花岗岩残积土层基坑开挖风险控制

陈龙文

　　2.2 水文地质
　　本次初步勘察所揭露的地下水水位埋深较浅，稳定水位埋深为0.9～6.5m。地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切,水位年变化幅度为2.5m~3m。
　　场地地下水按含水介质类型（含水层的空隙性质）不同可分为第四系浅部土层中的孔隙水和深部基岩裂隙水。孔隙水主要分布在海陆交互相沉积层、冲洪积砂层中，其含水性能与砂的颗粒级配及粘粒含量等有密切关系。基岩裂隙水主要为风化裂隙水，具微承压性。主要分布在深部岩石强、中风化带中。含水量与岩体的裂隙程度密切相关，而岩体的裂隙发育程度往往风化程度及断裂有关。
　　3、监测控制
　　3.1 监测控制标准
 

　　3.2 监测重点
　　根据本标段的实际情况会对部分危险源重点监测，加密监测。本基坑监测重点为基坑围护结构变形、支撑轴力、管线沉降、房屋沉降监测等。
　　3.3 监测项目及巡查制度
　　检测项目：根据招标文件、设计文件以及相关规范，结合我单位地铁工程中的施工及监测经验，确定镇龙北站监测内容如下表所示：

镇龙北站监测内容

序号	监测项目	位置和监测对象	测点布置	测试仪器	监测精度	量测频率
1	地表沉降	围护结构周围土体	15～20m一个	精密水准仪	±1mm	围护结构施工及基坑开挖期间1次/2天、主体结构施工期间2次/周
2	围护结构顶水平位移	围护结构上端部	沿基坑纵向10～20m一个	全站仪	±1mm	开挖及回筑过程中2次/天
3	地下水位	基坑周围	沿基坑纵向20～50m一个	电测水位计	±5mm	围护结构施工及基坑开挖期间1次/2天、主体结构施工期间1次/2天
4	围护结构变形	围护结构内	沿基坑纵向15～20m一个	测斜仪、测斜管	±1mm	开挖及回筑过程中2次/天
5	支撑立柱沉降观测	支撑立柱顶上	每层不少于5个	精密水准仪	±1mm	1次/1天
6	支撑轴力	支撑端部或中部	每层不少于10个	VW-1型频率接收仪、反力计、轴力计	≤1/100（F·S）	开挖及回筑过程中2次/天
7	土体水平位移	围护结构 周边土体	沿基坑20～50m一个	测斜仪，接收仪、测斜管	±1mm	开挖期间1次/天主体结构施工期间1次/2天
8	基坑围护结构边管线	沿管线轴向及竖向	10m一个	水准仪，经纬仪	±1mm	1次/2天

　　从第四施工段过程控制分析，2015年5月19日下午底纵梁开挖施工时数据开始发生突变，2015年5月20日监测数据墙体测斜（QTCX8）及土体测斜（TTCX23）日变量达到-10.22mm。

QTCX8最大值
	0.5m处
日期	数值(mm)	变化量(mm)	备注
2015.5.15	-12.95		报警值：60mm
2015.5.16	-14.7	-1.75
2015.5.17	-23.66	-8.96	二道撑往下开挖
2015.5.18上午	-26.96	-3.3
2015.5.18下午	-28.06	-1.1	清底并浇筑垫层
2015.5.19上午	-38.32	-10.26
2015.5.19下午	-39.54	-1.22	开挖下翻梁
2015.5.20上午	-49.76	-10.22	大雨
2015.5.20下午	-52.48	-2.72
2015.5.21上午	-56.32	-3.84
2015.5.21下午	-58.02	-1.7
2015.5.22上午	-60.16	-2.14
2015.5.22下午	-61.03	-0.87
2015.5.22晚上	-61.35	-0.32
2015.5.23上午	-62.11	-0.76
2015.5.23下午	-62.58	-0.47
2015.5.24上午	-63.45	-0.87	报警值调整为72mm
2015.5.24下午	-64	-0.55
2015.5.25上午	-66.14	-2.14	开挖第五流水段，本段做防水及防水保护层
2015.5.25下午	-67.55	-1.41
2015.5.26上午	-71.05	-3.5	第五段停止开挖
2015.5.26下午	-71.43	-0.38	绑扎底板钢筋
2015.5.27上午	-71.79	-0.36	绑到上层钢筋
2015.5.27下午	-71.92	-0.13	浇筑底板
2015.5.28上午	-73.11	-1.19
TTCX23最大值
	0.5m处
日期	数值(mm)	变化量(mm)	备注
2015.5.15	-9.19		报警值：60mm
2015.5.16	-10.69	-1.5
2015.5.17	-17.88	-7.19	二道撑往下开挖
2015.5.18上午	-21.63	-3.75
2015.5.18下午	-22.66	-1.03	清底并浇筑垫层
2015.5.19上午	-33.39	-10.73
2015.5.19下午	-37.33	-3.94	开挖下翻梁
2015.5.20上午	-42.56	-5.23	大雨
2015.5.20下午	-43.9	-1.34
2015.5.21上午	-47.6	-3.7
2015.5.21下午	-48.68	-1.08
2015.5.22上午	-50.34	-1.66
2015.5.22下午	-50.74	-0.4
2015.5.22晚上	-50.91	-0.17
2015.5.23上午	-51.45	-0.54
2015.5.23下午	-52.08	-0.63
2015.5.24上午	-52.65	-0.57	报警值：72mm
2015.5.24下午	-53.22	-0.57
2015.5.25上午	-54.54	-1.32	开挖第五流水段，本段做防水及防水保护层
2015.5.25下午	-55.51	-0.97
2015.5.26上午	-58.27	-2.76	第五段停止开挖
2015.5.26下午	-58.89	-0.62	绑扎底板钢筋
2015.5.27上午	-59.43	-0.54	绑到上层钢筋
2015.5.27下午	-60.11	-0.68	浇筑底板
2015.5.28上午	-59.9	0.21

