現代氣壓沉箱施工的環境監測及分析【摘 要】現代氣壓沉箱施工多應用于大城市繁華地段, 為把其對周邊環境的影響降到最小, 試點工程對氣壓沉箱施工進行了環境監測方案, 并對監測結果進行了分析。監測結果表明: 現代氣壓沉箱施工對周邊環境的影響較小, 周邊土體、鄰近建筑物以及地管線的變位能夠控制在允許范圍之內。【關鍵詞】地鐵隧道 風井 氣壓沉箱 地下水 監測 地表沉降0 前言 隨著我國城市化進程的加速, 大量的城市地下建筑物在沿海軟土地區興建, 城市地下空間的開發和利用將越來越成為城市發展的趨勢; 同時高層建筑、地鐵、港口、橋涵、重型地下構筑物的建設對地下建構筑物和基礎埋置深度要求也越來越高, 地下空間開發利用隨之也進入了向大深度發展的態勢[1-4]。 在城市中心建筑物密集區開挖建設大深度地下空間, 往往面臨施工場地狹小、周圍重要設施眾多的情況; 同時, 地下施工在開挖時往往會引起地下水位的降低, 進而導致周圍地基的沉陷, 嚴重時可能會引起周圍地基的塌陷, 給鄰近建(構)筑物和地下市政設施帶來嚴重的影響; 另外, 市區地鐵隧道、地下高速道路、共同溝以及豎井風井系統工程的施工往往受到各方面的限制。相比之下, 氣壓沉箱工法在許多情況下能適應上述方面的特殊需求, 因而在工程應用中具有不可替代的競爭力及廣泛的應用前景[5]。 本文結合上海市軌道交通 7 號線 12A標段浦江南浦站～浦江耀華站區間中間風井氣壓沉箱工程進行環境監測分析, 重點研究了氣壓沉箱施工對周邊環境的影響, 以期為今后大型地下工程的設計和施工提供一定的參考。1 施工及監測方案1.1 施工方案 該工程根據結構特點采用了六次制作、四次下沉的施工工藝進行沉箱施工。施工中采用了在沉箱外圍設置支撐及壓沉系統。根據沉箱不同下沉階段通過在外圍采取支撐形式或壓沉形式來控制沉箱下沉速率及下沉姿態。在施工過程中,嚴格氣壓控制, 同時針對沉箱下沉不同階段還采取了泥漿減阻, 灌水壓重等手段進行施工過程控制。主要施工工況如表1 所示。
1.2 監測方案 在施工期間對沉箱周圍土體的水平與垂直、地下水位、孔隙水壓力等進行了測量, 并對相鄰的煤氣管、建筑物進行了沉降監測。施工場地及監測點平面布置如圖 1 所示。2 監測結果分析2.1 土體側移 在沉箱周圍共布置 8 個土體側移測孔, 北側 3 孔(T5、T6和 T7), 西側 4 孔(T1～T4), 東南側 1 孔(T8)。8 個測孔在不同工況下的變形曲線如圖 2 所示。 總體而言, 開始 3 個工況下所有測孔土體的側移均較小, 量值一般在±5 mm以內; 各測孔均在工況 4 下側向位移最大。所有 8 個測孔中, T1 測孔土體的水平位移最大, 工況 4下的位移達到 - 27.24 mm。從圖中可以看出, 測孔距沉箱越遠, 土體側移相對越小。2.2 地表沉降 不同施工工況下各斷面地表沉降如圖 3 所示。從 4 個斷面的地表沉降曲線可以看出, 各個斷面的最大地表沉降點均在最靠近沉箱的測點, 隨著距沉箱邊距離的增加, 各測點的地表沉降逐漸減小。最大沉降點位于 4 號斷面的 D4- 2 測點, 其最大沉降達 - 28 mm。2.3 土體分層沉降 在沉箱兩側共布置 6 個土體分層沉降測孔, 各測孔土體分層沉降如圖 4 所示。不同深度處各測孔的沉降規律基本一致, 沉降量同時增加或減小。圖 3 和圖 4 監測結果均表明沉箱施工周圍土體沉降的影響很小。2.4 鄰近建筑物沉降 鄰近建筑物各測點沉降時程曲線如圖 5 所示。沉箱施工過程中, 最靠近施工位置的 J1- 1 的相對沉降值最大, 其最大沉降達 - 8.36 mm, 發生在工況 1, 該測點在工況 4 下沉降值也較大, 達 - 8.03 mm。其余各測點的沉降值均較小, 一般在±2 mm之間, 說明沉箱施工對這些測點沉降的影響較小。2.5 管線沉降 鄰近管線各測點在沉箱施工期間的沉降曲線如圖 6 所示。就沉降曲線的整體形狀而言, 沉箱施工對各管線變形的影響并不大, 且各管線測點的垂直變形并無明顯的變化規律。管線各測點中最大沉降點為 M3 測點, 其最大沉降為- 5.4 mm, 發生在工況 4; 各測點中最大上抬位置在 M5 測點,其最大上抬位移為 4.0 mm, 發生在工況 3。2.6 地下水位 沉箱周圍水位測點水位的相對變化如圖 7 所示。工況 1和工況 2, 沉箱下沉深度較淺, 沉箱底部施工施加的氣壓也較小, 氣壓平衡作用效應不明顯, 因此地下水位變化幅度不大, 其中 SW2 測點的最大水位下降幅度僅為 - 37.8 mm; 隨著箱體的第三次下沉, 所有測點的水位迅速上升, 且各測點水位的上升幅度相近, 工況 3 下最高水位點為 SW3 測點, 其水位相對于初始水位上升了 91.7 mm; 箱體第四次下沉后期,各測點水位相對于工況 3 有稍許的下降, 但水位仍高于初始水位。