花岗岩残积土层基坑开挖风险控制.docx

11花岗岩残积土层基坑开挖风险控制陈龙文摘 要：深基坑开挖是地铁施工过程中重大的安全风险源之一，在开挖过程中地质状况严重影响了施工进度，且对基坑开挖安全存在严重的安全隐患。本文主要阐述在全风化残基土层基坑开挖的施工控制方法关键词：明挖车站 全风化残基层 基坑开挖监测数据分析1、工程概况镇龙北站设置于九龙大道与江新路交叉路口处，沿九龙大道南北向靠东侧布置，车站采用明挖法施工，车站主体结构外包尺寸487.55m19.70m，基坑开挖深度约17.06m。基坑围护结构采用800mm厚地下连续墙+内支撑的结构形式，竖向设置三道内支撑。第一道内支撑均采用800X900 C30混凝土支撑，肋撑采用600X600 C30混凝土支撑；第二道内支撑采用900X1100 C30钢筋混凝土支撑，肋撑采用600X800 C30混凝土支撑，砼围檩截面尺寸为900X1100，端头砼斜撑截面尺寸为800X1100, 斜撑跨中系梁为400X500；第三道内支撑东、西两端采用钢筋混凝土围檩(900X900)及斜撑(800X900,跨中系梁为300X400)，其它主撑采用609mm，t=16mm的钢管支撑,对应围檩采用2根I45c型钢,钢管支撑设计预加力为500KN；三道内支撑面对应的角点均采用400mm厚的混凝土角板撑。围护结构连续墙标准墙幅6m，接头采用工字钢接头，基底处于砂质粘性土及全风化花岗岩嵌固8.0m；基坑降、排水以坑内井点降水为主，采用1000mm管井井点降水，每隔约13.5m设置一口，车站主体范围共布置72口。2、工程地质及水文地质2.1岩土分层及其特性站址范围内目前提供的工程勘探资料表明，场地工程地质相对复杂，淤泥层及砂层均有多处揭示。地层由上而下依次为：镇龙北站围岩类别列表层号岩土名称岩层特性开挖后的状态围岩类别素填土素填土围岩极易坍塌粉细砂含粘粒、呈松散状不能自稳中粗砂含粘粒、呈稍密状无法自稳砾砂含粘粒、呈稍密状无法自稳粉质粘土(软塑)软塑状无法自稳粉质粘土(可塑)呈可塑状，土质均匀，粘性较好易发生变形、无法自稳花岗岩残积土遇水易软化、崩解围岩极易坍塌全风化花岗岩岩芯呈坚硬土柱状围岩极易坍塌强风化花岗岩岩芯呈半岩半土状自稳性好，但拱部易沿裂隙掉块坍塌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0.96.5m。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2.5m3m。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 监测控制标准监测控制标准表 序号监测项目限值警戒值来源1围护结构变形0.2H，30mm（较小值）70%限值设计图纸及相应规范2墙顶、土体水平位移0.2H，30mm（较小值）70%限值3地表沉降0.15H，30mm（较小值）70%限值4需保护建筑物沉降、倾斜30mm、倾斜度270%限值5管线沉降、位移根据管线部门的要求确定6支撑轴力80的设计允许值70支撑轴力设计值7地下水位监测累计下降1000mm，500mm/天累计下降2000mm或变化速率大于100mm/天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1520m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1020m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2050m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1520m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1mm1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（FS）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2050m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1mm1次/2天4、基坑监测数据报警情况镇龙北站车站总长为487.5m，根据图纸设计及现场施工要求，将整个车站分为27个施工流水段。根据已施工的五个施工段和即将施工的第六施工段的地质情况以及镇龙北站地质详勘资料显示，车站底板大部分处于花岗岩残积土层中，该土层为弱透水性，且遇水极易崩解、软化。 镇龙北站基坑于2015年1月6日开挖，截止到2015年6月19日总共报警次数为14次，主要报警项目为墙体测斜、土体测斜及支撑轴力。墙体（土体）测斜原设计控制值为30mm，报警值为24mm。在基坑开挖过程中出现从12m以下位置开始往基坑内踢脚情况，位移数据最大点位为墙体测斜QTCX8，累计值达到-74.56mm。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：60mm2015.5.16-14.7-1.752015.5.17-23.66-8.96二道撑往下开挖2015.5.18上午-26.96-3.32015.5.18下午-28.06-1.1清底并浇筑垫层2015.5.19上午-38.32-10.262015.5.19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-52.48-2.722015.5.21上午-56.32-3.842015.5.21下午-58.02-1.72015.5.22上午-60.16-2.142015.5.22下午-61.03-0.872015.5.22晚上-61.35-0.322015.5.23上午-62.11-0.762015.5.23下午-62.58-0.472015.5.24上午-63.45-0.87报警值调整为72mm2015.5.24下午-64-0.552015.5.25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-67.55-1.412015.5.26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-73.11-1.19TTCX23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：60mm2015.