　　2015年4月16日墙体测斜QTCX5报警1次；2015年5月4日砼支撑轴力ZCZL1-2、ZCZL6-1报警1次；2015年5月7日砼支撑轴力ZCZL1-2、ZCZL6-1报警1次；2015年5月20日土体测斜TTCX23、墙体测斜QTCX7、QTCX8、第二道支撑轴力ZCZL4-2报警1次；2015年5月21日土体测斜TTCX23、墙体测斜QTCX7、QTCX8报警1次；累计14次。

　　5.2设计嵌入深度未进入基岩原因
　　基坑的围护采用的是地下连续墙，按设计图的要求，地下连续墙的嵌入深度，进入残积层为8米，进入中风化地层为2.5米，进入微风化地层为1.5米。实际施工中，本基坑地下连续墙共176幅，大部分为进入残积层8米，只有6幅地下连续墙因基岩面起伏，进入了微风化层1.5米。理论上说，经设计给出的嵌入深度，对基坑的安全是有保证的，但对未进入基岩的地下连续墙，理论上来说，墙脚又是不稳定的。在基坑的开挖过程中，随着土体空间的变化，应力再平衡的需求，造成地下连续墙的变形是必然的。
　　实际开挖过程中，在第1施工段至第5施工段，从观测数据来分析，第三方监测是以地下连续墙脚不动为前提，监测地下连续墙的最大位移匀发生在中上部，位移数据最大点位为墙体测斜QTCX8，累计值达到-74.56mm，表现为基坑东西两侧顶部外扩。而监测给出最大的墙顶位移不大于8mm，本基坑三道支撑，上部为两道砼支撑，如果砼支撑外扩拉伸150mm，那么砼支撑就会有明显的开裂破坏的情况出现。而实际施工过程中砼支撑完好，没有出现损裂的情况，我们还原监测测斜图如下：

