深基坑圍護結(jié)構(gòu)位移變形和內(nèi)外力監(jiān)測技術(shù)

1、. .PAGE10 / NUMPAGES10深基坑圍護結(jié)構(gòu)位移變形與外力監(jiān)測技術(shù)一、深基坑圍護結(jié)構(gòu)與其位移變形1.地鐵深基坑特點地鐵施工中,通常在地鐵車站處采用明挖法進行,必然產(chǎn)生比較深的深基坑,對于有多條地鐵線路相交的換乘樞紐站來說,其深度更大,。相對于一般基礎(chǔ)工程而言,地鐵深基坑工程具有許多特點,概括起來主要有以下幾個方面：（1）深度大。通常在十米以上,對于有線路交叉的換乘車站其深度會更大開挖面積大,長度與寬度有的達數(shù)百米給支撐系統(tǒng)的設(shè)計、施工和安全保障帶來較大的困難。（2）地鐵往往修建在大型城市,而我國絕大部分大型城市位于沿?；驗I江地帶,這些區(qū)域的工程水文地質(zhì)條件很差,且施工期受地表交通

2、影響非常嚴重,在軟弱的地層、高水位與其它復雜場地條件下開挖深基坑,極有可能會產(chǎn)生土體滑移、深基坑失穩(wěn)、樁體變位、坑底隆起、支擋結(jié)構(gòu)嚴重漏水、流土以至破損等病害,對深基坑工程自身與周邊建筑物、地卜構(gòu)筑物、市政設(shè)施和地下管線的安全造成很大威脅。（3）施工周期長,且場地受限制多。地鐵深基坑沿線往往有大量已建或正在建的高層建筑、市政管線等,進行深基坑施工時除保障其本身的工程安全外,還需嚴格控制變形值,保障周邊建構(gòu)筑物的安全。（4）因地而異。不同城市、不同地點的工程與水文地質(zhì)條件存在較大差別,而且施工環(huán)境與氣象也各不一樣,這些都直接影響深基坑施工方案的選擇與安全。（5）技術(shù)要求高,涉與面廣。地鐵深基坑工

3、程牽涉到土力學、巖石力學、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等的設(shè)計與施工監(jiān)測技術(shù),必須選擇合理的設(shè)計與施工參數(shù)、方法來組織施工與安全防護。（6）施工與設(shè)計相互關(guān)聯(lián)。地鐵深基坑工程對技術(shù)要求高,施工與設(shè)計必須相互協(xié)調(diào),在設(shè)計時就要對施工工藝、支護方法、支護結(jié)構(gòu)變形與受力情況進行充分考慮,以施工影響設(shè)計。（7）對深基坑的支護技術(shù)要求高、方法多,深基坑支護的方法主要有、地下連續(xù)墻、預制樁、深層攪拌樁、鋼木支撐、拉錨、抗滑樁、注漿、噴錨網(wǎng)支護法、人工挖孔樁、各種樁墻、板、管、撐同錨桿聯(lián)合支護法和土釘墻法等,如何根據(jù)工程實際情況選擇施工方法非常關(guān)鍵。（8）安全隱患多,事故多發(fā),一。由于影響深基坑施工的安全因素很多,甚

4、至有些是隨機性的因素,使得國外深基坑施工引起的安全事故屢屢發(fā)生。2. 深基坑支護方法基坑施工方法大致可分為無支護開挖和支護開挖兩大類。基坑施工中無支護開挖工藝是一種很簡單又很經(jīng)濟的施工方法,只要在施工現(xiàn)場有足夠的空間放坡,基坑周邊環(huán)境簡單,且地質(zhì)條件符合要求時,往往優(yōu)先采用。支護開挖則剛好相反,這種方法通常在基坑周圍預先建造排樁或地下連續(xù)墻等圍護結(jié)構(gòu),然后才一能開挖土方,有時為了增強圍護結(jié)構(gòu)的剛度,還會設(shè)置支撐或拉錨。對變形控制嚴格、周邊環(huán)境復雜的大型深基坑工程,必須采取支護開挖的施工方法。深基坑圍護結(jié)構(gòu)主要需承受側(cè)向土壓力與水壓力,還有可能承受鄰近建筑物基底壓力、施工荷載、地面堆載、車輛荷載

