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圣彼得堡中心项目的施工监测技术

时间:2013-01-31 12:00

王剑峰 孙康 董迁 梁尔军 王建春

【内容提要】本文以中国建筑俄罗斯分企业圣彼得堡STOCKMANN项目为研究对象,通过对基坑及周边环境的监测,掌握了第一手监测信息,对施工具有一定的引导意义。

 

随着社会的发展以及城市化进程的不断加快,世界各地涌现出大批的现代化建筑群,与此同时,城市人口急剧膨胀,可用建筑用地越来越少,特别是在沿海、沿江发达城市,这种现象尤为明显,现代建筑普遍向高密度、高层甚至超高层方向发展。在高密度建筑群的城市中以及地质条件较差的环境中搞建设,如何保护周边环境和周边建筑不被破坏或者尽可能的将影响降到最低,如何保障工程施工的顺利进行,是施工单位面临的首要问题。为应对这一问题,必须对周边环境和周边建筑进行监测,以便了解施工对其的影响程度。根据监测成果,可以及时反馈信息,采用先进的施工方法和有效的安全措施引导施工,为信息化施工管理提供可靠依据。本文通过对圣彼得堡中心工程监测方法的先容和对监测结果的分析,显示了监测工作对引导施工的重要作用。

1.工程概述

本项目名称为:ZAO Stockmann圣彼得堡中心,地址:Nevesky prospect 116, St. PetersburgRussia;投资方:ZAO Stockmann Center St. Petersburg(芬兰);总承包商:中建总企业俄罗斯分企业。

Stockmann商业中心位于彼得堡市区繁华地段,地上九层,主要功能为商场和办公区;地下部分四层,部分三层,主要为车库。总建筑面积100850m2。建筑占地面积9500 m2。两侧紧邻Vosstanija大街(起义街)和Nevski大街(涅瓦街)。与用地线接壤的另外两侧紧邻已有的4栋建筑。Vosstanija大街和Nevski大街交界处有地铁站。

2.技术背景

彼得堡市地质条件较差,现场场地地下水位高且地基土为流塑状的各类土层。基坑深度为15米,是当地市区最深的基坑。该基坑距周边建筑最近距离约40cm,距地铁站29m左右。周边建筑结构年代久远,多为有上百年历史的砖木结构,牢度较差。项目地处市中心,地下管线密集。根据项目设计及施工进展的实际情况,相关人员对项目进行风险评估后认为,本项目存在两个大的风险:一个是临近建筑物有发生严重沉降产生破坏的风险,另一个是基坑围护刚度较差,存在着局部失稳的风险。在软土深基坑逆作法施工中,如何确保周边建筑和地下设施的安全,以及基坑围护结构的安全,是本工程的主要技术难点。

本工程围护结构为三面钢板桩围护,一面地下连续墙围护。在逆作施工中,地下室各层楼板为围护结构提供水平支撑,施工从±0.000m楼板开始,逐层向下作业,地下一层结束后,开始地上结构的施工。

基坑深度为15m,挖土范围自-8m开始即为第四纪上期冰湖沉积层。半流动性粉砂质粘土,地下水最高绝对标高可达到+5.7m(±0.000的绝对标高为+6.8米)。除可以流动的地下水外,冰湖层(深15m)和冰层(深22.5m)里有静止水。

3.监测设计

本工程基坑维护结构形式为三面钢板桩及单面地下连续墙,围护结构深度为24m。钢板桩如下图所示。

针对本工程的实际情况,主要采取了对周边建筑及周边环境、支护结构以及地下结构三个方面进行监测。周边建筑及周边环境主要监测内容为建筑物的沉降、地下水位、基坑周边土体的分层沉降、基坑周边土体水平位移等;支护结构主要监测钢板桩的侧向变形(即钢板桩测斜)、钢板桩的内力、基坑内土体分层沉降(监测隆起);结构本身主要监测楼板轴力以及临时支撑的沉降、地上结构整体沉降。

钢板桩示意图

钢板桩示意图

 

本项目监测及分析的内容较多,但基本是围绕周边建筑沉降、钢板桩侧斜以及地下水位变化展开的,本文重点先容上述三种监测手段。

4.监测工艺

4.1支护结构侧向变形(即钢板桩测斜)

本项监测是深入到围护体(钢板桩)内部,用测斜仪自下而上测量预先埋设在围护体内的测斜管的变形情况,以了解基坑开挖过程中,作为围护体和结构体一部分的围护结构在不同深处的水平位移情况。基本工艺如下:

4.1.1测斜管的安装埋设:

