǎn)示意圖Fig.4 Schematic layout of the station monitoring point

3 監(jiān)測方法

對地下連續(xù)樁體水平位移的監(jiān)測能夠直觀反映基坑開挖過程中周邊土體位移變化的情況。本次監(jiān)測儀器采用測斜儀以及配套測斜管。測斜儀是一種能有效且精確地測量樁體水平位移的工程監(jiān)測儀器，其優(yōu)點(diǎn)是精度高、量程大和可靠性好等。

3.1 測斜儀的構(gòu)成

本次工作使用的是CX-901F 型測斜儀，綜合精度為±2 mm/30 m；分辨率為0.01 m/500 mm。整套儀器由讀數(shù)儀、專用電纜、活動探頭等部分組成（圖5）。

圖5 CX-901F 型測斜儀的構(gòu)成Fig.5 Photo of the CX-901F clinometer component

3.2 PVC 測斜管的埋設(shè)

本次工作測斜管埋設(shè)采用綁扎埋設(shè)法，測斜管通過直接綁扎固定在樁體墻鋼筋籠上，鋼筋籠入槽（孔）后，澆筑混凝土。埋設(shè)就位的測斜管必須保證有一對凹槽與基坑邊緣垂直，管側(cè)空隙用砂漿進(jìn)行回填［7-8］。現(xiàn)場效果圖及測斜管凹槽方向見圖6、7、8。

圖6 綁扎法現(xiàn)場實(shí)景圖Fig.6 Scene photo of the buried inclinometer pipe

圖8 測斜管安裝方向Fig.8 Installation direction of inclinometer pipe

3.3 測斜儀的工作原理

測斜儀中的活動探頭沿測斜導(dǎo)管的導(dǎo)槽沉降或提升。測斜探頭內(nèi)加速度計傳感器可以測量導(dǎo)管在每一深度處的傾斜角度。輸出一個電壓信號，在讀數(shù)儀的面板上顯示出來。測斜儀測出的電壓信號是以測斜導(dǎo)管導(dǎo)槽方向為基準(zhǔn)，在某深度處，測斜儀上下導(dǎo)輪標(biāo)準(zhǔn)間距L 上存在一個傾斜角，該傾斜角的正弦函數(shù)可換算成水平位移（圖9）。

圖9 測斜儀工作原理示意圖Fig.9 Working principle diagram of the clinometer

如圖10 所示，加速度計敏感軸在水平面內(nèi)時，矢量g 在敏感軸上的投影為零，加速度計輸出為零；當(dāng)加速度計敏感軸與水平面存在一個傾角θ 時，加速度計輸出一個電壓信號［7］。

圖10 測斜儀位移計算Fig.10 Calculation diagram of clinometer displacement

測斜管垂直于基坑方向有相差180°方向的兩個導(dǎo)槽，將探頭上的兩組導(dǎo)輪順著測斜管導(dǎo)槽放下，探頭每隔0.5 m 進(jìn)行讀數(shù)，這組讀數(shù)被稱為A+讀數(shù)。A+的計算公式如下：

式中：K0—加速度計偏值；K—加速度計靈敏度；g—重力加速度。為了消除K0的影響，可以將探頭調(diào)轉(zhuǎn)180°，在該點(diǎn)進(jìn)行第二次測量得到另一組數(shù)據(jù)A-讀數(shù)。A-的計算公式如下：

數(shù)據(jù)處理時，通過式（3）可將偏值K0消去，得到“測值”：

當(dāng)把這些遞增的水平偏差累計起來，從測孔底部開始繪制曲線，結(jié)果就是初次觀測與后來的任一次觀測之間的水平偏移變化曲線，代表此觀測期間土體發(fā)生的變形，即水平位移。如圖11 所示，從這個偏移曲線上很容易看出在某個深度正在發(fā)生偏移。

圖11 測斜孔位偏移曲線Fig.11 Deviation curve of measured hole position

4 樁體水平位移監(jiān)測的應(yīng)用

4.1 測斜數(shù)據(jù)采集

測斜管應(yīng)在測試前5 天裝設(shè)完畢，在3～5天內(nèi)用測斜儀對同一測斜管作3 次重復(fù)測量，判明處于穩(wěn)定狀態(tài)后，以3 次測量的算術(shù)平均值作為水平位移計算的初始值。

