鄭漢欽

(陽光學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350015)

0 引言

隨著基坑支護工程的現(xiàn)代化發(fā)展，信息技術(shù)的應(yīng)用價值逐漸凸顯出來.在工程施工過程中引入動態(tài)設(shè)計和信息化施工技術(shù)，對基坑土質(zhì)條件、周圍建筑、管線等影響因素進行分析，合理設(shè)計施工方案，并不斷調(diào)整工藝參數(shù)，可以明顯提升工程施工的安全性和可靠性.因此，應(yīng)積極研究動態(tài)設(shè)計及信息化施工在基坑支護工程中的具體應(yīng)用，為基坑支護工程施工提供指導(dǎo)和借鑒.

1 動態(tài)設(shè)計及信息化施工的重要性

基坑支護工程施工受多方面因素影響，現(xiàn)有計算理論難以預(yù)測工程施工變化，即使在支護結(jié)構(gòu)設(shè)計時充分考慮各方面因素，作出詳盡、合理的設(shè)計，在實際實施過程中也難免會出現(xiàn)脫節(jié)現(xiàn)象.其主要原因是現(xiàn)有計算模型不能完全放映工程實際情況，而且在設(shè)計過程中存在許多假設(shè)條件.在此情況下，必須對施工過程進行實時監(jiān)測，根據(jù)實際情況對設(shè)計和施工參數(shù)進行調(diào)整，確保工程建設(shè)質(zhì)量以及施工安全性[1].

動態(tài)設(shè)計是利用現(xiàn)場監(jiān)測得到的資料，采用反分析手段，模擬巖土和基坑結(jié)構(gòu)，對設(shè)計參數(shù)進行逐步調(diào)整.從而使設(shè)計與施工緊密結(jié)合起來，打破傳統(tǒng)工程設(shè)計的局限性，提供一種自完善方法，確保施工設(shè)計與工程實際相符，能夠滿足工程建設(shè)要求.信息化施工是通過對巖土和結(jié)構(gòu)變形進行分析，修正巖土力學(xué)參數(shù)，預(yù)測后續(xù)施工可能出現(xiàn)的情況，合理組織施工工序.在基坑支護工程中，動態(tài)設(shè)計和信息化施工是兩個不可分割的部分，需要將兩者結(jié)合運用，從而對施工過程進行有效的監(jiān)控和調(diào)整.動態(tài)設(shè)計及信息化施工應(yīng)用流程如圖1所示.

動態(tài)設(shè)計和信息化施工是現(xiàn)代基坑支護工程中的重要工作，只有對基坑施工環(huán)境做出有效監(jiān)測，并將監(jiān)測信息及時反饋給有關(guān)部門，才能確保施工方案調(diào)整的及時性和有效性，在必要時啟動應(yīng)急預(yù)案，控制基坑開挖的啟停.支護結(jié)構(gòu)與巖土的相互作用構(gòu)成了一個復(fù)雜、富有變化的系統(tǒng)，因此，必須采用動態(tài)監(jiān)測技術(shù)才能完成施工任務(wù)[2].

2 動態(tài)設(shè)計方法在基坑支護工程中的應(yīng)用

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 監(jiān)測流程設(shè)計.動態(tài)設(shè)計方法以工程檢測為基礎(chǔ)，及時捕捉基坑支護施工中出現(xiàn)的異常，確保工程施工的順利進行.工程監(jiān)測需要采用監(jiān)測儀器和設(shè)備，對基坑本體及環(huán)境的應(yīng)力、沉降、位移、水位變化等進行綜合監(jiān)測.所使用的監(jiān)測儀器要確保量程適用、精度符合要求，且具有測量穩(wěn)定性.對同一監(jiān)測項目，應(yīng)滿足以下繼電要求：(1) 使用相同的觀測方法和路線；(2) 使用一套監(jiān)測設(shè)備儀器；(3) 固定觀測人員；(4) 工作條件應(yīng)保持不變.通過工程監(jiān)測的實施，及時提供可靠的分析報告[3].基于上述要求，應(yīng)采用圖2中的監(jiān)測流程設(shè)計方案.

