信息化施工技術在深基坑支護中的應用

李 垚，李 峰，孫澤宏

(1.淮南職業(yè)技術學院能源工程系，安徽淮南 232001; 2.陜西省一八六煤田地質(zhì)有限公司, 西安 710075)

深基坑支護是基礎工程地下工程中的一個綜合性課題，也是巖土工程中的難題。采用信息化施工技術，通過跟蹤采集施工活動中各種信息，加工處理并與預測值相比較，及時可靠的預測施工中可能遇到的問題，使設計達到經(jīng)濟合理，施工快捷、安全的目的。

1 信息化施工技術

信息化施工技術基本思路是：在施工中跟蹤采集有關的信息，經(jīng)設計計算模型分析加工處理，與預測結果相比較，得到較為全理的相關參數(shù)，預測下一施工階段支護結構穩(wěn)定性，及對鄰近設施的影響程度，以便能及時調(diào)整設計或采取措施，防患于未然。

信息化施工技術主要由兩部分組成：信息的采集和信息的分析與反饋(圖1)。

1.1 信息的采集

信息的采集通常是通過設置于支護結構、土體及鄰近建筑物中的監(jiān)測系統(tǒng)來實現(xiàn)。由于變形、作用力及基坑周圍環(huán)境變化是土體與支護結構相互作用最直接觀的反映，因此信息采集對象主要為擋土樁(墻)、支撐結構(土層錨桿)、鄰近建筑物、基坑周邊及自然環(huán)境等，監(jiān)測內(nèi)容涉及以下幾個方面：

1)基坑周邊土體的位移與沉降量。

2)支護結構的變形量。

3)支護結構的應力變化。

4)地下水水位變化。

5)作用于支護結構上的土壓力。

6)鄰近建筑物及設施的變形。

7)基坑基底回彈量。

8)自然環(huán)境變化對支護結構的影響。

9)支護結構的基本試驗(包括材料試驗、錨桿試驗、抽水試驗等)。

信息采集除現(xiàn)場調(diào)查外，主要利用測量儀器來實現(xiàn)，常用的儀器有水準儀、經(jīng)緯儀、測斜儀、鋼筋計、土壓力計、水壓力及水位動態(tài)觀測儀等。

圖1 信息化施工組成部分Figure 1 Components of informationalized construction

無論采用何種儀器、任何方法采集監(jiān)測信息，均應滿足一定的技術要求。首先，觀測必須有一定的計劃和目的，在基坑工程施工前制定詳細、周密的監(jiān)測計劃，明確監(jiān)測所要達到的目的；其次，監(jiān)測的方法、頻率和測點的布置必須合理，所施用的儀器和精度滿足有關技術規(guī)范要求。此外，由于基坑開挖是一個動態(tài)的施工過程，監(jiān)測必須及時，并根據(jù)環(huán)境及施工條件的變化進行實時跟蹤監(jiān)測，只有這樣才有利于發(fā)現(xiàn)問題，及時采取措施。

1.2 信息處理與分析

眾所周知，深基坑施工過程是一個動態(tài)過程，因此，采集的信息應及時進行數(shù)據(jù)處理，提交監(jiān)測成果，以便及時發(fā)現(xiàn)問題并進行處理。分析成果通常包括如下幾方面的內(nèi)容：

1)擋土樁(墻)的位移時程曲線。

2)擋土樁(墻)頂?shù)奈灰茣r程曲線。

3)擋土樁(墻)的內(nèi)力及彎矩變化時程曲線。

4)樁(墻)后土壓力分布曲線。

5)樁(墻)后土壓力與擋土結構位移曲線。

6)邊坡土體位移與基坑開挖深度、氣候變化等因素的時程曲線。

7)鄰近建筑物沉降及水平位移時程曲線。

8)土層錨桿有關試驗曲線及其內(nèi)力、位移變化曲線。

9)地下水水位、降水井涌水量時程變化曲線。

利用上述分析成果，通過反演分析得到有關參數(shù)和結果，再與設計計算值、容許值比較，以便預測施工中存在的問題，及時反饋給設計和施工單位，調(diào)整和優(yōu)化施工設計。

