监测技术在地铁昌平线西二旗站施工中的应用及结果分析

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  【摘 要】 为保证施工安全和结构的持久稳定,在基坑支护中验证支护效果,从而确认支护参数和施工方法的正确性,监控量测一直是不可或缺的技术手段。近年来,监控量测技术在各工程领域均有广泛的应用。北京轨道交通昌平线西二旗车站,作为北京市首座在既有运营线路上加设的城铁车站,在与运营线路毗邻的深基坑施工中,全方位运用了各种监控量测技术,既对运营中的13号线的稳定性进行监测,又对深基坑变形进行监测。通过对二者监测结果的比对,使得运营线路安全和基坑安全被严格掌控。
  对运营中的13号线,采用的监测项目有路基变形监测、轨道沉降监测、防护棚基础沉降监测等八种;对毗邻13号线的西二旗站深基坑监测项目有桩顶位移监测、土锚受力监测等五种。
  新建西二旗车站施工中,重点工序即是基坑施工的关键部位,例如无支护第一步开挖阶段、锚索施工阶段、基坑见底阶段、断开支护冠梁阶段等。通过对施工过程全方位不间断的监测,密切掌控施工过程中的潜在风险,提出了解决措施,调整了施工计划,为后续工程提供了数据支持和施工经验。通过对监测结果的分析,找出了部分位移、沉降变形过大的原因所在,所提供的信息对未来类似工程具有积极的借鉴意义。
  【关键词】 监测;基坑支护;沉降;位移;锚索施工;土锚;支护;防护棚;测斜仪;变形;数据分析;建议
  为保证施工安全和结构的持久稳定,在基坑支护中验证支护效果,从而确认支护参数和施工方法的正确性,监控量测一直是不可或缺的技术手段。近年来,监控量测技术在各工程领域均有广泛的应用。本文针对北京轨道交通昌平线西二旗车站施工中风险控制措施之一的监测技术的应用,通过对其结果进行分析,从而准确的掌握了轨道及基坑的变形情况,有效的采取了针对性措施,为工程的安全保驾护航,为未来同类工程提供了数据参考。
  一、工程背景
  轨道交通昌平线工程西二旗站是路侧双侧式换乘车站,北京轨道交通昌平线的南起点,与城铁13号线的换乘站。其中昌平线为高架线,现况13号线为地面线,新建车站为半地下一层、地上二层四柱三跨车站,长度为150m,宽度为54.8m,高度为20.1m,总建筑面积为16669.1m2。13号线轨道穿越施工场地,施工期间一方面要确保城铁13号线的正常运营,另一方面要确保在距离13号线西侧轨道仅7.05米的西二旗站深基坑施工安全。
  二、监控量测方法的选用
  1.选用依据及目的
  由于基坑深度较深,且毗邻13号线,基坑围护工程安全等级为一级。依据北京市标准《地铁工程监控量测技术规程》,通过监测掌握支护结构、地表及建筑物的动态,及时预测和反馈,用其成果调整设计,指导施工,并為以后工程做技术储备。
  2.主要监测内容及指标
  表2-1 13号线运行监测内容及指标
  监测项目 计量单位 点数 次数 预警值 报警值 控制值
  实时
  监测 路基沉降监测 点·次 6 2130 1.8 2.0 2.5
  轨道差异沉降监测 点·次 6 2130 1.4 1.6 2.0
  静态
  监测 轨道轨顶沉降 点·次 120 90 1.8 2.0 2.5
  轨道轨距、水平 点·次 120 90
  轨道高低、方向 点·次 120 90
  防护棚 基础沉降监测 点·次 30 90 1.8 2.0 2.5
  表2-2 昌平线基坑施工监测内容及指标
  监测项目 计量单位 点数 次数 预警值 报警值 控制值
  基坑
  监测 基坑内外观察 组日 1 90 -- -- --
  桩体水平位移 点·次 7 90 7.0(4.9) 8.0(5.6) 10.0(7.0)
  桩顶垂直位移 点·次 7 90 7.0 8.0 10.0
  土层锚杆受力 点·次 7 90
  东侧土钉墙顶
  垂直位移 点·次 7 90 2.4 2.8 3.5
  注:括号内为施工实际控制指标。
  3. 13号线运行监测方法
  对于运行中的13号线进行的监测方法在表2-1中一一列出,其中,最重要的监测项目,即可以从数据角度反映轨道位移变形的监测项目主要是实时监测项目:即路基沉降监测和轨道差异沉降监测。
  (1)路基沉降监测
  在基坑施工约150m长的变形区内,既有线线路两侧路基或路肩适当部位各布设一排静力水准仪,对运行中的线路基沉降进行连续监测。