2.7 孔隙水壓力 沉箱周圍測點孔隙水壓力變化如圖 8 所示。距地表越近, 孔壓的變化量越大。距沉箱最近的兩個測點 SY01 測孔最大孔壓變化量為 10.67 kPa, 深度 - 6 m; SY02 測孔最大孔壓變化量為 24.38 kPa, 深度 - 6 m。整體而言, 從工況 2 開始孔隙水壓力的變化值較大, 與地下水位的變化原因一致。3 結語 整體沉箱施工期間, 沉箱周邊土體側移、地表收分層沉降、地下水位及孔隙水壓力變化均較小, 施工場地周圍建(構)筑物和地下管線并未發生過大的變形和位移, 說明氣壓沉箱工況能夠有效地減小施工對周邊環境的影響, 從而進一步證明氣壓沉箱式法在工程應用中具有不可替代的競爭力及廣泛的應用前景。
1.2 監測方案 在施工期間對沉箱周圍土體的水平與垂直、地下水位、孔隙水壓力等進行了測量, 并對相鄰的煤氣管、建筑物進行了沉降監測。施工場地及監測點平面布置如圖 1 所示。2 監測結果分析2.1 土體側移 在沉箱周圍共布置 8 個土體側移測孔, 北側 3 孔(T5、T6和 T7), 西側 4 孔(T1～T4), 東南側 1 孔(T8)。8 個測孔在不同工況下的變形曲線如圖 2 所示。 總體而言, 開始 3 個工況下所有測孔土體的側移均較小, 量值一般在±5 mm以內; 各測孔均在工況 4 下側向位移最大。所有 8 個測孔中, T1 測孔土體的水平位移最大, 工況 4下的位移達到 - 27.24 mm。從圖中可以看出, 測孔距沉箱越遠, 土體側移相對越小。2.2 地表沉降 不同施工工況下各斷面地表沉降如圖 3 所示。從 4 個斷面的地表沉降曲線可以看出, 各個斷面的最大地表沉降點均在最靠近沉箱的測點, 隨著距沉箱邊距離的增加, 各測點的地表沉降逐漸減小。最大沉降點位于 4 號斷面的 D4- 2 測點, 其最大沉降達 - 28 mm。2.3 土體分層沉降 在沉箱兩側共布置 6 個土體分層沉降測孔, 各測孔土體分層沉降如圖 4 所示。不同深度處各測孔的沉降規律基本一致, 沉降量同時增加或減小。圖 3 和圖 4 監測結果均表明沉箱施工周圍土體沉降的影響很小。2.4 鄰近建筑物沉降 鄰近建筑物各測點沉降時程曲線如圖 5 所示。沉箱施工過程中, 最靠近施工位置的 J1- 1 的相對沉降值最大, 其最大沉降達 - 8.36 mm, 發生在工況 1, 該測點在工況 4 下沉降值也較大, 達 - 8.03 mm。其余各測點的沉降值均較小, 一般在±2 mm之間, 說明沉箱施工對這些測點沉降的影響較小。2.5 管線沉降 鄰近管線各測點在沉箱施工期間的沉降曲線如圖 6 所示。就沉降曲線的整體形狀而言, 沉箱施工對各管線變形的影響并不大, 且各管線測點的垂直變形并無明顯的變化規律。管線各測點中最大沉降點為 M3 測點, 其最大沉降為- 5.4 mm, 發生在工況 4; 各測點中最大上抬位置在 M5 測點,其最大上抬位移為 4.0 mm, 發生在工況 3。2.6 地下水位 沉箱周圍水位測點水位的相對變化如圖 7 所示。工況 1和工況 2, 沉箱下沉深度較淺, 沉箱底部施工施加的氣壓也較小, 氣壓平衡作用效應不明顯, 因此地下水位變化幅度不大, 其中 SW2 測點的最大水位下降幅度僅為 - 37.8 mm; 隨著箱體的第三次下沉, 所有測點的水位迅速上升, 且各測點水位的上升幅度相近, 工況 3 下最高水位點為 SW3 測點, 其水位相對于初始水位上升了 91.7 mm; 箱體第四次下沉后期,各測點水位相對于工況 3 有稍許的下降, 但水位仍高于初始水位。2.7 孔隙水壓力 沉箱周圍測點孔隙水壓力變化如圖 8 所示。距地表越近, 孔壓的變化量越大。距沉箱最近的兩個測點 SY01 測孔最大孔壓變化量為 10.67 kPa, 深度 - 6 m; SY02 測孔最大孔壓變化量為 24.38 kPa, 深度 - 6 m。整體而言, 從工況 2 開始孔隙水壓力的變化值較大, 與地下水位的變化原因一致。3 結語 整體沉箱施工期間, 沉箱周邊土體側移、地表收分層沉降、地下水位及孔隙水壓力變化均較小, 施工場地周圍建(構)筑物和地下管線并未發生過大的變形和位移, 說明氣壓沉箱工況能夠有效地減小施工對周邊環境的影響, 從而進一步證明氣壓沉箱式法在工程應用中具有不可替代的競爭力及廣泛的應用前景。