5.16-10.69-1.52015.5.17-17.88-7.19二道撑往下开挖2015.5.18上午-21.63-3.752015.5.18下午-22.66-1.03清底并浇筑垫层2015.5.19上午-33.39-10.732015.5.19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-43.9-1.342015.5.21上午-47.6-3.72015.5.21下午-48.68-1.082015.5.22上午-50.34-1.662015.5.22下午-50.74-0.42015.5.22晚上-50.91-0.172015.5.23上午-51.45-0.542015.5.23下午-52.08-0.632015.5.24上午-52.65-0.57报警值：72mm2015.5.24下午-53.22-0.572015.5.25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-55.51-0.972015.5.26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-59.90.21 2015年3月29日至2015年4月5日：支撑轴力ZCZL3-3累计报警9次，ZCZL3-3轴力累计值达到12362KN，原设计控制值为6930KN，报警值为4850KN。经多次报警分析会议后多次调整：2015年3月17日市政院【穗14号线及知识城线-镇龙北站土建】联字（2015）第002号设计工作联系单，第三道砼支撑承载力控制值为9600KN，报警值为7680KN。2015年3月22日市政院【穗14号线及知识城线-镇龙北站土建】联字（2015）第003号设计工作联系单第三道砼支撑承载力控制值为13176KN，报警值11200KN。2015年4月4日底板浇筑完成后，2015年4月7日市政院【穗14号线及知识城线-镇龙北站土建】联字（2015）第005号设计工作联系单第三道砼支撑轴力监测警戒值为13000KN。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。序号日期点号类型监测值报警值稳定值位置备注12015.3.28ZCZL3-3支撑轴力11717.6KN11200KN13036.3KN第三道混凝土支撑已拆除22015.3.29ZCZL3-3支撑轴力11438.7KN11200KN13036.3KN第三道混凝土支撑已拆除32015.3.30ZCZL3-3支撑轴力11845.9KN11200KN13036.3KN第三道混凝土支撑已拆除42015.3.31ZCZL3-3支撑轴力11987.8KN11200KN13036.3KN第三道混凝土支撑已拆除52015.4.1ZCZL3-3支撑轴力12009.5KN11200KN13036.3KN第三道混凝土支撑已拆除62015.4.2ZCZL3-3支撑轴力11772.4KN11200KN13036.3KN第三道混凝土支撑已拆除72015.4.3ZCZL3-3支撑轴力11906.8KN11200KN13036.3KN第三道混凝土支撑已拆除82015.4.4ZCZL3-3支撑轴力11947.9KN11200KN13036.3KN第三道混凝土支撑已拆除92015.4.5ZCZL3-3支撑轴力12046.5KN11200KN13036.3KN第三道混凝土支撑已拆除102015.4.19QTCX4墙体测斜-47.60mm48mm-47.59mm第一流水段ZCZL3-3支撑轴力12941.6KN11200KN13036.3KN第三道混凝土支撑已拆除112015.5.4ZCZL1-2支撑轴力8657.2KN8400KN8630.6KN第二道混凝土斜撑已拆除ZCZL6-1支撑轴力7940.8KN6880KN8001.1KN第一道混凝土支撑122015.5.7ZCZLZ1-2支撑轴力10333.5KN8400KN8630.6KN第二道混凝土斜撑已拆除132015.5.20QTCX7墙体测斜-38.59mm(2.5m)40mm-49.82mm第四流水段QTCX8墙体测斜-49.76mm(0.5m)40mm-74.66mm第四流水段TTCX23墙体测斜-42.56mm(0.5m)40mm-61.76mm第四流水段142015.5.21QTCX7墙体测斜-42.86mm(2.5m)40mm-49.82mm第四流水段QTCX8墙体测斜-56.32mm(0.5m）40mm-74.66mm第四流水段TTCX23土体测斜-47.60mm(0.5m)40mm-61.76mm第四流水段5、基坑监测数据报警情况分析基坑的开挖造成土体位移，地下水的流失，而这些通过监测数据反应出来。经过对基坑开挖过程中的多次报警分析，导致监测数据报警的原因主要包括地质地层原因、设计嵌入深度未进入基岩、施工过程的控制因素等。5.1地质地层原因本车站地层从上到下主要为人工填土、粉质粘土层、中粗砂、砾砂层、花岗岩残积土、花岗岩全风化层，零星分布粉细砂和粉质粘土层。底板大部分位于砾砂层、花岗岩残积土中，局部少量存在于花岗岩全风化层。从前期的详勘资料和目前基坑开挖的情来看，北端的六块板已挖至基底，实际情况，基坑顶下3.0至13.0m之间中粗砂、砾砂层普遍发育，花岗岩残积土分布于基底附近。中粗砂、砾砂层是该区的相对富水透水层，花岗岩残积土含砂量达3050%，高孔隙比，同时该地层与花岗岩残积层形成土岩界面，在土岩界面在地质上通常也是地下水储存和流动的空间。而中粗砂、砾砂层，花岗岩残积土失水后都会形成土体空间压缩，可以认为这些土地层为高压缩性土层。花岗岩残积土遇水易软化、崩解，开挖面极易坍塌。实际开挖过程中，在第1施工段，2015年4月17日，当第四层土方开挖至基底1m左右时，出现残积土与砂层，并开始有水渗出，水从施工段的放坡面，由南端（未开挖部分）纵向沿着砂层向开挖施工段渗流。而由于该部分已挖到残积土层，加上4月17日至20日连续降雨，在水土的综合作用下，整个第一施工段几乎全部处于崩解软化状态，挖机和人都无法到达工作面，基坑软化也进一步向深层土体发展，从而影响了端头围护结构支撑轴力的变大及连续墙底部向内位移。北扩大端（第1施工段）基底软化情况图片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：墙体测斜7还原曲线图 土体测斜23还原曲线图 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