  仪器设备采用BGK-6880型CCD高精度静力水准仪,该仪器适用于要求精度高的垂直位移或沉降监测,可精确监测到0.01mm的液位变化。仪器由一系列含有液位传感器的容器组成,多个容器间由充满液体的连通管连接在一起。基准容器位于变形影响区外稳定的基准点上,任何一个容器与基准容器间的高程变化都将引起相应容器内的液位变化。仪器采用CCD器件作为核心部件,集程控驱动、信号处理及通讯等功能于一身。具有RS485数字信号,可选配4~20mA模拟信号输出接口,方便数据的采集,并可在100%相对湿度环境下长期连续工作。
  采用静力水准仪监测路基的沉降,利用了液体联通器原理。在变形影响区外安装一台静力水准仪作为监测的基准点和起算点,将它与变形区内的静力水准仪通过联通管连接在一起,安装时将各个水准仪的基座高程调整一致,误差控制在允许范围内。当施工引起变形区内静力水准仪的联通器内液体液位发生变化时,通过静力水准仪内的CCD液位传感器将它与基准静力水准仪的液位差检出,并转换为数字化信号,进行显示、记录、储存、报警等操作。
  在既有线变形区约150m的线路两侧设置3个监测剖面,在防护棚中心线、两侧的路基、路肩等适当位置上各布设1个监测点,每侧布设结构沉降监测点3个,基准点1个;既有线左右线共布设监测点6个。安装8台静力水准仪,对线路路基的沉降进行连续监测。   (2)轨道差异沉降监测
  在既有线两条轨道之间的混凝土轨枕上,安装梁式倾斜传感器,通过监测轨道之间的倾斜,连续监测轨道的差异沉降。
  仪器设备采用JTM-U600JB电子梁式倾斜仪,配套使datertaker615数据采集仪。该倾斜仪适用于地铁隧道及其它建筑物的剖面沉降监测。仪器采用优异的数字倾斜加速度传感器作为核心器件,具有极高的灵敏度,选用合适的量程及读数设备可测量最低达到1.5秒的倾角变化。
  采用电子倾斜仪监测轨道水平方向的差异沉降,将电子梁式倾斜仪安装在两条轨道之间的轨枕上,当两根轨道之间高差发生变化时,梁式倾斜仪产生微小倾角,从而使输出电压信号发生改变,经过数据采集处理单元将倾角值转换为轨道的差异沉降。
  在左右线变形区约150m线路内设置3个监测剖面,在防护棚中心线、两侧的轨道之间分别设置轨道差异沉降监测点,每条轨道线路布设3个轨道差异沉降监测点;既有线左右线共布设监测点6个。安装6台梁式倾斜仪,对轨道的差异沉降进行连续监测。
  4.昌平线基坑监测
  在如表2-2所列出的五种基坑监测项目中,桩体水平位移监测和土层锚杆受力监测最能够反映基坑的变形情况,而二者之中又以前者最为直观。
  (1)桩体水平位移监测
  采用美国SICON公司生产的数显式测斜仪,将专用测斜管预埋入基坑护坡桩体后,利用测斜仪监测护坡桩的水平位移。
  在基坑进行打桩施工时,将测斜管绑扎在钢筋笼内一同放入桩孔内,浇筑混凝土加装保护盒等。在完成混凝土冠梁施工后土方开挖前,采用测斜仪对同一测斜管作4次重复测量,判明数据处于稳定状态后,以4次测量的算数平均值作为桩体水平位移计算的初始值,进入施工阶段后,每次监测值与初始值比较获得实际累计位移值和位移速率。
  在既有线与昌平线之间的150m长基坑护坡桩内,按照20m的间距设置7个监测剖面埋设测斜管。
  (2)土层锚杆受力监测
  对于采用桩-锚支护体系的基坑,在每层锚杆中须选择若干有代表性的锚杆进行监测,监测剖面与护坡桩相同。采用MSJ-201锚索测力计作为一次传感器,ZXY-2频率巡检仪作为二次测量仪器。在施工锚杆钻孔并注浆,水泥浆凝固后进行锚杆测力计的埋设。锁定锚杆测力计后,基坑开挖产生水平位移将引起锚杆轴力的变化,通过锚杆力的变化与护坡桩水平位移变化的监测,获得桩-锚系统的变形信息。锚杆的监测剖面与护坡桩体相同设置7个监测剖面。
  三、监控结果与评价
  1、13号线轨道与路基沉降变形
  根据监控量测方案,对重点工序施工时13号线轨道沿线路基与轨顶沉降观测数据进行汇总、整理,得出观测结果表与沉降曲线。重点工序是基坑施工的关键部位,例如无支护第一步开挖阶段、锚索施工阶段、基坑见底阶段、断开支护冠梁阶段等。(见下图3-1-图3-3)
  表3-1 重要工序工期安排与变形速率统计表
  测点 统计项目 第一步
  开挖 锚索
  施工 第二步
  开挖 3-8轴基础
  钢筋施工 断开护坡桩冠梁施工 累计变形
  (mm)
  3-8轴 施工阶段变形(mm) 0.68 0.81 1.01 1.19 0.67 4.36
  变形速率(mm/d) 0.136 0.138 0.5 —— —— ——
  图3-1 累计沉降曲线(断面一)
  图3-2 累计沉降曲线(断面二)
  根据每日监测报告整理得出变形速率和累计变形最大点位于3-8轴位置的沉降观测点,将该范围内的点沉降数据进行分类汇总,得出随时间变化变形最大点的沉降曲线,如下图3-4-图3-6所示:
