信息化施工技术在深基坑支护中的应用

李 垚，李 峰，孙泽宏

(1.淮南职业技术学院能源工程系，安徽淮南 232001; 2.陕西省一八六煤田地质有限公司, 西安 710075)

深基坑支护是基础工程地下工程中的一个综合性课题，也是岩土工程中的难题。采用信息化施工技术，通过跟踪采集施工活动中各种信息，加工处理并与预测值相比较，及时可靠的预测施工中可能遇到的问题，使设计达到经济合理，施工快捷、安全的目的。

1 信息化施工技术

信息化施工技术基本思路是：在施工中跟踪采集有关的信息，经设计计算模型分析加工处理，与预测结果相比较，得到较为全理的相关参数，预测下一施工阶段支护结构稳定性，及对邻近设施的影响程度，以便能及时调整设计或采取措施，防患于未然。

信息化施工技术主要由两部分组成：信息的采集和信息的分析与反馈(图1)。

1.1 信息的采集

信息的采集通常是通过设置于支护结构、土体及邻近建筑物中的监测系统来实现。由于变形、作用力及基坑周围环境变化是土体与支护结构相互作用最直接观的反映，因此信息采集对象主要为挡土桩(墙)、支撑结构(土层锚杆)、邻近建筑物、基坑周边及自然环境等，监测内容涉及以下几个方面：

1)基坑周边土体的位移与沉降量。

2)支护结构的变形量。

3)支护结构的应力变化。

4)地下水水位变化。

5)作用于支护结构上的土压力。

6)邻近建筑物及设施的变形。

7)基坑基底回弹量。

8)自然环境变化对支护结构的影响。

9)支护结构的基本试验(包括材料试验、锚杆试验、抽水试验等)。

信息采集除现场调查外，主要利用测量仪器来实现，常用的仪器有水准仪、经纬仪、测斜仪、钢筋计、土压力计、水压力及水位动态观测仪等。

图1 信息化施工组成部分Figure 1 Components of informationalized construction

无论采用何种仪器、任何方法采集监测信息，均应满足一定的技术要求。首先，观测必须有一定的计划和目的，在基坑工程施工前制定详细、周密的监测计划，明确监测所要达到的目的；其次，监测的方法、频率和测点的布置必须合理，所施用的仪器和精度满足有关技术规范要求。此外，由于基坑开挖是一个动态的施工过程，监测必须及时，并根据环境及施工条件的变化进行实时跟踪监测，只有这样才有利于发现问题，及时采取措施。

1.2 信息处理与分析

众所周知，深基坑施工过程是一个动态过程，因此，采集的信息应及时进行数据处理，提交监测成果，以便及时发现问题并进行处理。分析成果通常包括如下几方面的内容：

1)挡土桩(墙)的位移时程曲线。

2)挡土桩(墙)顶的位移时程曲线。

3)挡土桩(墙)的内力及弯矩变化时程曲线。

4)桩(墙)后土压力分布曲线。

5)桩(墙)后土压力与挡土结构位移曲线。

6)边坡土体位移与基坑开挖深度、气候变化等因素的时程曲线。

7)邻近建筑物沉降及水平位移时程曲线。

8)土层锚杆有关试验曲线及其内力、位移变化曲线。

9)地下水水位、降水井涌水量时程变化曲线。

利用上述分析成果，通过反演分析得到有关参数和结果，再与设计计算值、容许值比较，以便预测施工中存在的问题，及时反馈给设计和施工单位，调整和优化施工设计。

2 应用实例

在具体的深基坑支护工程应用中，随场地工程地质条件和施工环境不同，所要考虑和解决的问题重点和信息的采集内容也不相同。以下工程实例，就信息化施工技术与深基坑支护设计、施工、地下水分析应用做一介绍。

2.1 工程概况

某深基坑工程位于北京市宣武区白广路二条一号，中国电力企业联合院内，拟建建筑物主楼20 层，高80m，框架结构，基础埋深17.5～18.5m。基坑穿越土层自上而下依次为：人工填积层(5.5m)、砂质粉土层(2.5m)、细粉砂层(5.25m)、卵石、圆砾石层(4.5m)、细粉砂层(2.5m)、卵石、圆砾石层(>10m)。该工程东侧紧邻新建高层办公大楼、蓄水池及五层旧办公楼，西侧紧邻锅炉房烟囱，且基坑四周围地下管线复杂(图2)，对边坡变形控制要求较高。

图2 场地平面图Figure 2 Site plan

2.2 施工设计方案

由于基坑四周紧邻重要建筑物和对不均匀沉降较为敏感的高耸烟囱、水池等构筑物(最近的距基坑边仅1.85m)。因此，基坑施工不能对原有建筑物基础持力层产生扰动，严格控制基坑边坡土体变形，确保基坑邻近建筑物不受破坏是本工程支护的先决条件，也是支护设计方案中需要解决的一个难题。支护结构采用护坡桩+土层锚杆支护结构(表1、表2)，结合动态信息化设计施工技术方案，以便发现和预测工程中存在的问题。