5、等周邊環(huán)境引起的附加壓力。按照圍護結(jié)構(gòu)所受土壓力的性質(zhì),可將基坑支護分為被動支護和主動支護兩類。深基坑圍護結(jié)構(gòu)被動支護是一種傳統(tǒng)的支護方法,主要包括地下連續(xù)墻、排樁式圍護墻和撐錨體系。地下連續(xù)墻適用于各種地質(zhì)條件和安全等級的深基坑,并可進行逆筑法，施工,墻體既可用于深基坑施工時的臨時圍護墻,又能作為永久的地下結(jié)構(gòu),而且在施工時對環(huán)境影響小,因而得到了廣泛的應用。地下連續(xù)墻作為深基坑的支護結(jié)構(gòu)時必須先施工就位刁能進行深基坑的開挖,其施工方法是先分段開挖一狹長深槽,再吊放鋼筋籠并澆筑混凝土,從而筑成一段鋼筋混凝土墻段,最后將各墻段連接起來而形成連續(xù)的地下墻壁。排樁式圍護墻可采用鉆孔灌注樁、人工挖孔

6、樁、預制鋼筋混凝土樁、鋼板樁等樁型,圍護墻就是將樁按隊列式布置而組成的墻體。排樁式司護墻的布樁方式有柱列式排樁圍護墻、連續(xù)排樁圍護墻、雙排樁圍護墻等。撐錨體系包括支撐、拉錨兩大類。支撐設(shè)于深基坑部,山支撐、腰梁、冠梁與立柱等構(gòu)件組成,通常與圍護結(jié)構(gòu)聯(lián)合使用,作用是承受深基坑圍護結(jié)構(gòu)傳來的水土壓力并大幅增加支護結(jié)構(gòu)剛度,在周邊環(huán)境復雜的待開挖軟土深基坑中,支撐與圍護墻聯(lián)合支護具有剛度大、變形小、施工安全可靠的優(yōu)勢而被廣泛應用。如果深基坑周圍條件許可且工程地質(zhì)較好,可利用坑外拉錨增強圍護墻的剛度,但其可靠性較支撐方式略低。深基坑主動支護包括水泥土墻支護、土釘墻支護、噴錨支護、凍結(jié)支護、拱形支護等支

7、護型式,是一種從物理、化學和幾何等途徑以充分發(fā)揮和提高深基坑周圍土體自支撐能力的新型支護方法。此外,在一些傳統(tǒng)支護結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,近些年來也有一些新的施工方法得到應用,如SWM工法、MC樁,以與多種支護結(jié)構(gòu)的組合施工方法等。3. 深基坑變形模式深基坑工程的施工，開挖的過程中其實是一個圍護結(jié)構(gòu)部土體不斷挖出的過程，實際上是一個深基坑部土壓力不斷減小的過程，由于土體開挖導致應力釋放，致使周圍土體側(cè)移和深基坑發(fā)生變形，重新達到應力平衡。深基坑工程的變形方式主要有：深基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移、地表沉降和坑底隆起。研究表明，這三種變形是相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。下圖1為深基坑變形方式圖。圖1 深基坑變形方式4.圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

8、性對于圍護結(jié)構(gòu)影響其穩(wěn)定性主要原因有以下幾種：（a）支護結(jié)構(gòu)剛度不足或截面尺寸過??；（b）基坑超挖；（c）錨桿斷裂；（d）圍護結(jié)構(gòu)剛度不足導致變形過大引起周圍建筑物損害。其表現(xiàn)形式如圖2所示。圖2 影響圍護結(jié)構(gòu)德定的因素（a）隨著基坑開挖深度的增加，圍護結(jié)構(gòu)的支撐剛度不足或截面尺寸過小，導致支撐受到的側(cè)壓力過大而出現(xiàn)折等斷；(b)基坑超挖導致圍護結(jié)構(gòu)發(fā)生踢腳破壞等；(c)錨桿斷裂導致圍護結(jié)構(gòu)受力過大而出現(xiàn)較大變形；(d)圍護結(jié)構(gòu)剛度不足等引起變形過大等。從上述分析與綜合研究表明，基坑的圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與支護結(jié)構(gòu)的剛度、截面尺寸，基坑超挖，圍護形式與圍護剛度等有關(guān)系。5. 深基坑圍戶結(jié)構(gòu)的變形5

