深基坑围护结构位移变形和内外力监测技术.docx

深基坑围护构造位移变形及内外力监测技术一、深基坑围护构造及其位移变形L地铁深基坑特点地铁施工中,通常在地铁车站处采用明挖法进展，必然产生比拟深的深基坑，对于有多条 地铁线路相交的换乘枢纽站来说，其深度更大，。相对于一般根基工程而言，地铁深基坑工程具 有许多特点，概括起来主要有以下儿个方面：1）深度大。通常在十米以上,对于有线路穿插的换乘车站其深度会更大开挖面积大, 长度与宽度有的达数百米给支撑系统的设计、施工和平安保障带来较大的困难。（2）地铁往往修建在大型城市，而我国绝大局部大型城市位于沿海或滨江地带，这些区域 的工程水文地质条件很差,且施工期受地表交通影响非常严重，在软弱的地层、高水位及其它 复杂场地条件下开挖深基坑,极有可能会产生土体滑移、深基坑失稳、桩体变位、坑底隆起、 支挡构造严重漏水、流土以至破损等病害，对深基坑工程自身及周边建筑物、地卜构筑物、 市政设施和地下管线的平安造成很大威胁。（3）施工周期长，且场地受限制多。地铁深基坑沿线往往有大量已建或正在建的高层建 筑、市政管线等，进展深基坑施工时除保障其本身的工程平安外，还需严格控制变形值,保障周 边建构筑物的平安。4）因地而异。不同城市、不同地点的工程及水文地质条件存在较大差异，而且施工环 境及气象也各不一样，这些都直接影响深基坑施工方案的选择及平安。（5）技术要求高，涉及面广。地铁深基坑工程牵涉到土力学、岩石力学、混凝土构造、钢 构造等的设计及施工监测技术,必须选择合理的设计及施工参数、方法来组织施工及平安防 护。6）施工与设计相互关联。地铁深基坑工程对技术要求高,施工与设计必须相互协调, 在设计时就要对施工工艺、支护方法、支护构造变形及受力情况进展充分考虑，以施工影响 设计。7）对深基坑的支护技术要求高、方法多，深基坑支护的方法主要有、地下连续墙、预 制桩、深层搅拌桩、钢木支撑、拉锚、抗滑桩、注浆、喷锚网支护法、人工挖孔桩、各种桩 墙、板、管、撑同锚杆联合支护法和土钉墙法等，如何根据工程实际情况选择施工方法非常 关键。（8）平安隐患多，事故多发，一。由于影响深基坑施工的平安因素很多，甚至有些是随机 性的因素，使得国内外深基坑施工引起的平安事故屡屡发生。2 .深基坑支护方法基坑施工方法大致可分为无支护开挖和支护开挖两大类。基坑施工中无支护开挖工艺是 一种很简单又很经济的施工方法,只要在施工现场有足够的空间放坡，基坑周边环境简单，且 地质条件符合要求时，往往优先采用。支护开挖那么刚好相反，这种方法通常在基坑周围预先 建造排桩或地下连续墙等围护构造，然后才一能开挖土方，有时为了增强围护构造的刚度，还 会设置内支撑或拉锚。对变形控制严格、周边环境复杂的大型深基坑工程，必须采取支护开 挖的施工方法。深基坑围护构造主要需承受侧向土压力及水压力，还有可能承受邻近建筑物基底压力、 施工荷载、地面堆载、车辆荷载等周边环境引起的附加压力。按照围护构造所受土压力的性 质，可将基坑支护分为被动支护和主动支护两类。深基坑围护构造被动支护是一种传统的支 护方法，主要包括地下连续墙、排桩式围护墙和撑锚体系。地下连续墙适用于各种地质条件和平安等级的深基坑，并可进展逆筑法，施工，墙体既可 用于深基坑施工时的临时围护墙，又能作为永久的地下构造，而且在施工时对环境影响小，因 而得到了广泛的应用。地下连续墙作为深基坑的支护构造时必须先施工就位刁、能进展深基 坑的开挖，其施工方法是先分段开挖一狭长深槽，再吊放钢筋笼并浇筑混凝土,从而筑成一段 钢筋混凝土墙段,最后将各墙段连接起来而形成连续的地下墙壁。