深基坑围护结构位移变形与内外力监测技术.doc

深基坑围护结构位移变形及内外力监测技术一、深基坑围护结构及其位移变形1.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行,必然产生比较深的深基坑,对于有多条地铁线路相交的换乘枢纽站来说,其深度更大,。相对于一般基础工程而言,地铁深基坑工程具有许多特点,概括起来主要有以下几个方面：（1）深度大。通常在十米以上,对于有线路交叉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、施工与安全保障带来较大的困难。（2）地铁往往修建在大型城市,而我国绝大部分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、支挡结构严重漏水、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、市政设施与地下管线的安全造成很大威胁。（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,进行深基坑施工时除保障其本身的工程安全外,还需严格控制变形值,保障周边建构筑物的安全。（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别,而且施工环境及气象也各不相同,这些都直接影响深基坑施工方案的选择及安全。（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、混凝土结构、钢结构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、方法来组织施工及安全防护。（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、支护结构变形及受力情况进行充分考虑,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与土钉墙法等,如何根据工程实际情况选择施工方法非常关键。（8）安全隐患多,事故多发,一。由于影响深基坑施工的安全因素很多,甚至有些是随机性的因素,使得国内外深基坑施工引起的安全事故屡屡发生。2. 深基坑支护方法基坑施工方法大致可分为无支护开挖与支护开挖两大类。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。支护开挖则刚好相反,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结构,然后才一能开挖土方,有时为了增强围护结构的刚度,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。深基坑围护结构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。按照围护结构所受土压力的性质,可将基坑支护分为被动支护与主动支护两类。深基坑围护结构被动支护是一种传统的支护方法,主要包括地下连续墙、排桩式围护墙与撑锚体系。地下连续墙适用于各种地质条件与安全等级的深基坑,并可进行逆筑法，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结构,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结构时必须先施工就位刁能进行深基坑的开挖,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,通常与围护结构联合使用,作用是承受深基坑围护结构传来的水土压力并大幅增加支护结构刚度,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、施工安全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、化学与几何等途径以充分发挥与提高深基坑周围土体自支撑能力的新型支护方法。此外,在一些传统支护结构的基础上,近些年来也有一些新的施工方法得到应用,如SWM工法、MC桩,以及多种支护结构的组合施工方法等。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结构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，致使周围土体侧移与深基坑发生变形，重新达到应力平衡。深基坑工程的变形方式主要有：深基坑围护结构侧移、地表沉降与坑底隆起。研究表明，这三种变形是相互关联的系统。下图1为深基坑变形方式图。图1 深基坑变形方式4.围护结构稳定性对于围护结构影响其稳定性主要原因有以下几种：（a）支护结构刚度不足或截面尺寸过小；（b）基坑超挖；（c）锚杆断裂；（d）围护结构刚度不足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 影响围护结构德定的因素（a）随着基坑开挖深度的增加，围护结构的支撑刚度不足或截面尺寸过小，导致支撑受到的侧压力过大而出现折等断；(b)基坑超挖导致围护结构发生踢脚破坏等；(c)锚杆断裂导致围护结构受力过大而出现较大变形；(d)围护结构刚度不足等引起变形过大等。从上述分析及综合研究表明，基坑的围护结构的稳定性与支护结构的刚度、截面尺寸，基坑超挖，围护形式及围护刚度等有关系。5. 深基坑围户结构的变形5.1 深基坑围护结构的变形，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结构，当其围护结构插入土体中的深度不大时，围护结构变形向坑内拱出，有明显的弯曲点，不一定有反弯点，但若有的话，反弯点以下曲线长度很短。（2）深埋式变形由于围护结构埋设较深，上端的变形较大，下端变形较小，大多数深埋的围护结构都是这种变形模式。（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结构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，由于围护结构入土深度相比开挖深度不够，使得底端发生较大位移，出现围护结构墙脚位移较大的踢脚变形。图3 围护结构变形曲线围护结构变形的四种模式主要是产生变形因素的改变，但主要是围护结构入土深度的原因。设置围护结构的入土深度主要是为了保证深基坑施工的稳定与安全。采取不同的围护结构时，对围护结构入土深度的设置较短时能够取得较多的经济效益，因为围护结构是大多数情况下无法回收；而设置围护结构较短时，对基坑的稳定与安全又会带来影响，因此，保证合适的入土深度要达到经济合理的目的。5.2 按变形方向分，围护结构的变形可以分为水平变形与竖向变形。（1）水平变形由于深基坑工程坑内土方幵挖使围护结构内侧原有土压力消失，而安置的支护结构承受上部土体外侧的土压力，因此，支护结构向内侧产生位移。深基坑工程的水平位移一般分为悬臂式位移、抛物线性型与综合性。如图4所示。图4 支护结构变形形式当基坑开挖较浅且在未设内支撑时，不论釆取何种支护结构形式墙顶位移最大为悬臂式变形状态；在开挖深度向下发展的过程中，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。（2）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结构有向上升的趋势，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、深基坑围护结构内外力监测技术此部分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结构的监测来说明。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结构的监测主要依据建筑基坑工程监测技术规范(GB50497-2009)中对建筑基坑围护结构监测的技术要求。利用科学的施工监测方法与手段，在科学计算与数据的指导下，确保基抗施工的安全。