2 應用實例

在具體的深基坑支護工程應用中，隨場地工程地質(zhì)條件和施工環(huán)境不同，所要考慮和解決的問題重點和信息的采集內(nèi)容也不相同。以下工程實例，就信息化施工技術與深基坑支護設計、施工、地下水分析應用做一介紹。

2.1 工程概況

某深基坑工程位于北京市宣武區(qū)白廣路二條一號，中國電力企業(yè)聯(lián)合院內(nèi)，擬建建筑物主樓20 層，高80m，框架結構，基礎埋深17.5～18.5m?；哟┰酵翆幼陨隙乱来螢椋喝斯ぬ罘e層(5.5m)、砂質(zhì)粉土層(2.5m)、細粉砂層(5.25m)、卵石、圓礫石層(4.5m)、細粉砂層(2.5m)、卵石、圓礫石層(>10m)。該工程東側緊鄰新建高層辦公大樓、蓄水池及五層舊辦公樓，西側緊鄰鍋爐房煙囪，且基坑四周圍地下管線復雜(圖2)，對邊坡變形控制要求較高。

圖2 場地平面圖Figure 2 Site plan

2.2 施工設計方案

由于基坑四周緊鄰重要建筑物和對不均勻沉降較為敏感的高聳煙囪、水池等構筑物(最近的距基坑邊僅1.85m)。因此，基坑施工不能對原有建筑物基礎持力層產(chǎn)生擾動，嚴格控制基坑邊坡土體變形，確?；余徑ㄖ锊皇芷茐氖潜竟こ讨ёo的先決條件，也是支護設計方案中需要解決的一個難題。支護結構采用護坡樁+土層錨桿支護結構(表1、表2)，結合動態(tài)信息化設計施工技術方案，以便發(fā)現(xiàn)和預測工程中存在的問題。

2.3 施工過程

結合本工程支護特點和重點，在施工過程中建立了完善的信息化施工系統(tǒng)，系統(tǒng)網(wǎng)絡由信息采集系統(tǒng)和設計優(yōu)化系統(tǒng)組成。將信息采集系統(tǒng)所采集的信息經(jīng)加工處理后與設計值相比較，以判斷支護系統(tǒng)安全可靠性，并通過優(yōu)化計算模型，預測下一步施工中可能存在的問題，對設計中不足之處加以調(diào)整，使施工設計更為合理。

表1 基坑支護結構護坡樁設計方案

表2 土層錨桿設計

2.3.1 樁體位移監(jiān)測

本工程樁體位移采用美國測斜儀公司生產(chǎn)的伺服加速度測試儀。

從樁體水平位移測試曲線(圖3)可以看出:

1)當基坑開挖至第二層錨桿施工深度(13.3m)位于建筑物鄰近的各測點水平位移最大值小于12mm，最小值為-2 mm(負號表示向邊坡方向發(fā)生位移)。支護結構位移未超過警戒值，說明支護系統(tǒng)較為穩(wěn)定。

2)測試曲線反映出支護結構安全儲備較大，其支護能力在一定程度上并未得以充分發(fā)揮。

3)樁體在第一層錨桿預應力作用下，向邊坡方向發(fā)生了少量位移，說明預應力的施加有效的控制了邊坡土體向臨空方向發(fā)生位移。

4)過于控制樁體的水平位移，反而使樁體所受彎矩提高，對于支護工程設計并不經(jīng)濟。

5)依據(jù)上述監(jiān)測結果及其它監(jiān)測信息，鑒于基坑護坡樁、第一層錨桿已施工，且樁體配筋較大，有較高的抗彎能力，卵石層能為錨桿提供較高承載力，結合現(xiàn)場實際施工條件，利用變形數(shù)據(jù)，進行反演計算，調(diào)整原設計方案為：將A、B、C、D、E、F樁區(qū)的第二層錨桿調(diào)整為統(tǒng)一標高，即方便施工，且增強了支護結構的整體性；將D、F樁區(qū)的三層錨桿變更為二層錨桿。調(diào)整后錨桿有關參數(shù)見表3。