按照监测点的布置位置,安装埋设测斜管。测斜管安装埋设分两部分:一部分是钢板桩部分测斜管的安装埋设,另一部分是地下连续墙部分测斜管的安装埋设。

1 钢板桩部分测斜管的安装埋设:测斜管管径为Φ70mm,长度同墙深。测斜管内壁有两组互成90°的纵向导槽,导槽控制了测试方位。测斜管沿钢板桩的长度方向,通过卡环固定在钢板桩上,一对槽口的位置与钢板桩垂直,测斜管的上口高出钢板桩顶部20cm,封好管的底盖随钢板桩打入基坑内。

2 地下连续墙部分测斜管的安装埋设:这部分使用的测斜管和钢板桩使用的测斜管相同,但测斜管的安装是在地下连续墙施工时,预先在连续墙钢筋笼内安装固定,随着连续墙的施工,逐步成槽—安装钢筋笼—打混凝土,将测斜管埋设在地下连续墙内。

 

 

4.1.2测量方法:

土方正式开挖前一个月测两遍初值,测量时将测斜探头插入测斜管,使滚轮卡在导槽上,缓慢下至槽底,与测读仪连接,将侧头逐步提起,每隔0.5m读数一次,测斜探头到顶后,调换方向重复测量一次。两次测量的各测点应在同一位置上,各测点的两个读数值应接近、符号相反。两次测量的深度必须一致。由管底到管口的各段位移累计相加,即为管口的实际位移。

4.1.3测量频率:基坑开挖前一个月观测一次;在基坑开挖期间测斜计监测频率为一周一次;直接进行开挖的区域30m范围内一昼夜测一次。钢板桩的水平位移变化速率较大时,适当增加监测频率。

4.1.4监测结果

 

 

4.2地下水位监测

4.2.1地下水位观测管安装

    在项目周边,按照施工图纸布置了三口地下水位观测点。首先在需要监测地下水位的位置,钻120mm直径的孔,安装带砂眼的钢管,钢管高出地面200mm,安装完毕后对监测点进行保护,防止车辆破坏。

4.2.2监测频率

安装完成两周后,开始观测水位的高度,采用地下水位监测标尺杆进行监测。开挖期间每月监测一次,开始降水后,一周监测一次。

4.2.3监测结果

 

 

将监测的数据绘制成变化曲线

4.3 周边建筑沉降

4.3.1沉降点布置

在项目周边建筑附近布置了108个沉降点,分布在涅瓦街、起义街、地铁构筑物等处。在需要监测沉降的建筑物墙上安装沉降标志,沉降标志高于地面500mm。

4.3.2 沉降观测水准点的测设

建筑物的沉降观测根据本工程引测的水准点为基准点引测,该水准点为坚固、稳定的点。该规定的点应每季度与城市坐标点复核,发现偏差及时修正基准点参数,以及监测位置点的参数。

4.3.3监测频率

基坑开挖前,一周一次;基坑开挖过程中,两天一次;遇到特殊沉降阶段,一天一次。

4.3.4监测结果

 

 

5.监测注意事项

5.1 监测起止时间:基坑开挖前测定初始值,至地下室结构完工周围建筑物无异常现象为止。

5.2当监测数据达到报警范围,或遇到特殊情况,如暴雨等恶劣天气以及其他意外工程事件,应适当加密观测,加密次数根据具体情况研究决定。

5.3 对收集的资料及时进行计算、分析、对比,绘制各种类型的表格和曲线图,研究其变形机理和变形趋势,预测最终位移值,预测结构物的安全性,及时引导施工。

5.4 对监测发现的问题给出分析意见,提出解决的办法,并及时反映、上报。

5.5 报警值:各项监测的数值达到一定范围(即将产生不可接受的负面影响时)要进行“报警”。具体见下表:

 

 

6.监测结果分析

监测是为了及时掌握项目实施对周边建筑的影响程度,针对该项目的实际开挖情况,本项目地下为四层,自首层楼板开始,逐层进行开挖,整个开挖和结构施工过程分8个工况进行计算,每层按照两个工况计算,即开挖完成和楼板完成。实施过程中,按照每层的监测情况,布置以及安排下一层的开挖顺序以及楼板施工顺序,以便将变形控制到最小。现以B01层结束,B02层正在实施阶段为例,分析监测变形和设计计算的对照。

6.1 钢板桩侧斜

通过对挖土与楼板实施阶段的钢板桩变形分析,钢板桩在竖向上的倾斜随着土方开挖的进展,其水平变形逐步增加,变化趋势也与土方开挖有着直接的联系。通过对地下一层开挖到地下一层楼板完成这一阶段监测数据的分析,土方开挖期间单日变形平均速率在0.12mm/d左右,楼板施工期间变形速率较小,在0.06mm/d左右,实际变形的曲线形态与设计计算变形的曲线形态基本一致,最大变形位置均为钢板桩8~10m深度范围内。

