深基坑桩(墙)锚杆支护结构信息化施工的分析与应用*

戴习东

(湖南省第三工程有限公司，湖南 湘潭 411100)

深基坑桩(墙)锚杆支护结构体系是由若干个护坡桩组成的排桩挡土体系和若干个锚杆组成的支撑体系所构成的，是一种柔性支护结构，如何考虑结构的变形和采用信息化施工，是需要研究和解决的重要问题［1］。尽管桩(墙)锚杆支护结构属临时设施，但地区不同，土质不同，支护结构体系不同，施工程序不同以及设计方法不同，对深基坑支护结构的设计和施工以及工程造价有较大的影响。因此，加强对深基坑工程的信息化施工［2］，对提高基坑支护结构的设计、施工水平，确保安全，具有重大的现实意义。

1 理论依据

深基坑桩(墙)锚杆支护结构施工中的内力和变形分析采用弹性杆系有限元法［3］，其计算模型单元的划分如下:

基坑底面以上划分为N1个单元，基坑底面以下划分为N2个单位，单元个数可由计算精度来确定。基坑底面以上土压力(主动土压力)作为作用在支护结构上的荷载;基坑底面以下土压力(被动土压力)用弹簧力代替［4］。

对于结构上任一单元上:{F}e={K}e{δ}e。式中:{F}e为单元节点力;{δ}e为单元节点位移;{K}e为单元刚度矩阵。

对于梁单元:

根据变形协调条件可将单位刚度矩阵{K}e集合为总刚度矩阵 {K};根据受力平衡条件则有{K}={K}{δ}。{δ}为位移矩阵;{K}为荷载矩阵。

可以计算出支护结构在不同施工阶段的内力［5］，并为支护结构设计提供可靠的依据。

2 实例分析

东一国际商业广场设计为地上29层，地下5层，总建筑面积104624 m2，框架－剪力墙结构体系，基坑深度为16.20 m至21.70 m，建筑总高度为99.4 m。现场场地狭小，且位于市区交通中心地带，又由于某特殊原因使基坑在施工过程中不能有土体放坡。在考虑各方因素后，该工程采用人工挖孔护壁桩支护［6］，并在桩中部设型钢腰梁加锚杆支护。

根据该工程勘查报告，场地地质条件:基础持力层为中风化泥质粉砂岩。在计算土层和岩层的侧向土压力时［7］，取基坑深16.20 m为例。其基坑地质图和具体参数指标，如图1所示。

2.1 内力及变形分析

通过图1所示参数输入程序(ZMZX)，其计算过程如下。

2.1.1 受力分析

由于基坑采用土体注浆法使整体稳固性增强，故将－6.1 m以上的土体看作一整体，即把地面10 kN/m2超载、1.8 m 人工填土、3.83 m 粉质粘土层的作用视为加载在－6.1 m处的均布荷载。

图1 基坑地质图Fig.1 The geology of foundation pit

该均布荷载为:q=q0+γ1h1+γ2(h2－0.27)=117.09 kN/m2。其主动土压力计算结果，如表1所示。

2.1.2 支护桩选型

选用桩径为1400 mm，水平间距为2500 mm，采用C35混凝土，HRB400级钢筋，主筋净保护层取 50 mm［7］，并从 －6.50 m 和 －10.50 m 处设二道锚杆，每2根护坡桩中部与水平角10°打入2 Φ 28，HRB400钢筋锚杆，形成桩(墙)锚杆支护结构体系。

表1 主动土压力计算表Table 1 Computation table of active earth pressures

2.1.3 计算模型

首先将护坡桩进行离散。根据内力平衡和变形协调条件进行整合，其桩前被动土压力则用等同弹簧力代替，两者计算单元均被细化为图2所示。

图2 计算模型Fig.2 Computation model

将以上设计初步参数输入上述有限元程序［8－9］，得截面最大弯矩出现在 －12 m 处。

鉴于截面弯矩值很大，除沿桩截面周边均匀配置纵向钢筋外，在受拉区根据弯矩大小适当增配纵向钢筋，将其弯矩变形与朗肯土压力理论法比较，如图3所示。

2.2 信息化施工分析

信息化施工是指在深基坑支护结构及周边环境中，采用监测方法实时收集监测数据加以分析，根据信息分析结果对原设计和施工方案进行调整、优化和反馈，做到技术先进、经济合理、安全适用的一种施工方法。图4所示为深基坑支护的信息化施工工程监测图。

图3 受力与变形对比图Fig.3 Comparison between force and deflection

图4 工程监测图Fig.4 Ichnography of construction monitoring

2.2.1 监测内容与方法

监测内容与方法如表2所示。

2.2.2 信息分析与处理

办公楼靠近基坑西侧，距边坡距离仅3.50 m，构成了深基坑支护信息化施工中的难题。在施工方案中，对于基坑西侧边坡采用“护坡桩+锚杆+双液注浆”(边坡－6.0 m以上)。通过监测信息采集，掌握了基坑边坡变形发生和发展主要受土方开挖深度的影响和控制。信息分析表明，因第1排锚杆设置较低(－6.50 m)，土方开挖至－10 m时，护坡桩呈悬臂状态，此时基坑边位移监测显示，桩顶水平位移陡增。在处理对策中，立即进行第2次张拉，当锚杆张拉锁定后，变形即被控制。其次，根据理论分析:护坡桩最大弯矩在－12.0 m处，因此在－10.5 m处设置第2排锚杆，第1次张拉后又进行了第2次张拉，适应了受力分析要求。通过信息分析处理和及时反馈，取得了良好的效果。

表2 主要监测内容与方法Table 2 Primary monitoring contents and methods

3 结论

(1)为适应信息化施工的需要，在深基坑桩(墙)锚杆支护结构施工中通过对支护结构、基坑周边环境、以及土质性状施工影响而引起变化的监测，采用弹性杆系有限元分析所选用的参数较准确，计算结果(弯矩和桩体变形)比较，与实测数据吻合较好。

(2)同时，护坡桩最大水平位移完全满足变形控制的要求。特别是东一国际商业广场深基坑周围有建(构)筑物、道路和管线，采用信息化施工，通过监测信息采集、信息分析处理、信息反馈和视频监控技术，为实现远距离施工现场的作业面展现、控制与决策提供了科学依据。

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