围护结构深层水平位移在基坑开挖中的运用

摘要：本文主要讲述围护结构深层水平位移监测的工作原理以及产生基坑变形的原因，通过实例分析围护结构深层水平位移在基坑突变过程中的运用。

关键词：基坑、深层水平位移、突变

中图分类号： TV551.4 文献标识码： A

引言

纵观近几十年中国经济发展的加速，越来越多的城市陆续开展在地铁建设当中。从北京、上海、广州等一线城市做为地铁建设的先驱者，到南京、沈阳、西安等二线城市紧跟步伐，再到苏州、宁波、无锡等副省级城市加入到地铁行列当中。地铁建设本身就是打破自然平衡到重新建立另一个平衡的过程，随着地铁建设的增加也有越来越多的事故发生，为了降低人为事故所造成的经济损失及人员的安全，地铁建设中一个又一个技术难点被设计、施工等参建方突破。但岩土工程迄今为止还是一门不完善的科学技术，很难单纯从理论上计算出和预测工程中可能遇到的问题，而且理论预测值还不能全面而准确的反应工程的各种变化，所以在理论分析指导下有计划的进行现场监测是十分必要的。监测是对工程施工质量及其安全性用相对精确之数值解释表达的一种定量方法和有效手段，是对工程设计经验安全系数的动态诠释，是保证工程顺利完成的必需条件。

围护结构深层水平位移是基坑变形监测中一个重要的内容，在众多的监测项目中，支护结构系统的变形是支护结构各部分与土体及外界因素相互作用的反映，是结构内力变化与调整的宏观表现，其特征和数值是整个结构系统是否正常工作最直观的标志，又是突发性事故的前兆，因为，它是施工安全监测的主要依据。产生围护墙墙体的变形原因主要是墙体从水平向改变基坑土体原始应力状态而引起地层移动。基坑开始开挖后，围护墙便开始受力变形。在基坑内侧卸去原有土压力时，在墙体外侧则受到主动土压力。而在基坑的围护墙内侧则受到全部或部分被动土压力。由于总是开挖在前，支撑在后，所以围护墙在开挖过程中，安装每道支撑以前总是已发生一定的先期变形。基坑变形监测的目的是为了进行变形报警，目前报警的依据有两种：一是围护结构深层水平位移最大累计量；二是围护结构深层水平移位最大日变化速率。

1．监测仪器工作原理

围护结构水平位移的监测方法主要是通过测斜仪测量测斜管轴线与铅垂线之间的夹角变化量,从而计算出桩体各点的水平位移大小。通常提前埋设垂直并互成90°四个导槽的管子,当管子受力发生变形时,将测斜仪探头放入测斜管导槽内,逐段(一般500mm) 量测变形后管子的轴线与垂直线之间的夹角θi ,并按测点的分段长度,分别求出不同高程处的水平位移增量Δdi ,即Δdi = Lsinθi，见图1。

图1 工作原理图

2．设备安装和布置

目前国内测斜管主要是由聚氯乙烯塑料管制成，其弯曲性能能适应被测桩体的位移情况。测斜管底宜与钢筋笼或型钢底部持平或略低于钢筋笼或型钢底部，测斜管与支护结构的钢筋笼绑扎或焊接埋设时，间距以管子不移动、不松动为原则。测斜管的上下管间应对接良好，无缝隙，接头处牢固固定、密封。测斜管绑扎时应调正方向，使管内的一对测槽垂直于测量面（即平行于位移方向）。封好底部和顶部，保持测斜管得干净、通畅和平直，见图2。

3．监测数据采集与整理分析

3.1测斜数据采集

将测斜导管预埋设后,测定导管的位置初始值。当桩体发生侧向移动时,测斜管也相应地产生形变。将测斜仪探头沿测斜管导槽底部自下而上每隔500mm测得读数并提拉而上,直至孔口测完各个读数X0;然后将探头取出旋转180°,按照同样方法测得X180;X0-X180为X方向在各部位的读数差。通过比较各位置的读数差与初始值,可求得各位置的相对位移变化量,即差数。对差数求和得到位移量;最后,对同一位置的位移量矢量合成,可求得沿深度的位移量。利用测斜仪定期对管道的形变情况进行监测,然后通过纵向比较各期的监测数据,就能够得到管道沿深度在监测期间的形变情况。监测操作中,可分为每500mm正反读数两次，每500mm正反读数一次。

差数=（X0-X180）/2-初始值

根据差数,从而可换算出标准基本长度范围内的水平位移, 通过算术和得到测孔全长范围内的水平位移。即:

S为测孔全长范围内的水平位移,单位为mm; n为测孔全长范围内的测试点数

3.2测斜整理分析

测斜仪得到的数据可以绘制直观的曲线作分析使用:位移－深度—时间曲线即位移随时间深度变化的过程线。每一测斜孔深度(即测点)都可以绘制自己的过程线。通常绘制地表或最大位移深度面上的累计(或相对)位移一时间曲线。