2.1.2 主要監(jiān)測內(nèi)容.基坑支護工程的監(jiān)測內(nèi)容主要包括：(1) 墻頂位移，包括水平和豎向位移，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，判斷是否需要使用輔助措施.監(jiān)測基準點應(yīng)設(shè)置在穩(wěn)定區(qū)域，基坑每邊不少于三個監(jiān)測點.按照《建筑變形測量規(guī)范》的要求，設(shè)置強制對中觀測墩，對中誤差應(yīng)控制在0.5 mm以內(nèi).監(jiān)測點的水平間距不能超過20 m，一般設(shè)置在中部和陽角位置，如表1所示.

(2) 圍護水平位移監(jiān)測，對擋土墻和周圍土樁的水平位移進行監(jiān)測，確定基坑變形和應(yīng)力結(jié)構(gòu)，一般采用測斜儀.測斜監(jiān)測點應(yīng)布置在基坑平面的撓曲計算最大值處，監(jiān)測點水平間距應(yīng)控制在20～50 m，基坑每邊不少于1個監(jiān)測點.土體內(nèi)監(jiān)測管埋深應(yīng)大于開挖深度1.5倍左右，測斜儀精度不小于0.25 mm/m.一般規(guī)定累積變形值向基坑內(nèi)側(cè)變形為正值，向外為負值[4].

圖1 動態(tài)設(shè)計及信息化施工應(yīng)用流程圖

圖2 監(jiān)測流程設(shè)計方案

表1 相關(guān)標準對墻頂水平位移的監(jiān)測精度要求

(3) 圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測，主要目的是防止支護結(jié)構(gòu)受到強度破壞，一般采用應(yīng)力計進行測量.圍護樁的主要材料為鋼筋混凝土，一般通過測量受力鋼筋或混凝土的應(yīng)力及其共同作用確定圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力.在監(jiān)測時要考慮溫度變化的影響.其中，彎矩的計算公式為：M=(σ1-σ2)×10-5=(EC/ES)×(IC/d)×(σ1-σ2)×10-5.軸力的計算公式為N=K×(ε1+ε2)/2×10-3=(AC/AS)×(EC/ES)×K1×(ε1+ε2)/2×10-3.式中的M表示彎矩，N表示軸力，σ1和σ2分別為開挖面和迎土面的鋼筋計應(yīng)力.IC為結(jié)構(gòu)斷面慣性矩，d為鋼筋計中心距離，ε1和ε2分別為上下端鋼筋計應(yīng)變，K1為鋼筋計標定系數(shù).EC為混凝土結(jié)構(gòu)彈性模量，ES為鋼筋計彈性模量，AC和AS分別是其斷面面積.

此外，工程監(jiān)測內(nèi)容還包括錨桿軸力、基坑隆起或回彈、孔隙水壓力、周邊建筑物變形及管線監(jiān)測等.上述監(jiān)測內(nèi)容與現(xiàn)場巡查的配合進行，可以全面監(jiān)測施工現(xiàn)場情況，及時發(fā)現(xiàn)異常，確?；诱w結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.

2.1.3 監(jiān)測頻率要求.工程監(jiān)測頻率對監(jiān)測的有效性有重要影響，在整個施工過程中，監(jiān)測頻率并非一直不變，而是要根據(jù)施工進度和環(huán)境變化因素，進行及時調(diào)整.在未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象情況下，儀器監(jiān)測頻率可以按照表2中的要求設(shè)定.