2.3 施工过程

结合本工程支护特点和重点，在施工过程中建立了完善的信息化施工系统，系统网络由信息采集系统和设计优化系统组成。将信息采集系统所采集的信息经加工处理后与设计值相比较，以判断支护系统安全可靠性，并通过优化计算模型，预测下一步施工中可能存在的问题，对设计中不足之处加以调整，使施工设计更为合理。

表1 基坑支护结构护坡桩设计方案

表2 土层锚杆设计

2.3.1 桩体位移监测

本工程桩体位移采用美国测斜仪公司生产的伺服加速度测试仪。

从桩体水平位移测试曲线(图3)可以看出:

1)当基坑开挖至第二层锚杆施工深度(13.3m)位于建筑物邻近的各测点水平位移最大值小于12mm，最小值为-2 mm(负号表示向边坡方向发生位移)。支护结构位移未超过警戒值，说明支护系统较为稳定。

2)测试曲线反映出支护结构安全储备较大，其支护能力在一定程度上并未得以充分发挥。

3)桩体在第一层锚杆预应力作用下，向边坡方向发生了少量位移，说明预应力的施加有效的控制了边坡土体向临空方向发生位移。

4)过于控制桩体的水平位移，反而使桩体所受弯矩提高，对于支护工程设计并不经济。

5)依据上述监测结果及其它监测信息，鉴于基坑护坡桩、第一层锚杆已施工，且桩体配筋较大，有较高的抗弯能力，卵石层能为锚杆提供较高承载力，结合现场实际施工条件，利用变形数据，进行反演计算，调整原设计方案为：将A、B、C、D、E、F桩区的第二层锚杆调整为统一标高，即方便施工，且增强了支护结构的整体性；将D、F桩区的三层锚杆变更为二层锚杆。调整后锚杆有关参数见表3。

6)监测曲线C-2说明，经优化后的支护结构仍能保证基坑施工安全和其邻近建筑物的安全，且支护系统的支护能力得以充分调动，表明调整设计后的支护系统较为安全、经济。

2.3.2 桩顶位移监测

为了确保基坑周边建筑物的安全，及时掌握基坑施工过程对其影响程度，在基坑邻近建筑物周围布置测点，对建筑物沉降进行了监测。监测结果表明：北主楼沉降量为0.8～2.3mm，沉降差为1.5mm；塔楼沉降量为0.8～1.9mm，沉降差为1.1mm；烟囱沉降量为3.9～5.9mm，沉降差为2.0mm ：均小于建筑规范要求。

2.3.3 地下水位动态观测

在基坑护坡桩施工过程中，通过现场十几个桩孔对地下水位进行了监测，监测结果表明地下水位埋深22.8～21.0m，位于A、B桩端上1.0m，C、D、E、F桩端上2.8～3.0m。鉴于本工程工程地质条件和现场施工条件，将原施工设计中的机械成孔方案进行了修改，提出了利用桩孔进行降水和水位观测，采用人工挖孔桩进行成孔，从而大大加快了施工进度，降低了施工费用。

2.4 施工成果

本工程施工过程中由于全面采用了信息化施工理念，通过对基坑开挖过程中的桩体变形、边坡位移等动态监测，并将所采集到数据应用到工程优化设计中，在确保边坡及邻近建(构)筑物安全、稳定的前提下，对锚杆层位进行了优化调整，为施工提供了必要条件，同时减小D、F区段锚杆层数，大大降低了锚杆工程量， 节约了施工成本。此外通过现场对地下水位监测，尽管地下水位位于桩端以上，通过综合分析、评判，通过调整成桩工艺，避免了卵石层中护坡桩机械施工难度大，降低了成桩费用。

图3 桩体水平位移监测曲线Figure 3 Pile body horizontal displacement monitoring curve

桩区层位A+B一二C一二D一二E一二F一二标高/m-6.6-12.8-6.6-12.8-6.6-12.8-6.6-12.8-6.6-12.8倾角/(°)20-2220-2213-1520-2216-1820-2218-2020-2220-2220-22长度/m2620.5282025.519.524.524.524.021.0锚固段/m18.016.018.016.015.515.017.518.515.516.5承载力/t 47.078.065.080.061.076.073.581.046.073.0预应力/t35.056.042.056.048.056.052.057.035.056.0

3 结语

基坑支护工程是一个系统性工程，又是一个临时性工程。它不仅仅涉及至岩土工程，同时也是一个结构性工程，并受到场地周边环境、岩土条件、施工条件等方面制约。而土体本身是一个摩擦性材料，土压力计算目前仍停留在库伦、朗金土压力计算理论阶段，实际设计计算中很难进行准确计算。本文通过一基坑支护工程设计、施工实例，应用基坑边坡变形、支护结构变形、受力、周边邻近建(构)筑物变形等信息数据，进行分析、反演，优化了支护结构设计，降低支护施工成本，阐明信息化施工技术在工程中的应用。