排桩式围护墙可采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制钢筋混凝土桩、钢板桩等桩型，围 护墙就是将桩按队列式布置而组成的墙体。排桩式司护墙的布桩方式有柱列式排桩围护墙、 连续排桩围护墙、双排桩围护墙等。撑锚体系包括内支撑、拉锚两大类。内支撑设于深基坑 内部，山支撑、腰梁、冠梁及立柱等构件组成，通常与围护构造联合使用，作用是承受深基坑围 护构造传来的水土压力并大幅增加支护构造刚度，在周边环境复杂的待开挖软土深基坑中，内 支撑与围护墙联合支护具有刚度大、变形小、施工平安可靠的优势而被广泛应用。如果深基 坑周围条件许可且工程地质较好,可利用坑外拉锚增强围护墙的刚度，但其可靠性较内支撑方 式略低。深基坑主动支护包括水泥土墙支护、土钉墙支护、喷锚支护、冻结支护、拱形支护等支 护型式，是一种从物理、化学和儿何等途径以充分发挥和提高深基坑周围土体自支撑能力的 新型支护方法。此外，在一些传统支护构造的根基上,近些年来也有一些新的施工方法得到应用，如SWM 工法、MC桩，以及多种支护构造的组合施工方法等。3 .深基坑变形模式深基坑工程的施工，开挖的过程中其实是一个围护构造内部土体不断挖出的过程，实际 上是一个深基坑内部土压力不断减小的过程，由于土体开挖导致应力释放，致使周围土体侧 移和深基坑发生变形，重新到达应力平衡。深基坑工程的变形方式主要有：深基坑围护构造 侧移、地表沉降和坑底隆起。研究说明，这三种变形是相互关联的系统。以以下列图1为深基 坑变形方式图。图1深基坑变形方式4 .围护构造稳定性对于围护构造影响其稳定性主要原因有以下几种：3)支护构造刚度缺乏或截面尺寸过 小；(b)基坑超挖；(c)锚杆断裂；Id)围护构造刚度缺乏导致变形过大引起周围建筑物损 害。其表现形式如图2所示。图2影响围护构造德定的因素(a)随着基坑开挖深度的增加，围护构造的支撑刚度缺乏或截面尺寸过小，导致支撑 受到的侧压力过大而出现折等断；(b)基坑超挖导致围护构造发生踢脚破坏等；(c)锚杆断裂导致围护构造受力过大而出现较大变形；(d)围护构造刚度缺乏等引起变形过大等。从上述分析及综合研究说明，基坑的围护构造的稳定性与支护构造的刚度、截面尺寸, 基坑超挖，围护形式及围护刚度等有关系。5 .深基坑围户构造的变形5.1 深基坑围护构造的变形，按其变形的模式，一般分为四种形式，如图3所示。1弓形变形在软土较深厚的地区，弓形变形以有支撑的围护构造，当其围护构造插入土体中的深度 不大时，围护构造变形向坑内拱出，有明显的弯曲点，不一定有反弯点，但假设有的话，反 弯点以下曲线长度很短。2)深埋式变形由于围护构造埋设较深，上端的变形较大，下端变形较小，大多数深埋的围护构造都是 这种变形模式。3)前倾型变形由于墙顶位移较大，变形曲线呈倒三角前倾，在墙底有时还会出现回翘现象，这主要是 由于基坑顶端没有设置支护构造或设置支撑不及时时出现的情况。4）踢脚型变形这种情形一般发生于软土深厚游泥地区，由于围护构造入土深度相比开挖深度不够，使 得底端发生较大位移，出现围护构造墙脚位移较大的踢脚变形。图3围护构造变形曲线围护构造变形的四种模式主要是产生变形因素的改变，但主要是围护构造入土深度的原 因。设置围护构造的入土深度主要是为了保证深基坑施工的稳定与平安。采取不同的围护构 造时，对围护构造入土深度的设置较短时能够取得较多的经济效益，因为围护构造是大多数 情况下无法回收；而设置围护构造较短时，对基坑的稳定和平安又会带来影响，因此，保证 适宜的入土深度要到达经济合理的目的。5.2 按变形方向分，围护构造的变形可以分为水平变形与竖向变形。