陳 周，趙英龍，周巾森，裴建良，李洪濤，姚 強

(1.中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213; 2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,四川 成都 610065)

0 引言

在深豎井施工過程中,需要對豎井支護結(jié)構(gòu)及周邊地層變形進行全方位的監(jiān)測,用于指導(dǎo)豎井施工和保障施工安全。我國在20世紀90年代開始對豎井和基坑工程施工進行全方位監(jiān)測,經(jīng)過多年來的大量研究,豎井和基坑工程監(jiān)測技術(shù)得到了很大的進步和發(fā)展[1]。

王志堅和郝軍[2]基于光纖光柵傳感器的實時監(jiān)測系統(tǒng),對斷層地質(zhì)條件下的豎井井壁變形進行了監(jiān)測。趙康等[3]同樣基于光纖光柵傳感技術(shù),解決了潮濕、腐蝕井筒內(nèi)壁條件下打孔監(jiān)測難的問題。于成相和李芹濤[4]、趙喜江等[5]采用高精度三維激光掃描技術(shù),對煤礦豎井井筒變形進行了全面監(jiān)測。王鵬飛等[6]采用測斜技術(shù),對基坑支護結(jié)構(gòu)水平位移進行了監(jiān)測。陳邦鐸[7]詳細闡述了地鐵車站基坑變形監(jiān)測方案、地表沉降監(jiān)測、建筑物沉降和傾斜監(jiān)測等技術(shù)。

運用上述監(jiān)測技術(shù),學(xué)者們對豎井工程變形及破壞規(guī)律進行了大量研究。李文輝[8]、國計鑫等[9]基于現(xiàn)場變形監(jiān)測研究了倒掛井壁法施工豎井及周邊地表的變形規(guī)律。付耀宇[10]研究了地鐵工程豎井深基坑開挖的變形規(guī)律。李錦亮[11]分析了軟土地區(qū)基坑施工圍護結(jié)構(gòu)、隧道與豎井的變形特點與規(guī)律,研究了各項保護措施對減小豎井差異沉降的效果。宋許根等[12]依據(jù)程潮鐵礦地表變形、巖體變形和井筒裂縫監(jiān)測資料,分析東主井井筒變形破壞的成因。高良博等[13]基于GM模型與灰色Verhulst模型對地鐵豎井沉降變形進行了預(yù)測。

本文針對高富水砂層大直徑深豎井工程監(jiān)測變形規(guī)律鮮有研究的問題,以西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程某深豎井為工程背景,詳細說明了豎井施工變形監(jiān)測方案,并詳細分析了高富水砂層大直徑深豎井施工期圍護結(jié)構(gòu)以及周邊地層變化規(guī)律,可為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程位于河南省黃河北岸,涉及洛陽、焦作、新鄉(xiāng)三市的6個縣(市、區(qū))。工程從洛陽市吉利區(qū)西霞院水庫壩下北岸已建灌溉閘引水,通過新建一條自西向東長114.283 km的輸水總干渠,在為上游新建西霞院灌區(qū)供水的同時,將供水保證率較高的黃河水引調(diào)至武嘉灌區(qū)、人民勝利渠總干渠和大功灌區(qū),年引黃總量2.13億m3,發(fā)展灌溉面積2.08萬ha,為下游武嘉灌區(qū)、人民勝利渠及大功灌區(qū)補水面積9.34萬ha,工程布置各類渠系13條,新、改建骨干建筑物570座。其中武陟縣境內(nèi)輸水總干渠穿沁河隧洞段樁號為XZ93+204.3—XZ96+154.3,長2 850 m。線路沿方陵村以北由西向東穿越沁河至南賈村以南敷設(shè),中間下穿沁河。

出口檢修井作為盾構(gòu)接收井使用,位于南賈村以南一片楊樹林、果林及麥苗田中。檢修井直徑21.8 m,采用1 500 mm圓形地下連續(xù)墻,井底板高程為-52.76 m,井深約42.8 m。在檢修井勘探深度范圍內(nèi),地層屬第四紀新近沉積物,檢修井開挖涉及地層從上至下分別為輕粉質(zhì)壤土、重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)壤土、中細砂。沁河右岸地下水賦存于中細砂中,埋深14.2 m～22.1 m。