測斜探頭放入測斜管底應(yīng)等候5 分鐘，以便探頭適應(yīng)管內(nèi)溫度，觀測時應(yīng)注意儀器探頭和電纜線的密封性，以防探頭數(shù)據(jù)傳輸部分進(jìn)水。測斜觀測時，每0.5 m 的標(biāo)記一定要卡在相同位置，每次讀數(shù)一定要等候電壓值穩(wěn)定才能讀取，確保讀數(shù)準(zhǔn)確性。測斜數(shù)據(jù)采集見圖12。

圖12 測斜觀測實(shí)景圖Fig.12 Photo showing the field clinometer observation

4.2 樁體水平位移曲線圖制作

在Excel 表準(zhǔn)備數(shù)據(jù)源，可按表3、4、5 樣式保存樁體水平位移結(jié)果數(shù)據(jù)。

表3 測斜儀觀測原始記錄手簿Table 3 Original record format in clinometer observation hand book

表3 中A+、A-的數(shù)值為測斜讀數(shù)儀直接下載所得。由上文可知，測值＝（A+－A-）/2。由于本次樁體水平位移是從測斜管底部開始計算，在27 m 孔底處的本次觀測值直接等于該處測值，由底部往上，26.5 m 處本次觀測值等于該處測值加27 m 處的本次觀測值，26 m 處本次觀測值等于該處測值加26.5 m 處本次觀測值，逐漸累加到管口處。

表4 樁體水平位移日報表的主要內(nèi)容是當(dāng)天的觀測值和前一次的觀測值相減得到當(dāng)天的位移量，除以時間間隔得到本次變形速率。當(dāng)天的觀測值和首次觀測的初始值相減得到測斜管的累計位移量。同樣，將一周或一月的觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計到一張表中可以制作樁體水平位移周報表和月報表。表5 記錄了一個測斜管一個月內(nèi)的各次累計變形情況。本期最后一次觀測值減去上期最后一次觀測值，可得到本期（本月或本周）階段變形值，除以相應(yīng)間隔時間得到本期變形速率。

表4 樁體水平位移監(jiān)測日報表Table 4 Daily report of pile horizontal displacement monitoring

表5 樁體水平位移監(jiān)測月報表Table 5 Monthly report of pile horizontal displacement monitoring

表格不能直觀顯示樁體水平位移的變化情況，故繪制水平位移變化量圖可以得到位移的斷面圖，一般稱之為樁體水平位移曲線圖。在Excel表中插入圖表，選擇“帶直線的散點(diǎn)圖”。右鍵圖表區(qū)，依次點(diǎn)擊“選擇數(shù)據(jù)”、“添加系列”。系列名稱根據(jù)需要可以設(shè)置成具體監(jiān)測日期，需要注意的是，X 軸系列取不同深度的累計變形值，Y 軸系列取深度值，并且Y 軸系列值在其他系列取值時保持不變，這與常規(guī)過程線取值有所不同。繼續(xù)對圖表標(biāo)題、坐標(biāo)軸標(biāo)題、圖例、網(wǎng)絡(luò)線、系列等內(nèi)容完成個性化設(shè)置［9］，即可完成單系列深層位移曲線圖的繪制（圖13、14、15）。

圖13 添加系列值Fig.13 Add series value

圖14 系列取值設(shè)置Fig.14 Series value setting

圖15 是根據(jù)樁體水平位移測點(diǎn)CX1 不同時期的累計水平位移量數(shù)據(jù)制作而成。變形規(guī)律表現(xiàn)為由上到下在2.5 m 深度以內(nèi)向基坑外變形，2.5 m 深度往下向基坑內(nèi)變形，變形值在11.5 m 處達(dá)到最大值，隨后往基坑底部變形值逐漸變小。樁頂和基底兩端變形小、中間變形大，曲線呈鼓肚狀［10］。