 

 

计算值与实际监测值对比

通过计算值与实际值的对比,发现两者变形的基本形态是一致的,且钢板桩变形的计算值略大于实际监测值。分析实际值较小的原因,可能就是在开挖过程中采取了保守的方式,即将整个挖土分成8个条状区域间隔开挖,开挖完成后及时完成楼板,在楼板形成支撑后继续开挖相邻区域的土方。

通过对该层施工期间钢板桩的实际变形分析,进一步预测了变形与实际开挖时间的关系,发现钢板桩变形不仅与开挖方式有相应的关系,与挖土时间、楼板实施时间同样有着正比的关系,挖土时间越长、楼板结构实施的时间越长,钢板桩的变形就会随时间的增加而增加。基本情况如下图:

 

 

另外,通过研究发现,同一区域的土方开挖时,位于不同支护结构处的监测点的水平位移是不同的:钢板桩处监测点的水平位移约为地下连续墙处的两倍。由此可知,地下连续墙支护刚度较钢板桩大。

 

 

通过上述对钢板桩变形情况的一系列研究发现,从施工的角度上,可以通过挖土方式的改变,挖土及楼板施工时间的缩短,在一定程度上减小钢板桩变形。鉴于此,对于制定下一层土方开挖方案给予了更好的技术引导。分析整个挖土阶段的监测数据,从采用合理快速的方法施工的角度,同样可以在一定程度上控制钢板桩的变形。

6.2 周边建筑沉降

考虑到俄罗斯圣彼得堡城市地质条件的特殊情况,以及施工现场距周围建筑最近距离只有40cm的实际情况,对周边建筑的沉降监测就显的尤为重要。

为了监测周边建筑的实际沉降状况,项目实施前就在现场周边建筑布置了108个沉降监测点,其中距基坑边5m范围内共布置了15个监测点,5-30m范围内布置了93个点,通过对现场场地老基础拆除阶段、钢板桩施工阶段、基础桩施工阶段以及挖土阶段周边建筑沉降的分析,及时调整现场的动态,以便将沉降值更好地控制在最低范围内。

沉降变化曲线如下:

 

 

在基础拆除的最初阶段发现,在进行基础拆除施工时,周边建筑就会发生沉降,拆除停止,沉降即马上停止。因此,结合沉降报告,为了更好的减少沉降,将基础拆除工作拆分成不超过6m的小的区域,将沉降减少到了最小,基础拆除结束后,沉降最大没有超过5mm。而在钢板桩实施阶段,同样采取了小段的实施办法,采取了提高钢板桩设备的频率以降低周边建筑位置的震动等措施,因此在该阶段同样将周边建筑沉降控制在20mm的最小范围内。

而在基础桩施工阶段,按照当地专家的判断,周边建筑的沉降将会导致周边建筑破坏,甚至导致项目停工。项目部结合沉降的实际情况,制定了基础桩间隔跳打、快速实施的方案,施工过程中一旦发现开始沉降,在沉降区域20m内,马上停止施工,待沉降稳定后再重新开始施工。按照这个原则,项目基础桩施工的5个月内,周边建筑物虽然发生了快速沉降(从曲线中也可以看出),但却没有出现沉降无法停止的局面。

通过对周边建筑物的沉降监测及时调整施工方法,及时控制项目实施对周边的影响,以避免出现脆性破坏。按照沉降变化的区域,预测项目实施过程中周边建筑物的变化趋势,从而达到监测引导施工的目的。

 

 

6.3 地下水位

地下水位一直在持续下降,因为该场地地层特殊和地下水位的缘故,在打钢板桩和基础桩期间,地下水位下降了1m左右,但趋于平缓。另外,由于钢板桩接缝间漏水的缘故,在B01土方开挖及B01地下结构施工期间,地下水位下降了40cm。随着基坑开挖深度的加大,地下水位在持续下降,但总体趋势区域平缓,基本符合设计下降曲线。

7.结语

根据监测的结果和数据分析可知,土质在流塑状态下,且于城市闹市区进行地下室施工,监测显得异常重要,持续全面的监测不仅能够引导下一步施工,而且对类似工程的设计有着很好的总结评估作用。在彼得堡这个古老建筑密集的城市施工,更需要继续进行全面的监测,以便及时掌握周边环境的变化动态并做出评估,为项目的顺利进行提供强有力的技术保障。

 

 

参考文献

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8.   《混凝土和钢筋混凝土结构》基本规则建筑标准与规范 52-01-2003  莫斯科  2004

(编辑单位:中国建筑一局集团有限企业)

 

 

 

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