如图3 某真空预压软基处理曲线图、图4 某软土地区地铁附属结构开挖变形曲线图。

图3 真空预压软基处理曲线图 图4软土地区地铁附属结构开挖变形曲线图

4．监测频率和控制指标及标准

4.1监测频率

实际观测时视现场加载施工情况以及深层水平位移的观测数据的变化进行调整。

4.2监测指标及标准

侧向位移应小于3mm/d,并结合变形速率的变化趋势来判断。超出上述控制标准时，应采取措施（加强观测、控制加载速率、停止加载、卸载等）防止地基破坏。

5．工程实例分析

5.1工程概况和基坑监测点平面图

5.1.1工程概况

福明路站位于福明路与中山东路交叉口，是宁波轨道交通1号线的先行节点站，本次施工的附属结构1号出入口位于交叉口的东北角，采用明挖顺作法施工，开挖深度在10.04~11.74m，集水坑处深度13.74m；基坑围护结构为Φ850@600mmSMW工法桩，采用“隔一插二” 内插型钢700x300x13x24mm（局部基坑落地段采用密插或隔一插一），插入比为1：0.81~1：1.05，坑内采用明排水。

5.1.2工程地质及水文地质

根据勘察成果表明，福明路站1#出入口拟建场地地层均为第四纪沉积地层，为典型的软土地区，广泛分布厚层状软土，具有“含水量大、压缩性高、强度低、灵敏度高、透水性低” 等特点。

拟建场区沿线地表水丰富，周边主要河流为后塘河及其支流，河流宽约15~30米，地表水水位涨落收大气降水、奉化江潮汛影响而变化。本场区地下水由浅部土层中的潜水及深部粉(砂)性土层中的承压水组成，其补给来源主要为大气降水和地表径流。

土层组成及基本属性如表1。

表1土层组成及基本属性表

5.1.3平面监测布点图 图5

图5 平面监测布点图

5.1.4桩体突变监测分析：

2013年5月13日基坑开始进行最后一层土方开挖（集水坑除外），开挖平均间距为3.0m，面积约为。然而施工方并没有按照设计要求对基坑进行分段开挖，而是随意对基坑进行大面积开挖，致使在5月15日CX2-11.5m变化速率13.4mm/d（相对土方开挖深度约8.6m）。按照深层水平位移变化规律，随着开挖深度的增加, 最大水平位移点随之下移。为了弥补土方开挖后应力集中释放，造成变形增大，施工方及时采取措架设临时钢支撑，同时浇注20cm厚C20素刚性垫层，从5月16日到5月17日监测数据得出桩体变形明显减小，短时间内抑制住基坑继续变形，从图6可以看出。

短暂的数据稳定往往容易蒙蔽我们的双眼，对现场失去准确的判断，导致重大事故的发生，如2003年10月7日北京地铁5号线崇文门车站临时钢管架体倒塌事故、2004年3月17日广州地铁三号线番禺大石站土质膨胀松动引起的滑坡、2008年11月15杭州地铁事故等等这些血的教训让我们都记忆犹新。

通过5月18日监测数据分析，桩体变形远没有所想像的稳定，甚至严重超出报警CX2-16.5m变形速率为8.8mm/d，犄角明显。有因必有果，通过对基坑突变进行全面分析，主要有以下四点原因：

a.围护结构受力不平衡，剪切破坏严重。通过监测数据显示第一道混凝土支撑为负1947.7kN，第二、三道钢支撑分别为正760.0kN、398.5kN,显然还有负789.2kN（负为向坑外，正为向坑内）只能靠基坑底被动土压力使围护结构受力达到平衡，所以基坑底变形加大；

b.基坑北侧正在进行灌注柱施工，距离基坑最近约3.5m，因为此基坑围护结构为工法桩，大量污水的浸泡容易造成三轴搅拌桩土体间土颗粒的结合力迅速降低，同时增加土颗粒间的孔隙水，土体抗剪强度降低；

c.由于基坑北侧荷载严重加上基坑内卸荷引起围护墙在两侧高差进一步增加，引起基坑侧向压力加大，导致周围地层移动集中，致使坑底变形增加大，从图7可以验证（监测时间为同一天）；

d.在开挖基坑最后一层土方时并未分层分段开挖，在“时空效应”的作用下对基坑后期变形产生较大的影响。

通过对变形的分析，施工方立刻做出反应，成立抢险小组并采取以下措施：

a.增加临时支撑（同一平面累计到4根），并对所有钢支撑再次附加轴力；

b.立刻停止灌注柱施工，并对污水进行抽排；

c.对荷载进行转移，远离基坑，同时对北侧30.0m以内的地面进行破除，减小基坑内外高差；

d.每4小时监测一次，加强对围护结构巡视。

采取措施后，随着时间的推移，监测点变化速率基本稳定（以0.125m/h计算），通过2013年5月18日-8：00~5月19日-8：00表2监测数据可以看出。

表2 监测点变化速率表

为了防止发生类似问题，施工方组织人员及时对底板进行施工，底板施工完成后, 围护桩水平位移逐渐趋于稳定。

结语

通过对1#出入口的工程实例分析，说明深层水平位移在基坑开挖到底板封闭之间起到了举足轻重的作用，并结合周边环境和围护结构受力灵活运用。就此本文而言，基坑在开挖过程中只涉及到深层水平位移，然而基坑开挖过程中的监测项目还有周边地表沉降、冠梁水平和竖向位移、支撑轴力等监测项目，受施工影响主要以深层水平位移分析为突破口。

参考文献

[1]齐亮，刘康和，深基坑支护变形机理及实例分析，水利工程网，2005-07-27

[2]刘建航，候学渊，基坑工程手册，北京，中国建筑工业出版社，1997

[3]广州市盛洲地基基础工程有限公司，基坑深层水平位移监测方案，2010-11-08

[4]建筑基坑工程监测技术规范GB50497-2009，北京，中国计划出版社，2009