水平变形由于深基坑工程坑内土方开挖使围护构造内侧原有土压力消失，而安置的支护构造承受 上部土体外侧的土压力，因此，支护构造向内侧产生位移。深基坑工程的水平位移一般分为 悬臂式位移、抛物线性型和综合性。如图4所示。图4支护构造变形形式当基坑开挖较浅且在未设内支撑时，不管采取何种支护构造形式墙顶位移最大为悬臂式 变形状态；在开挖深度向下开展的过程中，开挖上方架设内支撑，由于上方得以固定，中间 没架设支撑的位置的水平位移逐渐增大，出现突向坑内呈抛物线形式。竖向变形基坑内土体开挖使得下层土体应力释放会使得围护构造有向上升的趋势，由于支撑等有 向下的位移趋势，因此，出现上升下沉均有可能；一般在实际的工程中，墙体的竖向变形往 往是可以忽略的。二、深基坑围护构造内外力监测技术此局部根据具体的工程实例长春火车站综合交通换乘中心北广场深基坑工程围护构造 的监测来说明。1 .监测内容本文对长春火车站综合交通换乘中心北广场深基坑工程围护构造的监测主要依据?建筑 基坑工程监测技术标准?（GB50497-2009）中对建筑基坑围护构造监测的技术要求。利用科学 的施工监测方法和手段，在科学计算和数据的指导下，确保基抗施工的平安。考虑到本基坑 工程周围环境的性质和平安等级，确定基坑围护构造监测主要有以下几个方面的内容：1）桩顶位移监测桩顶水平位移监测，是深基坑围护工程施工监测的一项 基本内容。通过对围护桩进展 桩顶水平位移监测，可以掌握围护构造在基坑施工期的平面变形情况。将其与设计状态进展 比拟，可分析基坑施工对基坑平安性及对周围环境的影响。同时，围护桩顶水平位移数值可 以作为桩体深层水平位移的基准值。围护桩项水平位移一般使用全站仪进展监测。通过对监 测数据的分析，可以对基坑平安性进展评估。2围护构造沉降围护构造沉降也是反映基坑平安的一个指标，当支护形式为放坡、土钉墙、水泥土墙时, 围护构造的沉降监测就显得尤为重要。沉降监测一般采用精细水准仪进展量测。由于本文中 工程采用的是密排桩形式，其沉降量很小，因此，不作为围护桩构造监测的重点。（3）围护构造深层水平位移支护构造在基坑开挖后，将起到平衡基坑内外的水土压力的作用。围护构造在基坑外侧 水土压力作用下，会发生侧向变形。为了掌握围护构造的在不同深度上各点的侧向变形，即 水平位移，可通过围护构造的测斜监测来实现。围护构造的测斜监测一般使用活动式测斜仪 进展监测。4)桩内应变监测对围护墙体内力监测主要是针对围护桩体的弯矩监测，通过测试围护桩体内的主筋受力 情况，来分析支护构造承受的弯矩，以防止围护桩因强度缺乏而导致支护构造破坏。钢筋的 受力测试可使用钢筋计。由于要监测围护桩体的弯矩情况，因此在钢筋计布置时，应在围护 墙体的墙前、墙后成对布置，并沿围护墙竖向每隔一定距离布置一对。5)围护构造锚索轴力监测锚索轴力监测可校核实测拉力与设计计算拉力的差异，及时发现基坑施工过程中支护构 造的异常情况，及时采取相应措施，防止发生基坑平安事故。锚索轴力监测一般采用锚索计, 安装在锚索锚头下。2 .监测方法2.1 桩顶水平位移监测(1测点的埋设及布置基坑围护桩桩体监测点设在围护构造冠梁顶上，根据?建筑基坑工程监测技术标准?中的 要求，监测点水平间距不宜大于20米，且每边监测点数目不少于3个。本文先择每隔15 米设一点。浇冠梁碎时预埋15 cm长的中20钢筋，钢筋头露出地面15 mm,钢筋头磨成半 球状并刻“十字，作为水平和竖直位移的观测点。埋设测点时用经纬仪控制，使同一条边 测点尽量埋设在同一条直线上。监测方法水平位移监测可采用方向观测法和垂距法进展监测，按照二级位移观测精度进展观测， 二级测角网各项技术要求如下：表1测角控制网技术要求水平角观测宜采用方向观测法，当方向数不多于3个时。