武汉鹦鹉洲长江大桥南锚碇基坑开挖施工监测技术
2015-06-18
1、工程概况
鹦鹉洲长江大桥位于武汉市中心城区，桥址距下游长江大桥约2.0公里，距上游规划杨泗港过江通道约3.2Km，距白沙洲大桥6.3公里。北接汉阳的鹦鹉大道，南连武昌的复兴路。大桥全长3420m，其中主桥长2100m，采用200+2×850+200m三塔四跨钢板结合梁悬索桥。主线桥设计双向8车道，主桥桥宽38米，车道布置为2×(3.75+3×3.5)m。
南锚碇位于长江南岸武昌侧，采用圆形地下连续墙方案。南锚碇基础采用外径68m，壁厚1.5m的圆形地下连续墙加环形钢筋混凝土内衬作为基坑开挖的支护结构。南锚碇距离防洪墙较近，根据地质勘测显示，南锚范围内存在部分岩溶现象。考虑到此处堤防为长江一级堤防，且桥址位于武昌中心城区，在南锚外部10m处设一道0.8m厚的自凝灰浆挡水帷幕。
2、工程地质及水文地质情况
工程场区位于长江大桥上游约2.0Km，两岸为长江冲积一级阶地，地形平缓，总的地势为东高西低。长江北岸地面标高 21～25m，主要为第粘性土、淤泥质土、粉土、粉细砂，厚 30m 左右，下部卵砾石层厚 30m左右。长江南岸地面标高24～31.2m，南岸较低洼处为弧形分布的巡司河，主要为第四系中更新统冲、洪积粘性土和由粘性土充填的砾卵石层， 厚15～5m。阶地表层多为人工填土覆盖，厚0～5m。
上层滞水：赋存于浅部人工填工中，无统一自由水面，接受大气降水和地面排水垂直下渗补给，水量较小。
第四系松散岩类孔隙水：赋存于第四系砂层中，为主要地下水含水层，具微承压性，与长江水力联系密切，互补关系、季节性变化规律明显。水位埋深一般4～6m。在长江丰水期，江水补给地下水，反之地下水补给江水。
3、施工监测
3.1 监测目的
南锚锚区地质情况较复杂，仍然存在一些不确定因素，造成了基坑施工安全的不确定因素多，仍有一定的施工风险。基坑开挖是南锚碇工程的施工重点，既是检验，也是控制基坑施工安全的过程，因此在基坑开挖过程中采取严密的监控措施尤为重要。通过在地连墙、内衬和基坑内外土体内埋设相应的传感器，作为深基坑开挖施工时的“眼睛”，随时掌握围护结构的位移、变形和受力情况以及基坑内外土体的变化情况，发现问题及时反馈、及时分析，以便及时采取相应措施，确保基坑开挖和基坑结构的安全。
在基坑施工中严格执行信息化施工管理。根据监测信息并结合基坑结构受力、封水等情况进行系统分析，对近期及远期基坑的运行情况进行较为可靠的预测，并在施工过程中对基坑施工及时提出有效的指导性意见，保证基坑的施工安全。一旦发现监测数据异常，则立刻实施施工预案，确保基坑及长江大堤的安全。
监测作为复杂桥梁锚碇施工中的重要环节之一，其重要性主要体现在：
1、为桥梁锚碇施工的开展提供及时的反馈信息；
2、作为设计与施工的重要补充手段；
3、对锚碇工程的安全性和对周围环境的影响程度有全面的掌握，以确保锚碇工程和相邻建筑物的安全；
4、积累工程经验，为提高锚碇工程设计和施工的整体水平提供依据。
3.2监测内容
1、环境监测：包括锚碇周边土体变形监测和长大堤变形监测；
2、水工监测：包括基坑内、外地下水位监测和基坑孔隙水压水监测；
3、地下连续墙监测：包括帽梁变形监测、地连墙应力监测和地连墙深层侧向变形监测；
4、建筑物监测：周边建筑物沉降及位移监测；
5、内衬监测：内衬横向应力监测。
3.3监控方法
3.3.1地下连续墙钢筋及混凝土应力监测
1、监测手段和频率
地下连续墙墙体钢筋应力采用应力计监测。
墙体钢筋应力监测按照规范要求，开挖深度5m内时每2天1次，5～10m每天1次，大于10m每天2次。底板浇筑完成，锚体部分施工阶段，因围护结构已处于控制阶段，可放宽至每天1次，28天后可放宽至每3天一次，随着监测数值稳定，可以减少至每15天一次。直到顶板施工完成后，停止监测。
2、测点布置。
在平行与垂直大桥轴向的地下连续墙内布设钢筋应力测孔4个，在45度角位置上各布设4个监测孔，每个监测孔中分两个剖面埋设，分别为迎土、迎坑面（即G1-A、G1-B～G8-A、G8-B，见图1）。根据本工程的特点，每个剖面布设20只钢筋应力计，其中第一组应力计布设在墙顶向下4m处。每个剖面同一横截面内布设的两只呈对称布置，共计布置160只应力计。应力计直径与钢筋主筋相同，在布设位置截断主筋用应力计置换。
3.3.2内衬钢筋及混凝土应力监测
1、监测手段和频率。
内衬应力监测均也采用应力计监测。
内衬应力在开挖阶段，开挖深度5m内时每2天1次，5～10m每天1次，大于10m每天2次。底板浇筑完成，锚体部分施工阶段，因围护结构已处于控制阶段，可放宽至每天1次，28天后可放宽至每3天一次，随着监测数值稳定，可以减少至每15天一次。直到顶板施工完成后，停止监测。
2、测点布置。
