基于信息化施工的超深基坑變形規(guī)律的研究

裴 迅，肖 穎

（1.鄭州工業(yè)應用技術學院建筑工程學院，鄭州451100；2.鄭州市西繞城公路建設發(fā)展有限公司，鄭州451100）

0 引言

在城際鐵路明挖法隧道工程的設計中，基坑圍護結構的設計在明挖法工程結構設計中占有重要的比重。根據國內外大量工程數據表明，基坑圍護結構費用在整個工程造價中約占1/3。因此，科學合理的圍護結構的設計，不僅能夠節(jié)約工程的總造價，保證工程及周邊環(huán)境的安全，而且能夠帶來可觀的社會經濟效益。

20世紀40年代，Terzaghi[1]和Peck[2]等人通過大量的工程分析和研究，提出了預估挖方的穩(wěn)定程度和支撐受荷大小的總應力法；20世紀50年代，Bjeruum和Eide通過對基坑開挖過程中底板隆起量的分析和研究，總結出了確定基底隆起的方法[3]。

我國的深基坑支護結構設計出現的相對較晚。曾慶義、楊曉陽[4]通過對基坑抗隆起穩(wěn)定影響因素的分析，總結出了基坑支護開挖中抗隆起穩(wěn)定的計算方法；劉國彬、侯學淵[5]根據大量的試驗分析及研究，對上海地區(qū)的典型軟土的本構關系進行了研究，對基坑支護設計及基坑開挖施工有重要的意義。

1 圍護結構變形模式

通過對大量基坑圍護結構水平位移監(jiān)測數據分析，剛性圍護結構變形模式有墻體向坑內平移、墻體繞墻趾向坑內轉動、墻體繞墻頂向坑內轉動三種；柔性圍護結構變形模式，表示墻體向坑內鼓脹。

2 支護體系施工監(jiān)測

以鄭機城際鐵路明挖隧道深基坑工程為研究背景，通過對監(jiān)測資料的分析研究，總結圍護結構變形的基本規(guī)律，同時結合鋼支撐實際受力情況，對支護體系各部分的協同作用進行研究。

2.1 工程背景

本期施工為鄭機城際鐵路地下段第Ⅳ標段，總長為5 216.1m，設計起止里程為DK38+883.90～DK44+100。由于區(qū)間段結構斷面過大，擬采用明挖順作法進行施工。

2.2 深基坑支護結構方案

研究對象為超深基坑工程項目，基坑標準段寬度為14.15m，深22m。本建深基坑選用的支護方案為：先對第一層按照1:1.25的比例土進行放坡開挖，再施作圍護結構。鉆孔灌注樁選用直徑為1 000mm，樁間距為1 400mm，樁體之間土采用噴射混凝土封閉，樁頂設置冠梁，尺寸1 000×1 000mm。樁身長25.4m，其中嵌固深度為9.4m。基坑地層結構及圍護結構斷面如圖1所示。

2.2.1 監(jiān)測內容

結合研究內容，根據設計要求及工程的特點，對基坑變形進行重點監(jiān)測。施工前應做好對周圍建筑物（含地下管線）情況的調查及記錄工作，基坑開挖后，應及時觀察基坑內外情況，對工程和水文地質情況，支護狀態(tài)及地面的變形、裂縫情況進行記錄。

監(jiān)測內容主要有以下幾個方面：

1）圍護樁體水平位移（樁體變形）；

2）圍護樁頂水平位移；

2.2.2 監(jiān)測方法

1）圍護樁體水平位移（樁體變形）監(jiān)測

圖1 深基坑圍護結構斷面示意圖

圍護樁的樁體變形監(jiān)測采用測斜儀和預埋的測斜管。測斜儀是一種能夠精確測量支護結構內部水平位移的工程測量儀器。其核心設備是二力平衡的伺服加速度計。具有耐久性，高精度,快速反應等優(yōu)點。本工程采用SR-IM便攜式數字管樁測斜儀，現場樁體變形監(jiān)測見圖2。

圖2 樁體變形監(jiān)測施工現場

2）圍護樁頂水平位移監(jiān)測

監(jiān)測點觀測按《工程測量規(guī)范》GB50026-2016二等水平位移監(jiān)測網技術要求觀測，監(jiān)測點水平位移觀測根據現場條件，一般采用極坐標法。本工程圍護樁頂水平位移使用全站儀進行量測，測點水平位移觀測采用極坐標法。