  图3-3 累计沉降曲线(断面三)
  图3-3 累计沉降曲线(断面四)
  图3-4 变形最大点历时曲线图
  图3-5 变化速率最大点历时曲线图
  图3-6 轨顶沉降——时间曲线图
  2、桩体变形
  根据桩体累计变形数据,我们统计了关键时点基坑围护桩的累计位移值,绘制了桩体累计位移变形曲线图,下图是基坑开挖到底后,选取具有代表意义的桩号,并对其累计位移统计后得出的数据。
  图3-7 樁体累计位移曲线图
  四、数据分析
  1、轨道监测数据与轨顶沉降过程分析:
  (1)通过本工程实践,采用护坡桩和锚索联合形式作为支护结构。通过变形最大点的沉降曲线图可以发现,沉降最大值为4.36mm(基坑深度为6.9m处)。
  (2)从图3-6可以看出,轨顶沉降变形大致可分为三个阶段:
  阶段一:自2009年11月基坑进行土方开挖后,轨顶沉降变形较快增大,到12月底沉降变形接近4mm,变形开始趋于稳定。对应施工土方工程结束,开始进行地下结构施工。
  阶段二:随着地下结构的施工,自2010年1月开始至3月初,轨顶沉降在4mm内,震荡变形趋于稳定。
  阶段三:进入3月气温大幅回升,自2010年3月初开始,少量沉降点的沉降最大值超过4mm,在4.5mm左右震动变形,趋于稳定。
  (3)对轨顶120个沉降观测点的沉降值进行分析,变形较大的点将正在变形影响区的南北两侧,最大值出现在北侧。目前沉降值大于4mm的点有11个,南侧2个点,北侧9个点。
  主要是基坑距既有13号线过近(基坑边距13号线路基坡脚仅为2.3m)、基坑面积大、底板基础施工较慢等多种因素作用的结果。
  2、结合现场工况进行分析
  由基坑开挖过程中变形历时曲线图和相关数据可知,沉降值变化速率较大主要分布在两个施工阶段,第一阶段是3-8轴二步基坑开挖至基础混凝土浇筑之前,第二阶段是护坡桩顶部冠梁断开施工阶段。而造成这两个阶段沉降变形大的原因与施工时间正值春融,土体复苏有关。   由围护桩累计位移曲线可以看出,桩体随桩深变化位移逐渐变小,这点符合围护桩受力特征,但部分桩体位移偏向基坑外侧,这不符合围护结构特性。导致数据产生偏差的原因可能是桩体位移观测没有设置基准观测所导致的。
  五、原因分析及相关措施
  1、施工过程中的各项变形观测数据如实反映了基坑开挖过程中各项指标的变化情况,基本符合预测模型与土体变化的客观规律。
  2、基坑开挖到底以后,13号线轨道路基的沉降仍有下降趋势,是由于土壤的蠕变性质所导致,加上施工季节正值春天,冻土融化,土体变化加大,故而路基沉降最大值发生在基坑施工的最终阶段。
  3、13号线路基沉降最大值大于安全评估中模型预测最大值,其原因一方面是因为在评估预测时,对于土体荷载取值是没有加大列车运行时动荷载的安全储备。有些不可预料因素没有考虑到,例如施工期间轨道交通可能会调整列车车速或者发车频率等,因此导致预测值小于实际沉降值。另一方面原因自于轨道基础下的土体本身存在压实度不够,含水量大等因素,导致开挖过程中的土体变化与预测时的理想状态有所区别。
  4、围护桩位移变形随着桩深逐渐变小,符合客观规律,但是个别桩体仍出现了下部位移大于上部位移的现象,这与围护桩设计时桩体嵌固深度设计值小有一定关系。
  对监测数据以及土体变化规律等各方分析研究后,采取了一系列应对措施,包括加强监控量测得频率以及精度,以便于及时发现变形危险。立即调整施工计划,尽快完成3-8轴基坑基础混凝土底板施工,以控制沉降值的过快发展。
  六、结论及建议
  通过采取控制措施,效果显著,监测数据显示,沉降变化速率明显平缓;另部分数据虽然超标,但仍在可控状态,可进行到床整治。
  作为设计单位,应充分考虑現场实际情况,包括13号线动荷载、距离近等并进行稳定性验算;加大围护桩的嵌固深度。作为施工单位,首先保证严格按照设计方案实施,此外要充分发挥和利用时间效应来控制基坑变形,充分考虑土体蠕变性质,做到精心组织,科学施工。基坑变形监控时注意基准值的选取和基准点的布设,以免影响监测数据的有效性。
  在今后类似工程基坑开挖过程中,施工重点应放在基坑最深处基础混凝土的施工安排上,尽快进行基础施工和基坑回填工作,同时加强监测,随时掌握沉降变化,以及时采取相应措施;设计单位可适当加大围护结构设计安全系数;建设单要重视施工过程中的监测管理工作,如有需要,应及时进行道床整治。
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