9、.1 深基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形，按其變形的模式，一般分為四種形式，如圖3所示。（1）弓形變形在軟土較深厚的地區(qū)，弓形變形以有支撐的圍護結(jié)構(gòu)，當其圍護結(jié)構(gòu)插入土體中的深度不大時，圍護結(jié)構(gòu)變形向坑拱出，有明顯的彎曲點，不一定有反彎點，但若有的話，反彎點以下曲線長度很短。（2）深埋式變形由于圍護結(jié)構(gòu)埋設(shè)較深，上端的變形較大，下端變形較小，大多數(shù)深埋的圍護結(jié)構(gòu)都是這種變形模式。（3）前傾型變形由于墻頂位移較大，變形曲線呈倒三角前傾，在墻底有時還會出現(xiàn)回翹現(xiàn)象，這主要是由于基坑頂端沒有設(shè)置支護結(jié)構(gòu)或設(shè)置支撐不與時時出現(xiàn)的情況。（4）踢腳型變形這種情形一般發(fā)生于軟土深厚游泥地區(qū)，由于圍護結(jié)構(gòu)入土深度相比開挖深

10、度不夠，使得底端發(fā)生較大位移，出現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)墻腳位移較大的踢腳變形。圖3 圍護結(jié)構(gòu)變形曲線圍護結(jié)構(gòu)變形的四種模式主要是產(chǎn)生變形因素的改變，但主要是圍護結(jié)構(gòu)入土深度的原因。設(shè)置圍護結(jié)構(gòu)的入土深度主要是為了保證深基坑施工的穩(wěn)定與安全。采取不同的圍護結(jié)構(gòu)時，對圍護結(jié)構(gòu)入土深度的設(shè)置較短時能夠取得較多的經(jīng)濟效益，因為圍護結(jié)構(gòu)是大多數(shù)情況下無法回收；而設(shè)置圍護結(jié)構(gòu)較短時，對基坑的穩(wěn)定和安全又會帶來影響，因此，保證合適的入土深度要達到經(jīng)濟合理的目的。5.2 按變形方向分，圍護結(jié)構(gòu)的變形可以分為水平變形與豎向變形。（1）水平變形由于深基坑工程坑土方幵挖使圍護結(jié)構(gòu)側(cè)原有土壓力消失，而安置的支護結(jié)構(gòu)承受上部土體外

11、側(cè)的土壓力，因此，支護結(jié)構(gòu)向側(cè)產(chǎn)生位移。深基坑工程的水平位移一般分為懸臂式位移、拋物線性型和綜合性。如圖4所示。圖4 支護結(jié)構(gòu)變形形式當基坑開挖較淺且在未設(shè)支撐時，不論釆取何種支護結(jié)構(gòu)形式墻頂位移最大為懸臂式變形狀態(tài)；在開挖深度向下發(fā)展的過程中，開挖上方架設(shè)支撐，由于上方得以固定，中間沒架設(shè)支撐的位置的水平位移逐漸增大，出現(xiàn)突向坑呈拋物線形式。（2）豎向變形基坑土體開挖使得下層土體應力釋放會使得圍護結(jié)構(gòu)有向上升的趨勢，由于支撐等有向下的位移趨勢，因此，出現(xiàn)上升下沉均有可能；一般在實際的工程中，墻體的豎向變形往往是可以忽略的。二、深基坑圍護結(jié)構(gòu)外力監(jiān)測技術(shù)此部分根據(jù)具體的工程實例火車站綜合交通換