檢修井采用明挖順作法施工。如圖1(a)所示,檢修井采用高壓噴旋樁封底,在檢修井基坑底部形成連續(xù)的固結(jié)體,從而有效隔斷地下水與基坑的連通。高噴封底平面范圍超出地下連續(xù)墻外邊線2 m,豎向范圍為基坑底面以下10 m,成孔深度54.59 m。樁間完全搭接,不留空隙。如圖1(b)所示,盾構(gòu)接收洞口采用高噴加固措施,形成連續(xù)的塊狀固結(jié)體,實現(xiàn)加固止水作用。盾構(gòu)接收洞口加固高壓旋噴樁樁間完全搭接,不留空隙;加固范圍為長12 m,寬17 m,深19 m,最大灌漿深度42.64 m。

2 檢修井施工監(jiān)測方案

本項目所采用的測試儀器有全站儀、水準(zhǔn)儀、測斜儀等,工程監(jiān)測項目包括地下連續(xù)墻墻頂水平位移、墻體水平位移、凈空收斂變形以及地表豎向位移等,監(jiān)測點位布置圖如圖2所示。

在2021年6月25日開始監(jiān)測地表豎向位移監(jiān)測,沿豎井徑向共布設(shè)8條測線,編號分別為DBC1—DBC8,每條測線上布設(shè)8個或11個測點;在2021年7月1日開始墻頂水平位移、墻體水平位移監(jiān)測,沿周向方向布設(shè)8個測點監(jiān)測墻頂水平位移,編號為ZQS1—ZQS8,布設(shè)8條鉛直測線監(jiān)測墻體水平位移,編號為ZQT1—ZQT8;隨著豎井的下挖,逐層布設(shè)凈空收斂變形監(jiān)測點,共布設(shè)六層測點,每層四個測點,編號格式為“KJK層號-測點號”,各層凈空收斂測點布設(shè)時間與開挖進度的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。12月25日檢修井基坑內(nèi)二襯結(jié)構(gòu)已全部施工完畢。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 地表沉降分析

豎井開挖會改變附近土層的應(yīng)力狀態(tài),使土層應(yīng)力重分布,從而使豎井周圍地表產(chǎn)生豎向的沉降。因此,在豎井周圍設(shè)置了一系列的監(jiān)測點來動態(tài)監(jiān)測地表沉降規(guī)律。由于共設(shè)置了76個沉降監(jiān)測點位,為了更為清晰地展示地表沉降規(guī)律,選取豎井開挖期間部分監(jiān)測點的沉降數(shù)據(jù),繪制監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時間和空間的變化曲線。此外,監(jiān)測數(shù)據(jù)受測試儀器、監(jiān)測環(huán)境、監(jiān)測人員等因素的影響,沉降數(shù)據(jù)中會存在噪聲,本文采用小波分析[1]對數(shù)據(jù)進行了降噪處理。

首先以距離豎井最近的監(jiān)測點為例,繪制了這些監(jiān)測點位豎向位移隨時間的變化曲線,如圖4所示。其中,正值表示隆起,負值表示沉降。從圖4中可以看出,除DBC1-1測點出現(xiàn)隆起外,其余測點變形均表現(xiàn)為沉降,并且隨著豎井的開挖,豎井周圍的地表沉降也在不斷增大。地表變形主要可以分為兩個階段,9月20日以前(即開挖至23 m左右)為第一階段,主要表現(xiàn)為地表沉降持續(xù)增大;9月20日以后為第二階段,地表變形基本趨于穩(wěn)定,繼續(xù)下挖對于地表沉降的影響較小。受非均質(zhì)地層的影響,豎井周圍的地表沉降也稱非對稱、非均勻分布,測點DBC6-1,DBC7-1,DBC8-1的最大沉降量相對較大,分別為4.13 mm,4.96 mm,2.49 mm,而其余測點的沉降量均小于1.55 mm。

然后以DBC7系列的監(jiān)測點為例,繪制了這些監(jiān)測點位豎向位移隨空間位置的變化曲線,如圖5所示。圖5中部分數(shù)據(jù)表現(xiàn)為隆起,為典型的異常值,但不影響地表沉降整體趨勢的判斷。在不同的開挖深度條件下,隨著測點與地下連續(xù)墻外側(cè)距離的增加,地表沉降均呈逐漸減小的趨勢。其中距離豎井最近的地表點沉降最大,最大沉降為4.96 mm。除DBC7系列的監(jiān)測點以外,其余測線上的監(jiān)測點也表現(xiàn)出類似的規(guī)律,且最大沉降量均比DBC7-1測點的最大沉降量小。因此,地表整體的最大沉降量約為5 mm,該沉降處于安全范圍內(nèi),說明豎井開挖對周圍地表沉降的影響較小。

