基于监测信息平台的地铁车站基坑围护结构深层水平位移分析探讨

陈晓丹(广州地铁设计研究院有限公司,广东广州 510010)

基于监测信息平台的地铁车站基坑围护结构深层水平位移分析探讨

陈晓丹∗
(广州地铁设计研究院有限公司,广东广州 510010)

摘 要:利用广州地铁监测信息平台,对10个地铁车站基坑围护结构深层水平位移监测数据进行统计分析,定量上统计水平位移数据参数,定性上划分出围护结构深层水平位移八种典型曲线形态。提出对于深层水平位移监测数据分析,应包括曲线形态。结合统计结果和工程情况提出分析和建议。

关键词:基坑监测;深层水平位移;监测信息平台

1　概 述

对于基坑开挖施工过程围护结构深层水平位移的监测,一般采用预埋测斜管,通过测斜仪观测各深度位置水平位移的方法。工程上常将这种深层水平位移监测方法称为“测斜监测”。桩身水平位移监测是目前基坑施工安全控制中最重要有效的监测方法[1],深层水平位移监测能够对孔位的墙(桩)体全高度进行水平位移测试。

本文统计项目为广州地铁5号线土建施工第三方监测Ⅱ标段车站基坑,工程范围上覆第四系地层,主要由全新统和上更新统人工填土、海陆交互相沉积层、冲洪积层和残积层组成,下伏基岩为白垩系沉积层和震旦系变质岩。区域内基坑工程面临主要不良地质作用有砂土、软土、白垩系残积层和花岗岩风化层遇水软化等。区域内地下水丰富、埋深浅,一般水位埋深为地面下1 m～3 m,水位受季节、潮汐影响明显。地下水赋存方式有第四系孔隙水和基岩风化裂隙水。各车站基坑支护结构设计概况如表1所示。

各基坑支护结构设计概况 表1

2　监测要求及监测信息平台

2．1测点布设

沿围护结构间隔20 m～30 m布置测斜管,测斜管埋设位置重点选择位移较大(或危险)的位置。测斜管埋设质量控制重点一是要连接畅通;二是要保证埋设深度,使孔底要进入稳定地层;三是要做好标示和保护。

2．2监测周期和频率

基坑第三方监测频率,一般情况下间隔时间不超过7 d,在开挖阶段,间隔时间不超过3 d,特殊情况下每天1次,基坑出现险情时需根据实际情况进行不限次数观测。监测至车站主体结构施工完成以及土体回填完毕为止。

2．3报警值设置

监测设置报警值为累计水平位移超过25 mm ～30 mm,位移速率超过2 mm/ d。

2．4监测信息平台

监测信息反馈是动态管理的基础,信息反馈手段包括电话通知、书面文件、网络通讯等。为提高监测信息反馈水平,广州地铁5号线专门开发了地铁监测信息平台[2]。业主要求监测单位在现场监测完成后6 h内将监测数据上传至信息平台,使有关方面可以通过先进的网络信息手段,及时了解监测情况,查询监测的历史数据,对提高监测信息反馈速度和质量发挥了重要作用。近年来监测信息系统应用越来越多[3]。

文献[4]介绍了广州地铁5号线开发的监测数据信息平台。平台结构划分为三层(如图1所示):①数据采集层:工程资料、人工或自动监测数据采集记录并上传;②数据中心层:工点图形设计功能、系统权限管理功能、数据分析预测功能、系统数据修改功能、平差处理计算功能和监测报表生成功能;③用户使用层:监测数据预警功能、本期数据查询功能、历史数据查询功能、图形曲线查询功能、数据使用提示功能和工程进度查询功能。

图1　监测信息平台结构框图

本线路工程施工中,监测结果通过信息平台快速反馈给管理部门和施工现场,达到报警时系统自动进行判别报警,有关方面及时采取了相应的应对措施,全部工程安全建成。

本文利用该平台数据查询功能,进行多基坑监测数据的统计,利用大数据对基坑围护结构体深层水平位移规律进行分析。

3　监测数据统计及分析

3．1监测数据统计

参加统计基坑数量10个,测斜孔179个,主要统计累计位移和位移速率两项指标,数据统计结果如表2所示。

从表2可以看出,参加统计的基坑平均开挖深度18．5 m,累计位移最大值74．4 mm,单日最大位移量9．1 mm,最大位移位置大部分在中间偏下位置。达到报警值孔数有70个,占统计孔数的39%。每个基坑均有墙体累计水平位移和位移速率达到报警值,部分基坑累计位移较大,位移速率也较大。

从统计结果还可以看出,对于设置内支撑体系的地铁车站基坑,开挖到一定深度以后,围护结构体水平位移最大值一般出现在基坑开挖深度的中部以下位置。

根据统计结果分析,虽然全部基坑工程实现安全施工,但部分基坑累计位移最大值和位移速率最大值较大,达到报警状态的测孔数量也较多,应提高设计安全度,加强施工控制措施,将位移总量和位移速率控制在更小范围内,更好规避施工风险,确保工程安全。