可不归零；对位移观测点的等级最弱边边长中误 差平均边 长测角中误 差最弱边边长中误差二级±3.0mm300m±1.51:100000观测，宜采用2级全站仪，按照1测回观测。方向观测法的限差应符合下表规定: 表2方向观测法限差仪器类别两次照准 目标读数差半测回归 零差一测回内2C互差同一方向 值各测回互 差DJ268138根据现场情况，由于基坑存在两个国家基准点，同时采用垂距法测量采施工的影响较大, 本文选择采用方向法对桩顶水平位移进展监测。具体实施方法是基于基准线，采用全站仪对 各测点进展边角测量，计算各测点的坐标值，由坐标值的变化来得到桩顶的水平位移。根据 基准点的位置，为满足方向观测的通视要求，避开基坑施工的干扰，选择如图2.2所示的 闭合路线，闭合路线中设置五个转点。在监测中首先测量各转点的坐标，再利用基准点和各 转点对桩顶布置的各个水平位移监测点进展观测，得到各监测点的坐标值，由此计算桩顶水 平位移。图5桩顶水平位移监测方案2 . 2围护构造沉降监测(1)测点的埋设及布置围护构造沉降监测点与桩顶水平位移的监测测点共用。监测方法围护构造顶部垂直位移沉降）监测用几何水准法，仪器为精细水准仪。首次观测时, 按同一水准线路同时观测两次，每隔一定时间绘制出时间一沉降曲线。为确保测量精度，选 用已有的国家基准点作为水准测量的基准点。3 . 3围护构造测斜监测1）测斜管的埋设与布置根据?建筑基坑工程监测技术标准?中的要求，围护桩深层水平位移监测测点布置水平间 距宜为20米到50米的范围。本文的测斜管为沿车站围护构造每隔35米设一个。测斜管 采用绑扎方法固定在钢筋笼上，一起吊入孔中。在进展测斜管管段连接时，必须将上下管段 的滑槽对准，使测斜管的探头在管内平滑移动。为了防止砂浆进入管内，还须对接头密封处 理。测斜管埋设时，保证管内一条导槽的方向为围护构造的垂直方向，这样便可保证所测得 的倾斜值反映的是围护桩向基坑内的深层水平位移。（2）监测方法围护构造水平位移表现在围护构造的倾斜程度，应用侧斜仪进展监测的基本原理是: 将测斜探头放入测斜管底部，提升电缆使测斜探头沿测斜管导槽滑动，自上而下每隔一定距 离逐点量测每个测点相对于铅垂线的偏斜。测点间距一般就是探头本身长度，因而可以认真 量测结果沿整个测斜孔是连续的，这样，同一量测点任何两次量测结果之差，即表示量测时 间间隔内围护构造在该点的角变位。据这个角变位，可以把它们换算成每个测点相对于测斜 管基准点水平位移。由此，可以提供围护构造沿深度方向的水平位移随时间变化的曲线。测斜监测采用测斜仪，观测精度可达1mm,测斜管应在测试前5天装设完毕，在3 5天内重复测量不少于3次，判明处于稳定状态后，进展测试工作。观测方法，使测斜仪 处于工作状态，将测头导轮插入测斜管导槽内，缓慢放置管底，然后由管底自下而上沿导槽 每隔1m读数一次，并按记录键。测读完毕后，将探头旋转180°插入同一导槽内，以上 述方法再测一次，测点深度同第一次。观测数据输入计算机，利用测斜仪数据处理软件计算 成果。图6测斜仪的基本原理4 .4围护构造桩内应变监测11测点布置根据监测点应力计算值，选择混凝土应变计的量程，在安装前对应变计进展拉、压两种 受力状态的标定。在施工时选择3个断面的桩体进展监测。振弦式混凝土应变计安装方法是与受力钢筋并联，测量钢筋处混凝土应变。应变计与主 筋采用绑扎并联的方式联结，在绑扎钢筋笼的同时绑扎应变计。布设应变计时，选取具有代 表性的断面，布设点须设在支撑位置。