12、乘中心北廣場深基坑工程圍護結(jié)構(gòu)的監(jiān)測來說明。1.監(jiān)測容 本文對火車站綜合交通換乘中心北廣場深基坑工程圍護結(jié)構(gòu)的監(jiān)測主要依據(jù)建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)(GB50497-2009)中對建筑基坑圍護結(jié)構(gòu)監(jiān)測的技術(shù)要求。利用科學的施工監(jiān)測方法和手段，在科學計算和數(shù)據(jù)的指導下，確?；故┕さ陌踩？紤]到本基坑工程周圍環(huán)境的性質(zhì)和安全等級，確定基坑圍護結(jié)構(gòu)監(jiān)測主要有以下幾個方面的容： （1）樁頂位移監(jiān)測 樁頂水平位移監(jiān)測，是深基坑圍護工程施工監(jiān)測的一項基本容。通過對圍護樁進行樁頂水平位移監(jiān)測，可以掌握圍護結(jié)構(gòu)在基坑施工期的平面變形情況。將其與設(shè)計狀態(tài)進行比較，可分析基坑施工對基坑安全性與對周圍環(huán)境的影響。同時

13、，圍護樁頂水平位移數(shù)值可以作為樁體深層水平位移的基準值。圍護樁項水平位移一般使用全站儀進行監(jiān)測。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，可以對基坑安全性進行評估。 （2）圍護結(jié)構(gòu)沉降 圍護結(jié)構(gòu)沉降也是反映基坑安全的一個指標，當支護形式為放坡、土釘墻、水泥土墻時，圍護結(jié)構(gòu)的沉降監(jiān)測就顯得尤為重要。沉降監(jiān)測一般采用精密水準儀進行量測。由于本文中項目采用的是密排樁形式，其沉降量很小，因此，不作為圍護樁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的重點。（3）圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移 支護結(jié)構(gòu)在基坑開挖后，將起到平衡基坑外的水土壓力的作用。圍護結(jié)構(gòu)在基坑外側(cè)水土壓力作用下，會發(fā)生側(cè)向變形。為了掌握圍護結(jié)構(gòu)的在不同深度上各點的側(cè)向變形，即水平位移，可通過圍護結(jié)

14、構(gòu)的測斜監(jiān)測來實現(xiàn)。圍護結(jié)構(gòu)的測斜監(jiān)測一般使用活動式測斜儀進行監(jiān)測。 （4）樁應變監(jiān)測對圍護墻體力監(jiān)測主要是針對圍護樁體的彎矩監(jiān)測，通過測試圍護樁體的主筋受力情況，來分析支護結(jié)構(gòu)承受的彎矩，以防止圍護樁因強度不足而導致支護結(jié)構(gòu)破壞。鋼筋的受力測試可使用鋼筋計。由于要監(jiān)測圍護樁體的彎矩情況，因此在鋼筋計布置時，應在圍護墻體的墻前、墻后成對布置，并沿圍護墻豎向每隔一定距離布置一對。 （5）圍護結(jié)構(gòu)錨索軸力監(jiān)測 錨索軸力監(jiān)測可校核實測拉力與設(shè)計計算拉力的差別，與時發(fā)現(xiàn)基坑施工過程中支護結(jié)構(gòu)的異常情況，與時采取相應措施，避免發(fā)生基坑安全事故。錨索軸力監(jiān)測一般采用錨索計，安裝在錨索錨頭下。2.監(jiān)測方法2

15、.1樁頂水平位移監(jiān)測 （1）測點的埋設(shè)與布置 基坑圍護樁樁體監(jiān)測點設(shè)在圍護結(jié)構(gòu)冠梁頂上，根據(jù)建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)中的要求，監(jiān)測點水平間距不宜大于 20 米，且每邊監(jiān)測點數(shù)目不少于 3 個。本文先擇每隔 15 米設(shè)一點。澆冠梁砼時預埋 15 長的20 鋼筋，鋼筋頭露出地面 15 ，鋼筋頭磨成半球狀并刻“十”字，作為水平和豎直位移的觀測點。埋設(shè)測點時用經(jīng)緯儀控制，使同一條邊測點盡量埋設(shè)在同一條直線上。 （2）監(jiān)測方法 水平位移監(jiān)測可采用方向觀測法和垂距法進行監(jiān)測，按照二級位移觀測精度進行觀測，二級測角網(wǎng)各項技術(shù)要求如下:表 1 測角控制網(wǎng)技術(shù)要求等級最弱邊邊長中誤差平均邊長測角中誤差最弱邊邊長中