3.2 墻頂水平位移分析

墻頂所有監(jiān)測點在豎井開挖期間的水平位移隨時間的變化曲線如圖6所示,其中所有監(jiān)測數(shù)據(jù)均為正值,表示向豎井內(nèi)變形。墻頂水平位移規(guī)律主要可以分為兩個階段,10月10日以前(即開挖至30 m左右)為第一階段,主要表現(xiàn)為墻頂水平位移持續(xù)增大;10月20日以后為第二階段,墻頂水平位移基本趨于穩(wěn)定,繼續(xù)下挖對于墻頂水平位移的影響較小。隨測點位置變化,最大墻頂水平位移也有所差異。其中,ZQS8號測點的墻頂水平位移明顯高于其他測點,最大墻頂水平位移約為8.24 mm;而其余測點的墻頂水平位移變化規(guī)律基本一致,最大墻頂水平位移范圍為3.13 mm～5.31 mm。

3.3 墻體水平位移分析

地下連續(xù)墻典型鉛直測線在豎井開挖期間的墻體水平位移分布如圖7所示,其中正值表示向豎井內(nèi)變形,負值表示向豎井外變形。從圖7中可以看出,隨著豎井的逐漸下挖,出露的地下連續(xù)墻表現(xiàn)為向豎井內(nèi)變形,而未出露的部分變形較小。例如,當(dāng)開挖深度為10 m～20 m時,地下連續(xù)墻頂部10 m～20 m范圍內(nèi)向豎井內(nèi)變形;當(dāng)開挖深度為30 m時,地下連續(xù)墻頂部30 mm范圍內(nèi)向豎井內(nèi)變形,埋深30 m以下的地下連續(xù)墻變形很小。但是當(dāng)開挖深度超過30 m時,地下連續(xù)墻的變形趨于穩(wěn)定,不再隨開挖深度的增加而增大。對于地下連續(xù)墻變形的部分,隨著測點埋深的增加,地下連續(xù)墻的水平位移逐漸減小,其中墻頂?shù)乃轿灰谱畲?。在開挖完成后,ZQT8測線上墻頂?shù)乃轿灰谱畲?約為10 mm;而其余測線上墻頂?shù)淖畲笏轿灰葡鄬^小,約為4.5 mm;這與全站儀觀測的墻頂水平位移規(guī)律類似。

以ZQT8測線為例,圖8展示了不同埋深的測點監(jiān)測的地下連續(xù)墻水平位移隨時間的變化規(guī)律。從圖8中可以看出,僅埋深在0.5 m,10 m和20 m的測點有位移變化,而埋深超過30 m的測點幾乎沒有位移變化,受豎井下挖影響小?？梢?豎井開挖對地下連續(xù)墻變形影響的深度不到30 m。埋深0.5 m和10 m的測點在豎井下挖初期就產(chǎn)生了位移變化,在9月10日(已開挖20 m左右)變形趨于穩(wěn)定,不再受下挖影響;而埋深20 m的測點在8月10日(已開挖12 m左右)開始變形,而在10月9日(已開挖至30 m左右)變形趨于穩(wěn)定。埋深0.5 m的測點監(jiān)測到的位移最大,約10 mm,量值在可控范圍內(nèi),對豎井施工安全的影響較小。

3.4 凈空收斂變形分析

沿豎井高程方向布設(shè)了6層凈空收斂變形監(jiān)測設(shè)施,布設(shè)高程分別為8 m,15 m,21 m,26 m,35 m和40 m。其中第一層的4個測點監(jiān)測到的位移隨時間的變化如圖9所示,其中正值表示向豎井外變形,負值表示向豎井內(nèi)變形。在第一層測點布設(shè)后,監(jiān)測到的豎井變形較小,而在9月1日(開挖至17 m左右)后,第一層測點凈空收斂變形逐漸增大,在10月9日(已開挖至30 m左右)后收斂變形已達最大值,并趨于穩(wěn)定。同一層四個測點的最大收斂變形并不相同,KJK1-1,KJK1-2,KJK1-3,KJK1-4監(jiān)測到的最大收斂變形分別為-4.23 mm,-3.37 mm,-2.99 mm,-2.41 mm,其中1號測點的收斂變形最大,其余監(jiān)測層也均在1號測點出現(xiàn)收斂變形最大值。