圖15 樁體水平位移曲線圖Fig.15 Diagram of pile horizontal displacement

圍護(hù)樁樁體變形與基坑的每個施工階段都有著緊密的關(guān)系。土體開挖深度、開挖工序是否合理、基坑支護(hù)是否及時、開挖后土體暴露時間等都會對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不同的影響，監(jiān)測數(shù)據(jù)也會跟著變化［11］。根據(jù)施工過程，把基坑第一段分為幾個關(guān)鍵的施工階段，見表6。

表6 基坑主要施工階段Table 6 Main construction stage of foundation pit

基坑小里程第一段于8 月底開挖，選取測斜孔CX1 的7 個不同施工階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)生成CX1 的樁體水平位移曲線圖（圖15）。CX1 位于基坑小里程端頭（基坑為南北方向，線路由北向南，北面為小里程）短邊中部處?；邮┕るA段1，土體開挖深度約12 m，此時，圍護(hù)樁最大累計變形3.2 mm，出現(xiàn)在11.5 m 深度，樁整體變形不大。施工階段2，土體挖深約15 m，圍護(hù)樁在20 m 以下變形很小。相比施工階段1，在中間7～18 m 之間變形較大，上下兩頭變化較小，其中深度14 m 處累計位移增加最大，達(dá)到了6.22 mm，樁體持續(xù)向基坑內(nèi)變形。施工階段3、4 分別是基坑第一段開挖到基底和基坑底板完成。圍護(hù)樁繼續(xù)向基坑邊變形，最大達(dá)到20 mm 左右。因為基坑已經(jīng)開挖到底，再到基坑底板完成之間，圍護(hù)樁變形逐漸趨緩，兩條變形曲線十分接近。施工階段5 是基坑第一段中板搭架中，此時拆除了第三道鋼支撐，圍護(hù)樁向基坑內(nèi)發(fā)生了明顯變形。和上一階段相比，累計變化量最大處集中在8～22 m，處于第二道鋼支撐和基底之間。施工階段6、7分別是基坑第一段中板澆筑完成和頂板澆筑完成，相比于之前，圍護(hù)樁體又繼續(xù)向基坑內(nèi)產(chǎn)生了部分變形，最大累計變形量已接近控制值30 mm。原因是基坑周邊施工材料堆載較多，施工車輛較多對基坑側(cè)壁產(chǎn)生一定壓力，同時基坑支護(hù)還沒有完善。而當(dāng)基坑中板完成后，支護(hù)體系接近完善，到最后基坑頂板完成之間，樁體位移變化已經(jīng)很微小了，兩個階段的位移變化曲線幾乎是重合的。

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)異常分析

本車站地表沉降（DB）及樁體水平位移（CX）的控制值均是累計變化量為30 mm，速率為3 mm/d。本次黃色監(jiān)測預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)：實(shí)測累計值達(dá)到累計量控制值的2/3 時，且日變化速率達(dá)到變化速率控制值時。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到黃色監(jiān)測預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)時，需及時向施工單位發(fā)送黃色預(yù)警工作聯(lián)系單，同時報送項目管理單位及工程監(jiān)理單位。監(jiān)理單位會召集項目管理單位、設(shè)計單位、第三方監(jiān)測和施工監(jiān)測單位以及施工方開會，一起分析監(jiān)測數(shù)據(jù)異常原因，及時采取相應(yīng)安全措施等。

圖16 是某次黃色預(yù)警時的監(jiān)測成果情況。如圖所示，可以看出樁體水平位移監(jiān)測點(diǎn)CX4在20.0 m 深度變化速率為＋2.51 mm/d，累計變化值為＋35.85 mm（樁體水平位移“＋”值表示向基坑內(nèi)偏移，“－”值表示向基坑外偏移），同一監(jiān)測斷面的地表沉降監(jiān)測點(diǎn)DB4-1 變化速率為－2.30 mm/d，累計變化值為－29.5 mm，均接近黃色預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。CX6 在13.0 m 深度變化速率為＋2.33 mm/d，累計變化值為＋23.40 mm，同一斷面的地表沉降監(jiān)測點(diǎn)DB6-2 變化速率為－5.90 mm/d，累計變化值為－43.0 mm，超過變化速率3mm/d，累計變化量30mm 的控制值限值，達(dá)到黃色預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。兩個斷面之間的支撐軸力監(jiān)測點(diǎn)ZL1-4 變化速率為＋81.07 KN/d，測值1768.2 KN，超出監(jiān)測限值50～1450 KN 區(qū)間范圍。我們可以發(fā)現(xiàn)，各測項之間是有關(guān)聯(lián)的，當(dāng)樁體水平位移監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)異常時，同一監(jiān)測斷面的其他測項很可能會同時出現(xiàn)監(jiān)測數(shù)值異常［12］。在基坑監(jiān)測作業(yè)過程中，因為施工影響，部分監(jiān)測點(diǎn)會出現(xiàn)占壓、破壞等情況無法測量，如本次DB2-2、DB8-3 等被吊車或施工材料占壓無法測量。這時同一斷面的其他測項的測量就顯得尤為重要了。