本项目以监测为依托的工程动态管理实践证明,深层水平位移监测在反映基坑安全状态、指导基坑动态设计和动态施工控制方面发挥了重要作用。

3．2深层水平位移典型曲线形态

监测过程中,除了根据深层水平位移监测结果当前的水平位移累计值、变化速率和历史数据判断围护结构的安全性外,对墙体深层水平位移变化曲线形态进行观察分析,可以更好地判断监测结果的合理性和可靠性,结合设计和施工情况,分析位移发展原因,提出工程建议措施。

正常曲线形态是基坑支护设计、施工控制、水文地质和周边环境等的综合反映,曲线形态与这些影响因素应相符合,否则应分析原因。

本文利用广州地铁监测信息平台图件曲线查询功能,对测孔深层水平位移曲线状态进行观察研究,列出工程测试中出现的几种典型曲线形态(如图2所示),提出各形态曲线产生原因和应采取的对策措施(如表3所示)。

图2和表3将测孔深层水平位移曲线划分为8种典型曲线形态,第1种～4种曲线形态属正常测试形态,第4种～5种形态需认真分析,判断是正常测试结果还是测试偏差,第7种～8种形态属测试偏差。实际工程中的测试曲线,有可能是其中某种形态,也有可能是其中两种或多种形态结合的结果。

图2　深层水平位移八种典型曲线形态

序号曲线形态名称　曲线形态描述　产生原因分析　　对策措施1　喇叭状从上到下呈从大到小的渐变曲线,曲线呈向上张开的半喇叭口状。设计围护结构为悬臂形式;未及时施加首层支撑。重点注意顶部位移发展情况;尽快施加第一道支撑。2　中鼓状中部鼓出,呈抛物线状。鼓出位置处于开挖面上部,随着开挖深度的加大逐渐下移。内支撑施工时常见情况。与开挖进度和设计参数比较,判断位移量是否处于正常范围值。3　底鼓状中下部鼓出段较长,水平位移总量大。纵向支撑间距过大;超挖、未及时架设内支撑;设计支撑刚度不够。提醒现场单位严禁超挖,及时设置支撑或加密支撑布置;判断位移量是否处于正常范围值;观测围护结构是否出现水平向裂缝。4　反向位移(顶部)向基坑外位移。基坑偏压受力;岩土层结构面有规律倾斜;支撑应力过大。与墙顶水平位移位移测点观测结果进行比较,并分析原因。5　不规则　不规则曲线,多呈波浪形。墙体刚度较小,支撑位置位移相对较小;地层影响。复测并分析原因,注意结合支撑位置、附近土层情况进行分析。6　错动状　错动情况。测斜管或围护结构出现错动。复测并分析原因。

7　底部转动从底部起曲线即开始倾斜,测出的水平位移值偏小。测斜管埋设深度不够,管底部已有位移。埋管时底部应进入不动部位一定深度。可结合围护结构顶部水平位移点位移情况进行修正。8　始齿状　初始几个测点的变化不规则。测斜传感器在孔底静置时间不够,传感器状态未稳定即开始测试。复测。严格按照深层水平位移操作细则作业。

测试曲线使用前需初步判断测试结果是否正常合理。水平位移监测数据质量的一个重要条件,是深层水平位移曲线底部应有一段垂直线段,靠近开挖面时,曲线逐步倾斜弯曲,这表明测斜管底部埋设至不动地层,靠近开挖面时围护结构开始逐渐产生位移。如果深层水平位移曲线底部一开始就出现倾斜,说明测试起点处于已发生位移位置,整个测斜孔的监测数据会产生偏差,结果分析时需考虑该因素,必要时进行数据修正。另外,孔底开始观测数据不正常跳跃(曲线反映为锯齿形状),应是测斜传感器在孔底静置时间不够,传感器温度处于变化状态即开始测试,影响测试数据的准确性。

从曲线形态分析可以看出,对于深层水平位移监测数据,除了常规上对累计位移量、位移速率以及历史数据的分析,还应包括曲线形态的分析,这四个方面都是必不可少的。人们往往关注累计位移量、位移速率和历史数据分析,缺乏对曲线形态的分析,这样对监测结果的分析是不够全面的,难以查明位移产生的原因,从而采取有效对策。监测人员需不断总结经验,测试数据出来后首先判断测试结果是否合理可靠,然后根据监测数据分析四个方面特征,结合工程情况综合思考,提出针对性强的分析意见和建议。

3．3深层水平位移影响因素

利用监测信息平台,结合工程实际情况,我们分析了影响地铁基坑围护结构深层水平位移的因素,主要包括以下几个方面:

一是支护方式的影响。地铁车站基坑围护结构主要采用连续墙和围护桩两种形式。连续墙结构整体性好,特别是防水性能好,适应性好,对施工安全控制有利,但造价较高。采用围护桩结构桩间止水处理难度较大。