各監(jiān)測層1號測點的收斂變形隨時間的變化曲線如圖10所示。由于第5層所有測點觀測的收斂變形以向豎井外變形為主且為大幅度三角形波形,與其余層向豎井內(nèi)變形和單調(diào)變化規(guī)律不服,為典型的異常值,因此未在圖中展示。與第一層測點的變化規(guī)律類似,其余層測點均在9月1日(開挖至17 m左右)后開始變形,而在10月9日(已開挖至30 m左右)后收斂變形趨于穩(wěn)定。此外,KJK1-1,KJK2-1,KJK3-1測點埋深小于25 m,監(jiān)測的水平位移相對較大;KJK4-1,KJK5-1,KJK6-1測點埋深大于25 m,監(jiān)測的水平位移相對較小;最上層的KJK1-1測點監(jiān)測的位移最大,隨著埋深的增加,收斂變形逐漸減小。這些變形規(guī)律與測斜儀監(jiān)測的墻體水平位移規(guī)律類似。

3.5 地下連續(xù)墻水平變形綜合分析

本項目采用全站儀、測斜儀和收斂變形監(jiān)測等多種手段對地下連續(xù)墻的水平變形進行了監(jiān)測,因此本文進一步對不同手段監(jiān)測的地下連續(xù)墻在開挖完成后的水平變形進行了對比,如圖11所示。從圖11中可以看出,不同監(jiān)測手段獲得的水平變形數(shù)據(jù)略有差異,例如部分凈空收斂變形和墻頂水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)比測斜儀所測的水平位移更大,主要原因在于墻頂水平位移監(jiān)測和凈空收斂變形設(shè)施布設(shè)在構(gòu)筑物表面,易受到施工機具設(shè)備等擾動,產(chǎn)生更大的粗差。若忽略粗差的影響,所測地下連續(xù)墻水平變形規(guī)律基本一致,且墻頂所測水平位移誤差小于0.5 mm。測斜儀所測水平變形和凈空收斂變形均表明:埋深大于30 m的地下連續(xù)墻水平變形較小,而埋深小于30 m的部分會產(chǎn)生水平位移;墻頂?shù)奈灰谱畲?除8號位置以外的最大水平位移約4.5 mm;隨著監(jiān)測點埋深的增加,地下連續(xù)墻水平位移逐漸減小。

4 結(jié)論

本文以西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程某檢修井為工程背景,對檢修井地下連續(xù)墻墻頂水平位移、墻體水平位移、凈空收斂變形和地表豎向位移進行了監(jiān)測,并基于監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了高富水砂層大直徑深豎井工程地下連續(xù)墻和周邊地層變形規(guī)律。主要結(jié)論如下:1)在不同的開挖深度條件下,隨著地表監(jiān)測點與地下連續(xù)墻外側(cè)距離的增加,地表沉降均呈逐漸減小的趨勢。其中距離豎井最近的地表點沉降最大,最大沉降為4.96 mm。當(dāng)豎井下挖至23 m左右時,地表沉降基本趨于穩(wěn)定,繼續(xù)下挖對于地表沉降的影響很小。2)隨著豎井的下挖,地下連續(xù)墻墻頂水平變形、墻體水平變形和凈空收斂變形向豎井內(nèi)變形,變形量值逐漸增大,當(dāng)下挖至30 m左右時,地下連續(xù)墻墻頂水平變形、墻體水平變形和凈空收斂變形均趨于穩(wěn)定,繼續(xù)下挖對于地下連續(xù)墻水平位移的影響很小。3)豎井開挖完成后,地下連續(xù)墻水平位移隨著監(jiān)測點埋深的增加而逐漸減小,埋深大于30 m的監(jiān)測點水平位移很小,埋深小于30 m的監(jiān)測點會產(chǎn)生相對較大的水平位移,其中墻頂?shù)奈灰谱畲?除8號測點的水平位移達10 mm以外,其余測點的最大水平位移約4.5 mm。