6)監(jiān)測曲線C-2說明，經(jīng)優(yōu)化后的支護結構仍能保證基坑施工安全和其鄰近建筑物的安全，且支護系統(tǒng)的支護能力得以充分調(diào)動，表明調(diào)整設計后的支護系統(tǒng)較為安全、經(jīng)濟。

2.3.2 樁頂位移監(jiān)測

為了確?；又苓吔ㄖ锏陌踩?，及時掌握基坑施工過程對其影響程度，在基坑鄰近建筑物周圍布置測點，對建筑物沉降進行了監(jiān)測。監(jiān)測結果表明：北主樓沉降量為0.8～2.3mm，沉降差為1.5mm；塔樓沉降量為0.8～1.9mm，沉降差為1.1mm；煙囪沉降量為3.9～5.9mm，沉降差為2.0mm ：均小于建筑規(guī)范要求。

2.3.3 地下水位動態(tài)觀測

在基坑護坡樁施工過程中，通過現(xiàn)場十幾個樁孔對地下水位進行了監(jiān)測，監(jiān)測結果表明地下水位埋深22.8～21.0m，位于A、B樁端上1.0m，C、D、E、F樁端上2.8～3.0m。鑒于本工程工程地質(zhì)條件和現(xiàn)場施工條件，將原施工設計中的機械成孔方案進行了修改，提出了利用樁孔進行降水和水位觀測，采用人工挖孔樁進行成孔，從而大大加快了施工進度，降低了施工費用。

2.4 施工成果

本工程施工過程中由于全面采用了信息化施工理念，通過對基坑開挖過程中的樁體變形、邊坡位移等動態(tài)監(jiān)測，并將所采集到數(shù)據(jù)應用到工程優(yōu)化設計中，在確保邊坡及鄰近建(構)筑物安全、穩(wěn)定的前提下，對錨桿層位進行了優(yōu)化調(diào)整，為施工提供了必要條件，同時減小D、F區(qū)段錨桿層數(shù)，大大降低了錨桿工程量， 節(jié)約了施工成本。此外通過現(xiàn)場對地下水位監(jiān)測，盡管地下水位位于樁端以上，通過綜合分析、評判，通過調(diào)整成樁工藝，避免了卵石層中護坡樁機械施工難度大，降低了成樁費用。

圖3 樁體水平位移監(jiān)測曲線Figure 3 Pile body horizontal displacement monitoring curve

樁區(qū)層位A+B一二C一二D一二E一二F一二標高/m-6.6-12.8-6.6-12.8-6.6-12.8-6.6-12.8-6.6-12.8傾角/(°)20-2220-2213-1520-2216-1820-2218-2020-2220-2220-22長度/m2620.5282025.519.524.524.524.021.0錨固段/m18.016.018.016.015.515.017.518.515.516.5承載力/t 47.078.065.080.061.076.073.581.046.073.0預應力/t35.056.042.056.048.056.052.057.035.056.0

3 結語

基坑支護工程是一個系統(tǒng)性工程，又是一個臨時性工程。它不僅僅涉及至巖土工程，同時也是一個結構性工程，并受到場地周邊環(huán)境、巖土條件、施工條件等方面制約。而土體本身是一個摩擦性材料，土壓力計算目前仍停留在庫倫、朗金土壓力計算理論階段，實際設計計算中很難進行準確計算。本文通過一基坑支護工程設計、施工實例，應用基坑邊坡變形、支護結構變形、受力、周邊鄰近建(構)筑物變形等信息數(shù)據(jù)，進行分析、反演，優(yōu)化了支護結構設計，降低支護施工成本，闡明信息化施工技術在工程中的應用。