圖16 某一監(jiān)測斷面監(jiān)測點(diǎn)平面圖Fig.16 Monitoring site plan of a monitor level

經(jīng)分析，本次監(jiān)測數(shù)據(jù)異常的原因主要有以下幾點(diǎn)：

1）監(jiān)測數(shù)據(jù)異常出現(xiàn)在基坑第一段和第二段范圍內(nèi)。第一段開挖約26 m，正在清底準(zhǔn)備澆筑墊層。第二段開挖約24 m，接近基坑底部（設(shè)計深度26 m）。開挖方式為倒土方式出土，導(dǎo)致土壓力突然卸載，圍護(hù)樁樁體受力突然加大，造成樁體水平位移量變大。建議加快第一段結(jié)構(gòu)底板施工，第二段通過調(diào)整臺階開挖，拉槽分層開挖，留反壓土，使支護(hù)結(jié)構(gòu)緩慢釋放周邊土壓力［13-14］。

2）基坑周邊堆載鋼支撐較多，有吊車作業(yè)，荷載和動載影響較多。建議施工單位清理基坑周邊堆載物，將其挪移出影響范圍［15］。

3）基坑周邊地質(zhì)條件不好，基坑上部位于回填區(qū)域且有膨脹性巖土，隨著基坑開挖深度增大，樁體水平位移累計值不斷加大?？梢圆扇〖皶r支護(hù)，增加并撐和增加鋼支撐層數(shù)的方法，還可以埋設(shè)注漿管，注漿加固土層。

4）距基坑邊約15 m位置地表發(fā)現(xiàn)寬度約1 cm裂縫，長度約25 m，在硬化層的分塊澆筑交接面，雨季降水較多，地表有裂縫時，雨水滲漏，對基坑安全有一定影響。建議施工單位及時填補(bǔ)周邊地表裂縫，防止雨水進(jìn)入。

通過本次研究，對安全施工提出以下建議：

1）基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變化體現(xiàn)在沉降、支撐軸力、樁頂水平位移、樁體水平位移、水土壓力等多個方面，只有把所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析，才能更好的得出準(zhǔn)確的結(jié)果。

2）在本工程的監(jiān)測過程中，有出現(xiàn)其他監(jiān)測項目數(shù)據(jù)正常，但樁體水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)異常的情況。所以監(jiān)測時盡量不要漏項，才能盡可能的杜絕各種安全隱患。

3）基坑開挖時，施工方必須嚴(yán)格按照施工設(shè)計，合理安排施工周期，禁止超挖，及時架設(shè)鋼支撐，最大程度減少基坑無支撐時間。

6 結(jié)論

1）當(dāng)圍護(hù)樁埋深大于基坑開挖深度時（如本文中CX1埋深27 m，基坑第一段深度22 m），圍護(hù)樁樁體向基坑內(nèi)變形，并且在樁頂和基底兩端變形小、中間變形大，曲線呈鼓肚狀。

2）當(dāng)基坑支護(hù)未完善時拆除鋼支撐，圍護(hù)樁樁體會向基坑內(nèi)產(chǎn)生明顯的變形。當(dāng)基坑中板完成后，圍護(hù)樁樁體幾乎不會再發(fā)生較大變形。

3）為保證施工安全，基坑開挖時，施工方必須嚴(yán)格按照施工設(shè)計，合理安排施工周期，最大程度減少基坑無支撐時間；樁體水平位移監(jiān)測時盡量不要漏項，所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)均需綜合分析。