16、誤差二級3.0mm300m1.5”1:100000水平角觀測宜采用方向觀測法，當方向數(shù)不多于 3 個時?？刹粴w零；對位移觀測點的觀測，宜采用 2”級全站儀，按照 1 測回觀測。方向觀測法的限差應符合下表規(guī)定：表 2 方向觀測法限差儀器類別兩次照準目標讀數(shù)差半測回歸零差一測回2C互差同一方向值各測回互差DJ26”8”13”8”根據(jù)現(xiàn)場情況，由于基坑存在兩個國家基準點，同時采用垂距法測量采施工的影響較大，本文選擇采用方向法對樁頂水平位移進行監(jiān)測。具體實施方法是基于基準線，采用全站儀對各測點進行邊角測量，計算各測點的坐標值，由坐標值的變化來得到樁頂?shù)乃轿灰?。根?jù)基準點的位置，為滿足方向觀測的通視要

17、求，避開基坑施工的干擾，選擇如圖 2.2 所示的閉合路線，閉合路線中設(shè)置五個轉(zhuǎn)點。在監(jiān)測中首先測量各轉(zhuǎn)點的坐標，再利用基準點和各轉(zhuǎn)點對樁頂布置的各個水平位移監(jiān)測點進行觀測，得到各監(jiān)測點的坐標值，由此計算樁頂水平位移。圖5 樁頂水平位移監(jiān)測方案22圍護結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測 （1）測點的埋設(shè)與布置 圍護結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測點與樁頂水平位移的監(jiān)測測點共用。 （2）監(jiān)測方法 圍護結(jié)構(gòu)頂部垂直位移（沉降）監(jiān)測用幾何水準法，儀器為精密水準儀。首次觀測時，按同一水準線路同時觀測兩次，每隔一定時間繪制出時間沉降曲線。為確保測量精度，選用已有的國家基準點作為水準測量的基準點。23 圍護結(jié)構(gòu)測斜監(jiān)測（1） 測斜管的埋設(shè)與布置 根

18、據(jù)建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)中的要求，圍護樁深層水平位移監(jiān)測測點布置水平間距宜為 20 米到 50 米的圍。本文的測斜管為沿車站圍護結(jié)構(gòu)每隔 35 米設(shè)一個。測斜管采用綁扎方法固定在鋼筋籠上，一起吊入孔中。在進行測斜管管段連接時，必須將上下管段的滑槽對準，使測斜管的探頭在管平滑移動。為了防止砼漿進入管，還須對接頭密封處理。測斜管埋設(shè)時，保證管一條導槽的方向為圍護結(jié)構(gòu)的垂直方向，這樣便可保證所測得的傾斜值反映的是圍護樁向基坑的深層水平位移。（2）監(jiān)測方法 圍護結(jié)構(gòu)水平位移表現(xiàn)在圍護結(jié)構(gòu)的傾斜程度，應用側(cè)斜儀進行監(jiān)測的基本原理是：將測斜探頭放入測斜管底部，提升電纜使測斜探頭沿測斜管導槽滑動，自上而下每