二是地层条件的影响。地层条件的影响明显,出现位移较大的基坑,大都软土厚度较大。个别基坑在开挖初期就有明显的位移,基坑开挖深度仅4 m,就发现明显的水平位移,经及时采取措施后位移才得到控制。

三是施工控制的影响。设计工作完成后,施工措施是影响位移最主要的因素。除了开挖卸载引起预料中的位移外,影响最明显的是支撑架设的时机。监测中部分基坑多次发现超挖引起的位移异常增大,经报警提醒后,采取措施加快支撑的架设,控制了位移的继续发展。

须重视基坑施工控制中容易出现超挖的问题。如果因超挖过多,位移或结构的位移变化率太大,造成结构损伤,混凝土结构出现裂缝时,还应采取措施消除因此造成的安全隐患。

钢支撑拆除阶段,围护结构会出现一定程度的位移突变,支撑拆除后应及时监测。监测结果还表明,爆破施工也会使围护结构的位移增大。由于爆破施工原因,在同一位置多次发现超过1 mm的位移。爆破振动过大除了影响围护结构位移外,还可能会影响支撑体系稳定性,对爆破施工必须采取有效的控制措施。

监测表明,施工中超挖、支撑架设不及时是深层水平位移异常增大最重要的影响因素,应严禁超挖施工。

四是周边环境条件的影响。周边环境条件影响包括附近工程施工、地面开裂造成雨水下渗、周边地下给排水管线开裂渗漏、地面水系的存在和地面堆载等。

五是工程动态管理的影响。当监测发现位移出现异常情况时,必须迅速采取对策,防止位移的继续发展。通常采取的措施有:①进一步确认监测数据:包括检查仪器状态、测量记录和计算过程、工况是否吻合、必要的复测等;②信息反馈:异常情况信息要及时反馈到规定的有关部门和人员;③分析原因,采取措施:会同业主、监理、施工、设计和政府监管部门等综合分析原因,根据情况采取必要措施,控制位移的发展。

需要指出,虽然深层水平位移是反映基坑安全状况的一个最主要监测指标,但影响基坑安全的因素是多方面的,例如对围护桩形式的基坑,出现桩间涌水涌砂风险极大。要保证基坑安全,需结合其他监测数据、现场巡视等手段综合分析判断。

4　结 语

(1)本文利用工程项目开发的监测信息平台查询功能,对多个基坑围护结构体水平位移进行统计,为工程经验积累提供参考材料。作者从定量上统计这些基坑围护结构体水平位移数据,定性上划分出围护结构体水平位移8种典型曲线形态,实际测试曲线应是这8种形态中的1种,或者是其中2种或2种以上形态的组合。

(2)定量统计结果表明,本标段地铁车站基坑的设计和施工措施总体上是合理的,但安全度需加强。

(3)对定性分类得出的深层水平位移8种典型曲线形态,说明了各自的特征、产生原因,提出应采取的对策措施。提出工程上对于深层水平位移监测数据,除了累计位移量、位移速率以及历史数据的分析,还应包括曲线形态的分析。

(4)影响深层水平位移的因素是多方面的,本标段监测分析指出,施工中超挖是造成围护结构水平位移过大的最主要原因,必须重视。

(5)虽然深层水平位移是反映基坑安全状况的一个重要监测指标,但影响基坑安全的因素是多方面的。要保证基坑安全,需结合其他监测数据、现场巡视等手段综合分析判断。

参考文献

[1] 任建喜,高廷廷．地铁车站深基坑围护结构变形规律监测研究[J]．西安科技大学学报,2011(4)．

[2] 周二众,刘星,青舟．深基坑监测预警系统的研究与实现[J]．地下空间与工程学报,2013,9(1)．

[3] 郝传才．地铁监测信息系统的应用[J]．广州建筑,2006, 34(5):33～36．

[4] 孙国峰．浅谈深基坑水平位移监测[J]．科技创新导报, 2008．

Analysis and Investigation of Deep Horizontal Displacement of Metro Stations’Excavation Retaining Structure Based on Monitoring Information Platform

Chen Xiaodan
(Guangzhou Metro Design and Research Institute Co．,Ltd．Guangzhou,510010 China)

Abstract:By using Guangzhou metro monitoring information platform,the deep horizontal displacement monitoring data of ten metro stations’excavation retaining structure are counted and analysed,the parameters of horizontal displacement are counted quantitatively and eight typical curve forms of deep horizontal displacement of excavation retaining structure are divided qualitatively．The conclusion is put forward that the analysis of deep horizontal displacement monitoring data should be considered with curve forms and analysis and suggestion are made by combining with statistical results．

Key words:excavation monitoring;deep horizontal displacement;monitoring information platform

文章编号:1672-8262(2015)04-165-04中图分类号:TU196+．4

文献标识码:B

收稿日期:∗2015—04—30

作者简介:陈晓丹(1963—),男,高级工程师,研究方向为工程勘测。