2.2.3 監(jiān)測點的布置

根據工程的實際情況，科學合理的布置監(jiān)測點，統籌兼顧監(jiān)測布置點與工作量此消彼長的關系。力爭用較少的工作量來反映基坑的穩(wěn)定性的變化情況，達到各種監(jiān)測結果、作用關系相互驗證的目的。本基坑工程采用如下測點布置方式：

在基坑兩側冠梁上分別布置樁體水平位移監(jiān)測點，相鄰兩側點水平間距為15m。測點編號為cx-01-01、cx-01-02、cx-01-03和 cx-02-01、cx-02-02、cx-02-03。監(jiān)測點布置平面圖見圖3。

2.2.4 監(jiān)測頻率與周期

本工程監(jiān)測周期自基坑開挖前測量初始值開始到基坑回填完畢結束。當監(jiān)測值超過報警值或有危險事故征兆時，需加密監(jiān)測。

2.3 樁體水平位移變化規(guī)律

重點分析本工程設計里程段DK42+190-DK42+250樁體水平位移。

圍護樁體水平位移變化規(guī)律的監(jiān)測，是基坑開挖過程穩(wěn)定性最直接反應。由于土方開挖對測斜管造成堵塞等原因，選取監(jiān)測點cx-02-01的監(jiān)測數據進行分析，具體位置見圖3。基坑開施工過程中，土方開挖順序、無支撐暴露時間等施工因素對圍護樁體的穩(wěn)定和變形有著密切的聯系，圍護樁體的變形隨著基坑開挖過程的不同而不同。

圖3 監(jiān)測點布置平面圖

通過對5個主要施工時間階段監(jiān)測數據的分析，對基坑開挖過程中圍護結構的變形規(guī)律進行研究。研究發(fā)現：樁頂位移位于3～5mm內，最大水平位移為8.52mm，其中絕大部分的位移量發(fā)生在第一層鋼支撐施加之前。樁身位移最大值為8.52mm，且未超過警戒值50mm，所以基坑是安全的，圍護結構強度滿足工程要求。基坑支護開挖過程中樁體水平位移變化曲線如圖4所示。

圖4 監(jiān)測點cx-02-01各施工階段水平位移變化曲線

圖4反應的是各個主要施工階段樁體水平位移隨基坑深度變化的曲線，也是圍護結構安全狀況的重要指標。由圖中2013/8/11曲線可知，基坑放坡開挖對圍護樁的水平位移的影響不大。由于土方開挖深度較小，此時圍護樁位移表現出懸臂樁的性狀，樁頂水平位移為-1.23mm。

比較曲線2013/8/22和曲線2013/9/8可知，在基坑開挖初期，由于基坑無支撐暴露時間過長，樁頂向基坑內側水平位移明顯增大，隨著第一層鋼支撐的安裝及對圍護樁的限制作用，圍護樁向基坑內的水平位移減小并逐漸向基坑外側發(fā)展，限制了圍護樁水平位移進一步向基坑內的發(fā)展。由于施工機械、氣候變化和建材運輸車輛的影響，樁頂水平位移波動明顯增強，但不影響基坑的穩(wěn)定。

曲線2013/9/28表明，隨著基坑開挖深度的繼續(xù)增加，圍護樁水平位移向基坑內側發(fā)展，主動土壓力顯著增大，樁體位移表現出明顯的時空效應。由于第二層鋼支撐的及時架設，控制了基坑變形的發(fā)展。同時由于第一層鋼支撐的作用，樁頂水平位移為3.83mm。

曲線2013/10/13是基坑開挖至設計基底標高時樁體的水平位移曲線，由于第三層鋼支撐的施加，樁身在1.0m處水平位移值為向基坑外3.99mm；在基坑深度3.0m處，表現為向基坑內8.52mm，且均控制在樁體水平位移最大允許值50mm內。

3 結論

以鄭機城際鐵路隧道深基坑為工程背景，研究了深基坑工程中鉆孔灌注樁+鋼支撐支護體系的受力特征及變形規(guī)律。主要內容和結論如下：

1）分析了深基坑常見的變形現象及變形機理，研究了支護結構體系的適用性及支護體系的破壞模式。為保證基坑變形控制在工程允許范圍內，選擇合理的支護設計方案并對施工現場進行監(jiān)測，開展信息化施工。

2）對基坑開挖施工進行系統的監(jiān)測，重點分析了圍護樁變形。圍護樁水平位移不僅是評價圍護結構安全的重要指標，而且與鋼支撐軸力變化密切相關。同時，由于鋼支撐對圍護樁的作用下，基坑地表沉降發(fā)展也得到了限制。現場監(jiān)測數據表明，基坑支護體系滿足受力和變形要求，且基坑設計方案較保守。