19、隔一定距離逐點量測每個測點相對于鉛垂線的偏斜。測點間距一般就是探頭本身長度，因而可以認真量測結(jié)果沿整個測斜孔是連續(xù)的，這樣，同一量測點任何兩次量測結(jié)果之差，即表示量測時間間隔圍護結(jié)構(gòu)在該點的角變位。據(jù)這個角變位，可以把它們換算成每個測點相對于測斜管基準點水平位移。由此，可以提供圍護結(jié)構(gòu)沿深度方向的水平位移隨時間變化的曲線。測斜監(jiān)測采用測斜儀，觀測精度可達 1mm，測斜管應在測試前 5 天裝設(shè)完畢，在35 天重復測量不少于 3 次，判明處于穩(wěn)定狀態(tài)后，進行測試工作。觀測方法，使測斜儀處于工作狀態(tài)，將測頭導輪插入測斜管導槽，緩慢放置管底，然后由管底自下而上沿導槽每隔 1m 讀數(shù)一次，并按記錄鍵。測

20、讀完畢后，將探頭旋轉(zhuǎn) 180插入同一導槽，以上述方法再測一次，測點深度同第一次。觀測數(shù)據(jù)輸入計算機，利用測斜儀數(shù)據(jù)處理軟件計算成果。圖6 測斜儀的基本原理2.4圍護結(jié)構(gòu)樁應變監(jiān)測（1）測點布置 根據(jù)監(jiān)測點應力計算值，選擇混凝土應變計的量程，在安裝前對應變計進行拉、壓兩種受力狀態(tài)的標定。在施工時選擇 3 個斷面的樁體進行監(jiān)測。 振弦式混凝土應變計安裝方法是與受力鋼筋并聯(lián)，測量鋼筋處混凝土應變。應變計與主筋采用綁扎并聯(lián)的方式聯(lián)結(jié)，在綁扎鋼筋籠的同時綁扎應變計。布設(shè)應變計時，選取具有代表性的斷面，布設(shè)點須設(shè)在支撐位置。 在澆筑砼前，對鋼筋籠上的應變計逐一編號，核定位置，將應變計上的導線逐段捆扎在鄰近

21、的鋼筋上，引到地面的測試匣中，并注意導線的保護。砼澆筑后，檢查應力計電路電阻和絕緣情況，作好引出線和測試匣的保護措施。（2）監(jiān)測方法 隨著基坑的開挖，支護結(jié)構(gòu)背部所受土壓力逐漸增大，即使施工完成后受周邊地表荷載的影響其土壓力仍會不斷調(diào)整，為確保其結(jié)構(gòu)應力滿足強度要求，保證周邊既有建筑物安全，必須對結(jié)構(gòu)應力進行監(jiān)測。 支護結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式不同，其應力監(jiān)測容也有所不同對于樁錨形式的支護結(jié)構(gòu)，一般采用采用混凝土應變計測量受力主筋周圍的混凝土的應力。這些傳感器均可通過便攜式測試儀表或自動化測試系統(tǒng)快速、準確測讀其物理量，監(jiān)測元件的布置示意圖如圖 7 所示。圖7 監(jiān)測元件的布置示意圖（3）儀器工作原理 振

22、弦式混凝土應變計測試應變的原理為：經(jīng)過把應變轉(zhuǎn)換為拉(或壓)力作用在鋼弦上，改變鋼弦所受的力，在磁芯的激發(fā)下，使鋼弦的自振頻率隨力變化而變化。通過頻率的變化可以換算出應變的變化值。由于鋼弦被置于電測原件“磁芯”的磁場中，當鋼弦振動時就在接收線圈中產(chǎn)生感應電動勢 V。測出它的頻率就確定了被測鋼弦的自振頻率，即可確定被測物體的應變。2.5圍護結(jié)構(gòu)錨索軸力監(jiān)測由于錨索處于彈性工作狀態(tài)，所以只要在錨索端部布設(shè)一個錨索計便能測出錨索的力。由于基坑錨索的特殊性，本文選擇自制錨索計。錨索計變類似于壓力環(huán)，其測力原理是采用電阻應變片測應變。圖8 金屬電阻絲受拉變形示意圖3. 圍護結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析圍護結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析主要的主要任務是： （1）確定各監(jiān)測容的預警值； （2）對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析。3.1總體預警方案的確定當監(jiān)測數(shù)據(jù)達到管理基準值的 70%時，定為警戒值，應加強監(jiān)測