表2 儀器監(jiān)測頻率要求

2.2 信息處理系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 施工信息反饋.基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋包括預(yù)測信息的收集與處理，監(jiān)測信息的跟蹤與反饋一級信息綜合評估等.在獲取準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，要對其進行有效的分析評價，主要包括以下幾方面內(nèi)容：(1) 支護結(jié)構(gòu)水平位移的定量分析，計算位移速率、雷擊位移，繪制時間變化曲線，分析位移速率增加的原因；(2) 計算沉降和沉降速率，分析引起上體沉降的原因，一般沉降的發(fā)生會比水平位移滯后5-10 d；(3) 對監(jiān)測結(jié)果進行相互驗證，得到綜合分析結(jié)果，為施工方案調(diào)整提供依據(jù)；(4) 分析基坑支護效果的影響因素，分析其技術(shù)原因；(5) 采用數(shù)值模擬方法，分析支護結(jié)構(gòu)位移變化規(guī)律及穩(wěn)定性，推算巖土特征參數(shù)，預(yù)測后續(xù)開挖可能出現(xiàn)的問題，發(fā)現(xiàn)險情基礎(chǔ)預(yù)報，并制定預(yù)防處理措施.

2.2.2 險情預(yù)報功能.當工程出現(xiàn)以下問題時，應(yīng)及時進行險情預(yù)報，建立預(yù)測模型，對險情發(fā)展進行預(yù)測：(1) 支護結(jié)構(gòu)的水平位移出現(xiàn)連續(xù)增加，速率達到2.5-5.5 mm/d；(2) 累積水平位移超過臨界值；(3) 實測應(yīng)力超過容許值；(4) 附近建筑沉降超過設(shè)計容許值，最大沉降與基坑開挖深度比值達到0.4%-0.7%，地面裂縫積聚擴展，附近建筑輕體出現(xiàn)長裂縫；(5) 管道變位超過容許值；(6) 出現(xiàn)基坑滲漏、管涌等現(xiàn)象.

3 信息化施工技術(shù)在基坑支護工程中的應(yīng)用

3.1 工程案例概況

某建筑工程位于廣場區(qū)域，工程包含3棟12-18層的寫字樓，地下結(jié)構(gòu)4層，總建筑面積124 332 m2，占地面積為13 660 m2，地下建筑面積44 512 m2.建筑整體采用現(xiàn)澆混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu).基坑開挖的平面面積為11 500 m2，采用片筏基礎(chǔ)，裙房埋深為-23.06 m，主樓埋深為-24.24 m.施工現(xiàn)場地面標高為-0.26 m.實際開挖深度為裙房22.8 m，主樓24 m.施工現(xiàn)場北側(cè)有一在建寫字樓，相距11.5 m，東側(cè)距離地鐵約40 m.巖土勘察報告顯示，該工程擬建場地較為平坦，最上層為人工填土層，其下為第四系沉積土.土層結(jié)構(gòu)主要由填土、粘性土、細沙和卵石組成.場地以下含有3層地下水結(jié)構(gòu)，分別為棲息水層、潛水層和壓力水層，穩(wěn)定水位埋深為24.80-25.40 m，絕對標高17.70-18.45 m.

3.2 支護方案設(shè)計

在上述工程中，基坑開挖深度和基坑面積較大，屬于大型深基坑工程，周圍環(huán)境較為復(fù)雜，距離其他在建工程及地鐵較近，管線布置情況也較為復(fù)雜，在工藝選擇上存在諸多限制，支護方案設(shè)計具有較大難度.在進行方案設(shè)計時，要根據(jù)工程特點，合理確定整體支護方案，并設(shè)計好降水方案.上述工程主要采用土釘墻+護坡樁錨桿的聯(lián)合支護方式，并根據(jù)側(cè)面的不同施工條件，確定設(shè)計參數(shù).降水方案設(shè)計采用大口管井降水措施，井位距離基坑邊線1.0-1.5 m，深度為33-39 m，井徑為500 mm，在基坑周邊每9 m設(shè)置一井，總共設(shè)置50口降水井，此外在基坑內(nèi)設(shè)置有5口疏干井.