　　 从图中可以看到，地下连续墙位于第三道钢支撑以下，就是基坑约13m的位置到基底（约17m）的变形较为显注，墙脚表现为踢脚.这就增加了监测数据趁大的因素。
　　5.3施工过程的控制原因
　　在基坑的开挖过程中，随着土体空间的变化，地下水的流失，应力的再平衡，造成地下连续墙的变形是必然。
　　本基坑设计了三道支撑，上两道为砼支撑，降水井设计为72口，施工匀按图施作，降水井在这个层面以上起到了很好的降水作用，实际施工中，上两道支撑的施工为较为顺利的。第二道支撑以下，降水井的降水作用不明显，表现为，基坑纵向，水从砂层渗出。微观上分析，花岗岩残积层接近基岩界面，随基坑开挖的深入，越接近之，富水界面的水可以跃流浸入残积层，施工期间又遇强降水天气，基坑的主动降水和坑内的集中组织排水都无法有效实施，造成砂土液化和残积土的软化，使基坑的土体强度大幅下降，基坑墙体位移更趁显注。
　　基坑第三道为钢支撑，基坑开挖要求随挖随撑，先撑后挖。实际施工过程中，因开挖作业设备的空间限制，支撑架设存在不及时的情况。支撑架设的钢围檩与地下连续墙不密贴，背后充填施作不到位，致使墙体位移存在空间。
　　钢支撑的轴力计20至30m才设置一个监测断面，钢支撑预加轴力损失无法及时发现，附加轴力通常只在监测数据报警之后才实施，至使钢支撑应对墙体变形的作用未能有效发挥。
　　6、基坑监测数据报警应对措施
　　6.1基坑开挖过程中监测频繁报警专家会分析意见：
　　本项目第四流水段基坑正开挖到底并完成垫层及底纵梁的施工，因最近几天雨水不断且在基坑底施工，造成基坑测斜值的总量达-44.81mm至-45.28mm（基坑深度在16m范围）。从现场查看和对监测资料的分析，提出以下意见：
　　6.1.1因坑底的土体为花岗岩残积土易遇水转化，雨水作用造成土体强度降低，水土压力增大，造成变形增大为主要原因，从水平位移与测斜分析，支护墙体底部出现踢脚情况。
　　6.1.2建议在后续施工时，除及时安装第三道钢支撑外，加大预应力值，以控制墙体的弯曲变形和地连墙踢脚量。
　　6.1.3专家组认为由于基坑第一、二道支撑为砼支撑，第三道钢支撑的应力量测结果都在允许范围内，虽然下部位移超限，但从结构角度分析，支护结构是安全的。
　　6.1.4本基坑支护下段变形超限，主要是因为嵌入深度偏浅，被动抗力不足，内移约束力不够。
　　6.1.5为了减小下部内移值，专家组建议减小底板分段长度，采用速凝早强砼，缩短底板到达强度时间；加强基坑内降排水，避免残积层液化；适当加密第三道钢支撑，增大支护底部的约束力；适当加大钢支撑的预应力。
　　6.1.6在连续开挖过程中，如发现嵌入土质发生变差，应加固被动抗力区。
　　6.1.7对目前的观测资料应进一步复核，提高所提供监测资料的可信性。
　　6.1.8对于基坑周边开阔，不存在主要建筑物、构筑物和市政管线需要保护的设施，位移控制值应适当放宽。
　　6.2基坑后续开挖的施工应对措施
　　经过十多次报警会的分析和2015年5月22日科技委专家分析意见，结合前五施工段基坑开挖时的经验与教训，监理部与施工单位认真总结，后续施工段的开挖方法与措施要点如下。
　　6.2.1后续施工段施工时，开挖土方时严格按照“先支撑、后开挖”的原则，钢围檩背部必须填充密实并加设钢楔子，钢支撑预应力调整为1000KN（原设计为500KN），分三次施加。
　　6.2.2第三层土方开挖：每当开挖至钢支撑底部时，及时施做钢围檩及钢支撑,且在施工段交界处多撑一个钢管撑,并根据监测数据情况适当加密钢支撑及增加第四道钢支撑。预应力从设计图纸预加500KN调整至1000KN。
　　6.2.3第四层土方开挖：由于基底地层大部分为残积土层，遇水极易崩解，所以第四层土方开挖时要严格控制开挖速度与施工工艺，禁止基底暴露时间过长。施工垫层时将施工段分为多个“小施工流水段”，开挖时做到每个“小施工流水段”当天完成垫层施作的要求，不允许基底暴露隔夜施工垫层，且每次开挖到底时要及时施做盲沟、集水井进行有组织排水。两个施工段的交界处要进行放坡，并且组织人员沿着开挖面砌筑一道高80cm左右的砖墙，防止土体滑坡，影响底板施工。
　　6.2.4基坑开挖至基底时立即施作基底垫层，之后再进行底纵梁及接地电阻的开挖施作。
　　6.2.5如监测数据发生异常，督促施工监测、第三方监测单位加密基坑监测次数，及时掌握基坑数据变化情况。
　　6.2.6施工现场配备应急物质及设备，如开挖过程中遇到险情及时上报、及时处理。防止发生群死群伤事故。
　　6.2.7请设计结合施工现场的实际情况，在确保基坑安全的前提下，适当放宽监测数据的控制值。
　　6.2.8基坑开挖过程中，安排专职人员进行基坑周边建、构筑物、管线、马路及施工便道巡查，发现问题及时上报处理。
　　6.2.9北端头集水井施工时，在软化的基底中用沙袋圈出一个范围，并且在紧挨沙袋圈内侧向下打数根钢管，再在钢管上架设横梁，然后用混凝土将该部分浇筑硬化，作为挖机的工作平台。
　　6.2.10挖机在混凝土平台上先将主体结构原有的集水井大样挖出来，然后人工砌筑集水井砖模，砖模外侧土体尽量保持原样，作为砖模外侧的受力支点，原有土体与砖模之间的空隙采用混凝土填充（采用分层浇筑，每次浇筑高度约0.5m，等到初凝后再进行上层浇筑），内侧则用钢管撑将砖模互相对撑。然后将集水井底部超挖部分用混凝土回填，硬化后对砖模起到支撑作用。随后将基底积水及放坡面的侧向流水用盲管或明管全部引至集水坑内。然后将基底软化的部分挖掉，全部用混凝土换填。
　　7、结语
　　花岗岩残积地层工程性质复杂，差异性大；目前对该地层工程性质的认识还存在不足和差异，参建各方特别是勘察单位、设计单位应进一步认识并科学准确的总结出该地层工程特性及各项参数，解决花岗岩风化不良地层的关键是处理好水，防止基底软化崩解等情况。施工现场切实做好基坑降水工作，快速对基底进行封闭，确保基坑开挖安全。
　　参考文献：
　　[1]《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999）（2003年版）
　　[2]《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）（2003年版）
　　[3]《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009）（2009年版）