考虑到本基坑工程周围环境的性质与安全等级，确定基坑围护结构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。通过对围护桩进行桩顶水平位移监测，可以掌握围护结构在基坑施工期的平面变形情况。将其与设计状态进行比较，可分析基坑施工对基坑安全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行监测。通过对监测数据的分析，可以对基坑安全性进行评估。 （2）围护结构沉降 围护结构沉降也是反映基坑安全的一个指标，当支护形式为放坡、土钉墙、水泥土墙时，围护结构的沉降监测就显得尤为重要。沉降监测一般采用精密水准仪进行量测。由于本文中项目采用的是密排桩形式，其沉降量很小，因此，不作为围护桩结构监测的重点。（3）围护结构深层水平位移 支护结构在基坑开挖后，将起到平衡基坑内外的水土压力的作用。围护结构在基坑外侧水土压力作用下，会发生侧向变形。为了掌握围护结构的在不同深度上各点的侧向变形，即水平位移，可通过围护结构的测斜监测来实现。围护结构的测斜监测一般使用活动式测斜仪进行监测。 （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，来分析支护结构承受的弯矩，以防止围护桩因强度不足而导致支护结构破坏。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）围护结构锚索轴力监测 锚索轴力监测可校核实测拉力与设计计算拉力的差别，及时发现基坑施工过程中支护结构的异常情况，及时采取相应措施，避免发生基坑安全事故。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结构冠梁顶上，根据建筑基坑工程监测技术规范中的要求，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。浇冠梁砼时预埋 15 长的20 钢筋，钢筋头露出地面 15 ，钢筋头磨成半球状并刻“十”字，作为水平与竖直位移的观测点。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。 （2）监测方法 水平位移监测可采用方向观测法与垂距法进行监测，按照二级位移观测精度进行观测，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3.0mm300m1.5”1:100000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DJ26”8”13”8”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行监测。具体实施方法是基于基准线，采用全站仪对各测点进行边角测量，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，再利用基准点与各转点对桩顶布置的各个水平位移监测点进行观测，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22围护结构沉降监测 （1）测点的埋设及布置 围护结构沉降监测点与桩顶水平位移的监测测点共用。 （2）监测方法 围护结构顶部垂直位移（沉降）监测用几何水准法，仪器为精密水准仪。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。23 围护结构测斜监测（1） 测斜管的埋设与布置 根据建筑基坑工程监测技术规范中的要求，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结构每隔 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。在进行测斜管管段连接时，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。为了防止砼浆进入管内，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结构的垂直方向，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 围护结构水平位移表现在围护结构的倾斜程度，应用侧斜仪进行监测的基本原理是：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结构在该点的角变位。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，可以提供围护结构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35 天内重复测量不少于 3 次，判明处于稳定状态后，进行测试工作。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2.4围护结构桩内应变监测（1）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行拉、压两种受力状态的标定。在施工时选择 3 个断面的桩体进行监测。 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。 在浇筑砼前，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。砼浇筑后，检查应力计电路电阻与绝缘情况，作好引出线与测试匣的保护措施。（2）监测方法 随着基坑的开挖，支护结构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，为确保其结构应力满足强度要求，保证周边既有建筑物安全，必须对结构应力进行监测。 支护结构的结构形式不同，其应力监测内容也有所不同对于桩锚形式的支护结构，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 V。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。2.5围护结构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. 围护结构监测数据分析围护结构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）对监测数据进行综合分析。3.1总体预警方案的确定当监测数据达到管理基准值的 70%时，定为警戒值，应加强监测频率。当监测数据达到或超过管理基准值时，应停止施工，修正支护参数后方能继续施工。确定的总体预警方案见表 3。3.2基于实测数据的预警方法基坑稳定性及支护安全度是比较复杂的问题，就本工程具体情况与所掌握的资来讲，拟采用以下综合判别方法： （1）按最大值控制的标准 首先确定监测项目的最大控制值，即管理基准值；是根据有关规范、规程、计算资料及类似工程经验制定的。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，当监测数据达到监控量测管理基准值的 70%时，定为警戒值，应加大监测的频率。当监测数据达到或超过监控量测管理基准值时，应立即停止施工，修正施工参数后方能继续施工。监测管理基准值在地下工程安全监控中有广泛应用，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与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标。（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=C（常数）或不断增大，则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，在安全预报中，较位移指标有更直观与明确的控制意义。（3）按时态曲线的形态来判断 当测值变化速率不断下降时（df/dt0），则监测项进入危险状态，需停止掘进，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行调整。