在上述工程中，北側(cè)和南側(cè)施工限制要求較高，是支護方案設(shè)計的重點.其中北側(cè)方案設(shè)計面臨的問題是空間狹小、不具備施工錨桿條件、在施工過程中要保護相鄰在建工程的外圍結(jié)構(gòu).此外，在消防要求和施工運輸需求下，還要在該側(cè)頂部預(yù)留約3 m寬的臨時通道.基于上述條件，在該工程基坑支護施工中，上部采用土釘墻結(jié)構(gòu)，設(shè)置一個高2 m、寬2.9 m的臺階，留作北側(cè)坑頂?shù)呐R時道路使用.土釘墻的開挖坡度為1∶0.4，共設(shè)計8排土釘，其設(shè)計參數(shù)如表3所示.

表3 北側(cè)土釘設(shè)計參數(shù)表

圖3 水平位移監(jiān)測點布置情況

基坑下部樁錨支護結(jié)構(gòu)，采用長螺旋鉆孔灌注樁，直徑為800 mm，樁長17.7 m，間距為1.5 m.

東側(cè)支護方案設(shè)計必須保證不影響地鐵設(shè)施，同樣采用上部土釘墻+下部樁錨的聯(lián)合支護方式.其中，土釘墻高9 m，坡度比為1∶0.2，設(shè)置5排土釘.下部樁錨結(jié)構(gòu)的樁直徑為800 mm，樁長20 m，樁間距1.5 m.

3.3 信息化施工技術(shù)

在上述方案實施過程中，配套建立基坑監(jiān)測方案，全面掌握支護結(jié)構(gòu)的實時狀況，監(jiān)測內(nèi)容主要包括水平位移、樁身鋼筋應(yīng)力、地表沉降以及錨桿拉力等.其中，南北側(cè)各布置4個水平位移觀測點，東側(cè)布置6個水平位移觀測點，西側(cè)布置5個.水平位移監(jiān)測布置情況如圖3.在四周中部位置選擇一個樁作為鋼筋應(yīng)力、錨桿拉力的觀測點，具體布置在樁身的最大彎矩處.

該工程于2014年9月開工，到2015年1月時基本開挖至基坑底部約1 m位置.從4月份開始收坡道施工，5月份時基坑工程竣工.根據(jù)工程監(jiān)測結(jié)果顯示，截止到5月末，施工場地東側(cè)的觀測點位移量為4-7 mm，西側(cè)2-5 mm，南側(cè)8-12 mm，北側(cè)2-5 mm.數(shù)據(jù)顯示，基坑開挖至槽底后，在2周時間內(nèi)達到未定狀態(tài).水平位移監(jiān)測曲線顯示，由于5月初相鄰工程消防水管漏水，導(dǎo)致樁頂水平位移出現(xiàn)快速增長，在7-10 d內(nèi)，3個監(jiān)測點的位移增量達到12 mm，其中最大的監(jiān)測點達到25 mm.鋼筋應(yīng)力和錨桿拉力在此期間也出現(xiàn)躍升，快速達到警戒值.北側(cè)基坑發(fā)出安全警報，并緊急啟動應(yīng)急預(yù)案，關(guān)閉消防水管進行漏水排除，并檢查支護結(jié)構(gòu)，使事件發(fā)展得到有效控制，保護了支護結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性.

4 結(jié)語

綜上所述，動態(tài)設(shè)計與信息化施工技術(shù)在基坑支護工程中有重要價值，通過對施工過程中的支護結(jié)構(gòu)及基坑狀況進行動態(tài)監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果隨時調(diào)整施工方案，可以確保施工設(shè)計的合理性，確保工程的順利進行.在此基礎(chǔ)上，建立分析預(yù)警系統(tǒng)，及時捕捉工程異常，并采取有效應(yīng)對措施，可以降低工程事故發(fā)生幾率.

[1] 潘珂.基于BIM技術(shù)深基坑工程信息化施工管理平臺研究[D].南寧：廣西大學(xué),2015.

[2] 劉志忠.西安地區(qū)深基坑邊坡支護及其變形研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2014.

[3] 杜志娥.動態(tài)設(shè)計及信息化施工在基坑支護中的應(yīng)用[J].山西建筑,2012,38(05):92-93.

[4] 張超文.支點法分析樁錨支護結(jié)構(gòu)及基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的參數(shù)反演[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.