内衬应力监测在地下连续墙衬墙内埋设应力监测孔，在平行与垂直大桥轴向的两个方向上共布设4个，即WL1～WL4。每个监测孔中分两个剖面埋设，分别为迎坑、背坑面。根据工程特点，每个剖面埋设6只应力计，其中第1组应力计布设在墙顶向下5m处。每个剖面的同一横截面内的两个应力计按内衬墙的中轴线对称布置，共布设48只应力计。
3.3.3地连墙、墙外地表和大堤的沉降及水平位移监测
1、监测手段和频率
沉降采用精密水准仪监测；大堤水平位移采用全站仪监测，地下连续墙及墙外土体水平位移则采用测斜管监测。
监测频率为从锚体施工至全桥竣工期间，对地连墙及墙外四周地表、大堤和周围建筑物每周进行一次沉降及位移观测，锚碇施工完毕后可将监测周期调整为每月一次。如若遇见特殊情况，则根据招标人要求加测。
2、测点布置
基准点借用施工监测网的基准点。
地连墙上的监测点布设在Ⅰ期槽段上，施工Ⅱ期槽段及后续项目时对其进行监测。
大堤的水平位移和沉降监测点为同一个点，监测点布置如图4.4所示。布设原则为离开沉井5m、10m、20m呈放射状布设监测点，大堤附近每20m左右间距一个监测点。
在地连墙外5m处设置测斜管，观测地基土的水平变形。
在地连墙上及外侧地表设置测点，观测地表沉降。监测点的设置尽量避开施工的干扰，监测点采用统一规格的φ18mm×200mm钢质监测点。
3.3.4水位监测
（1）监测手段和频率。
地连墙外地下水位监测采用JTM-9000型钢尺水位计测量。将JTM-G9600A型PVC水位管埋设在土中或安置在地连墙内，测量水位的时候用水位计放入水位管中测量。水位监测频率为每3天1次。
（2）测点布置。
地连墙与帷幕间布置共布置8只地下水位监测测孔（SW1～SW8，见图4），孔深应保证大于可能的最低水位。同时，在帷幕外布置四条剖面，每个剖面上各隔5m、10m和20m布置三个地下水位监测孔，以形成渗流水位监测网格。
3.3.5周围建筑物的沉降及位移监测
在地下连续墙附近50m左右有一栋六层楼居民住宅楼，需要对该楼进行沉降和位移的监测，监测网格的布设如图5。
1、监测手段和频率。
水平位移采用全站仪监测；沉降采用水准沉降观测技术监测。
监测频率为从锚体施工至全桥竣工期间，对地连墙四周地表、大堤和周围建筑物每周进行一次沉降及位移观测，锚碇施工完毕后可将监测周期调整为每月一次。
2、测点布置。
用全站仪对临近建筑物进行水平位移和倾斜度监测时，在建筑物影响范围之外，选两个基准点A0和A1，在建筑物周围选择6个工作基点（A2～A7），布设一条通过基准点、工作基点的闭合导线。
3.4监测预警
拟定合理的预警控制值是进行基坑安全性判别与控制的重要步骤，但是由于基坑形式、地质与周边环境的多样性、随机性，目前规范上对许多监测项目的报警数值还没有明确的标准，往往是给出一些拟定预警值的原则与方法。从总体上而言，目前拟定监测预警值的原则主要有：(1)满足现行的相关规范、规程的要求，大多是位移或变形控制值；(2)对于地连结构和支撑内力，不超过设计预估值；(3)根据各保护对象的主管部门提出的要求；(4)在满足监控和环境安全前提下，综合考虑工程质量、施工进度、技术措施等因素;(5)各项监测数据的允许最大变化量由设计方会同建设方、监理方等有关单位根据设计中考虑的安全储备度、工程重要性、周边环境保护等级等因素综合确定。
本方案根据《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009），因围护墙施工、基坑开挖以及降水引起的基坑内外地层位移应按下列条件控制：
（1）不得导致基坑的失稳；
（2）不得影响地下结构的尺寸、形状和地下工程的正常施工；
（3）对周边已有建筑引起的变形不得超过相关技术规范的要求或影响其正常使用；
（4）不得影响周边道路、管线、设施等正常使用；
（5）满足特殊环境的技术要求。
基坑工程监测报警值应以监测项目的累计变化量和变化速率值两个值控制。
基坑及支护结构监测报警值应根据土质特征、设计结果及当地经验等因素确定，当无当地经验时，可按《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009）及相关规定执行。
4、监控实施及效果
根据目前施工状况，基坑土方开挖最后一层，内衬施工最后一层，地连墙及内衬应力均不大，其中地连墙最大为拉应力，8个测点最大拉应力最大出现在埋深最深的26m外侧处，最大为32Mpa。内衬钢筋应力拉、压应力均存在，其中底层内衬外侧均为拉应力，最大29Mpa，压应力出现在顶层内衬中，最大为18Mpa。地下水位随着长江水位不断变化，但变化幅度均正常。周边建筑及周围土体均无产生较大变形及沉降，其中周边建筑最大变形3mm，土体沉降局部最大2mm。
通过不断的监控、监测，根据本文论述制定的监控方案在施工过程中起到了很好的信息化施工作用，为整个基坑开挖施工提供了数据支撑，有效的保证了结构安全。