在浇筑碎前，对钢筋笼上的应变计逐一编号，核定位置，将应变计上的导线逐段捆扎在 邻近的钢筋上，引到地面的测试匣中，并注意导线的保护。性浇筑后，检查应力计电路电阻 和绝缘情况，作好引出线和测试匣的保护措施。监测方法随着基坑的开挖，支护构造背部所受土压力逐渐增大，即使施工完成后受周边地表荷载 的影响其土压力仍会不断调整，为确保其构造应力满足强度要求,保证周边既有建筑物平安, 必须对构造应力进展监测。支护构造的构造形式不同，其应力监测内容也有所不同对于桩锚形式的支护构造，一般 采用采用混凝土应变计测量受力主筋周围的混凝土的应力。这些传感器均可通过便携式测试 仪表或自动化测试系统快速、准确测读其物理量，监测元件的布置示意图如图7所示。图7监测元件的布置示意图（3）仪器工作原理振弦式混凝土应变计测试应变的原理为：经过把应变转换为拉（或压）力作用在钢弦上， 改变钢弦所受的张力，在磁芯的激发下，使钢弦的自振频率随张力变化而变化。通过频率的 变化可以换算出应变的变化值。由于钢弦被置于电测原件“磁芯的磁场中，当钢弦振动时 就在接收线圈中产生感应电动势Vo测出它的频率就确定了被测钢弦的自振频率，即可确 定被测物体的应变。5 .5围护构造锚索轴力监测由于锚索处于弹性工作状态，所以只要在锚索端部布设一个锚索计便能测出锚索的内 力。由于基坑锚索的特殊性，本文选择自制锚索计。锚索计变类似于压力环，其测力原理是 采用电阻应变片测应变。图8金属电阻丝受拉变形示意图3.围护构造监测数据分析围护构造监测数据分析主要的主要任务是：（1）确定各监测内容的预警值；（2）对监测数据进展综合分析。3.1 总体预警方案确实定当监测数据到达管理基准值的70%时，定为戒备值，应加强监测频率。当监测数据到 达或超过管理基准值时，应停顿施工，修正支护参数前方能继续施工。确定的总体预警方案 见表3o3.2 基于实测数据的预警方法基坑稳定性及支护平安度是比拟复杂的问题，就本工程具体情况和所掌握的资来讲，拟 采用以下综合判别方法：（1）按最大值控制的标准首先确定监测工程的最大控制值，即管理基准值；是根据有关标准、规程、计算资料及 类似工程经历制定的。管理基准值的35%以下为正常施工，于35%70%之间是应加强观 测，当监测数据到达监控量测管理基准值的70%时，定为戒备值，应加大监测的频率。当 监测数据到达或超过监控量测管理基准值时，应立即停顿施工，修正施工参数前方能继续施 工。监测管理基准值在地下工程平安监控中有广泛应用，但是对地下工程而言，量测指标本 身的物理意义不够明确，主要是量测指标与基坑深、支护、施工等影响因素关系必须地很好 予以解决；但是，这方面的结合工程具体实践的研究成果并不多见，因而量测监控指标的制 定和应用必须同时考虑相关的各种因素，并尽可能同时配合使用应力与形变的速率控制指 木小。（2）按变化速度的判断与监测管理基准值相比，应力与形变的变化速率控制指标有明确的物理意义，它反映了 基坑与地层应力随时间变化的流变效应，在应力与形变的变化速率V=0条件下，基坑趋于 稳定，反之，V二C常数）或不断增大，那么说明地层处于等速或加速流变状态，基坑是不 稳定的，因此应力与形变的变化速率控制指标是基坑失稳的充分条件，在平安预报中，较位 移指标有更直观和明确的控制意义。（3）按时态曲线的形态来判断当测值变化速率不断下降时fdf2/d2t<0h那么监测项 基本趋于稳定状态；当测值变 化速率保持不变时dF/d2t=0）,那么监测项不稳定，应加强支护；当测值变化速率不断上 升时（df/d2t>0）,那么监测项进入不平安状态，需停顿掘进，加强支护。以上判别标准与 设计、施工、监理讨论后，参照其他类似工程，并根据实际量测情况再进展调整。