基于信息化施工的超深基坑变形规律的研究

裴 迅，肖 颖

（1.郑州工业应用技术学院建筑工程学院，郑州451100；2.郑州市西绕城公路建设发展有限公司，郑州451100）

0 引言

在城际铁路明挖法隧道工程的设计中，基坑围护结构的设计在明挖法工程结构设计中占有重要的比重。根据国内外大量工程数据表明，基坑围护结构费用在整个工程造价中约占1/3。因此，科学合理的围护结构的设计，不仅能够节约工程的总造价，保证工程及周边环境的安全，而且能够带来可观的社会经济效益。

20世纪40年代，Terzaghi[1]和Peck[2]等人通过大量的工程分析和研究，提出了预估挖方的稳定程度和支撑受荷大小的总应力法；20世纪50年代，Bjeruum和Eide通过对基坑开挖过程中底板隆起量的分析和研究，总结出了确定基底隆起的方法[3]。

我国的深基坑支护结构设计出现的相对较晚。曾庆义、杨晓阳[4]通过对基坑抗隆起稳定影响因素的分析，总结出了基坑支护开挖中抗隆起稳定的计算方法；刘国彬、侯学渊[5]根据大量的试验分析及研究，对上海地区的典型软土的本构关系进行了研究，对基坑支护设计及基坑开挖施工有重要的意义。

1 围护结构变形模式

通过对大量基坑围护结构水平位移监测数据分析，刚性围护结构变形模式有墙体向坑内平移、墙体绕墙趾向坑内转动、墙体绕墙顶向坑内转动三种；柔性围护结构变形模式，表示墙体向坑内鼓胀。

2 支护体系施工监测

以郑机城际铁路明挖隧道深基坑工程为研究背景，通过对监测资料的分析研究，总结围护结构变形的基本规律，同时结合钢支撑实际受力情况，对支护体系各部分的协同作用进行研究。

2.1 工程背景

本期施工为郑机城际铁路地下段第Ⅳ标段，总长为5 216.1m，设计起止里程为DK38+883.90～DK44+100。由于区间段结构断面过大，拟采用明挖顺作法进行施工。

2.2 深基坑支护结构方案

研究对象为超深基坑工程项目，基坑标准段宽度为14.15m，深22m。本建深基坑选用的支护方案为：先对第一层按照1:1.25的比例土进行放坡开挖，再施作围护结构。钻孔灌注桩选用直径为1 000mm，桩间距为1 400mm，桩体之间土采用喷射混凝土封闭，桩顶设置冠梁，尺寸1 000×1 000mm。桩身长25.4m，其中嵌固深度为9.4m。基坑地层结构及围护结构断面如图1所示。

2.2.1 监测内容

结合研究内容，根据设计要求及工程的特点，对基坑变形进行重点监测。施工前应做好对周围建筑物（含地下管线）情况的调查及记录工作，基坑开挖后，应及时观察基坑内外情况，对工程和水文地质情况，支护状态及地面的变形、裂缝情况进行记录。

监测内容主要有以下几个方面：

1）围护桩体水平位移（桩体变形）；

2）围护桩顶水平位移；

2.2.2 监测方法

1）围护桩体水平位移（桩体变形）监测

图1 深基坑围护结构断面示意图

围护桩的桩体变形监测采用测斜仪和预埋的测斜管。测斜仪是一种能够精确测量支护结构内部水平位移的工程测量仪器。其核心设备是二力平衡的伺服加速度计。具有耐久性，高精度,快速反应等优点。本工程采用SR-IM便携式数字管桩测斜仪，现场桩体变形监测见图2。

图2 桩体变形监测施工现场

2）围护桩顶水平位移监测

监测点观测按《工程测量规范》GB50026-2016二等水平位移监测网技术要求观测，监测点水平位移观测根据现场条件，一般采用极坐标法。本工程围护桩顶水平位移使用全站仪进行量测，测点水平位移观测采用极坐标法。

2.2.3 监测点的布置

根据工程的实际情况，科学合理的布置监测点，统筹兼顾监测布置点与工作量此消彼长的关系。力争用较少的工作量来反映基坑的稳定性的变化情况，达到各种监测结果、作用关系相互验证的目的。本基坑工程采用如下测点布置方式：

在基坑两侧冠梁上分别布置桩体水平位移监测点，相邻两侧点水平间距为15m。测点编号为cx-01-01、cx-01-02、cx-01-03和 cx-02-01、cx-02-02、cx-02-03。监测点布置平面图见图3。

2.2.4 监测频率与周期

本工程监测周期自基坑开挖前测量初始值开始到基坑回填完毕结束。当监测值超过报警值或有危险事故征兆时，需加密监测。

2.3 桩体水平位移变化规律

重点分析本工程设计里程段DK42+190-DK42+250桩体水平位移。

围护桩体水平位移变化规律的监测，是基坑开挖过程稳定性最直接反应。由于土方开挖对测斜管造成堵塞等原因，选取监测点cx-02-01的监测数据进行分析，具体位置见图3。基坑开施工过程中，土方开挖顺序、无支撑暴露时间等施工因素对围护桩体的稳定和变形有着密切的联系，围护桩体的变形随着基坑开挖过程的不同而不同。

图3 监测点布置平面图

通过对5个主要施工时间阶段监测数据的分析，对基坑开挖过程中围护结构的变形规律进行研究。研究发现：桩顶位移位于3～5mm内，最大水平位移为8.52mm，其中绝大部分的位移量发生在第一层钢支撑施加之前。桩身位移最大值为8.52mm，且未超过警戒值50mm，所以基坑是安全的，围护结构强度满足工程要求。基坑支护开挖过程中桩体水平位移变化曲线如图4所示。

图4 监测点cx-02-01各施工阶段水平位移变化曲线

图4反应的是各个主要施工阶段桩体水平位移随基坑深度变化的曲线，也是围护结构安全状况的重要指标。由图中2013/8/11曲线可知，基坑放坡开挖对围护桩的水平位移的影响不大。由于土方开挖深度较小，此时围护桩位移表现出悬臂桩的性状，桩顶水平位移为-1.23mm。

比较曲线2013/8/22和曲线2013/9/8可知，在基坑开挖初期，由于基坑无支撑暴露时间过长，桩顶向基坑内侧水平位移明显增大，随着第一层钢支撑的安装及对围护桩的限制作用，围护桩向基坑内的水平位移减小并逐渐向基坑外侧发展，限制了围护桩水平位移进一步向基坑内的发展。由于施工机械、气候变化和建材运输车辆的影响，桩顶水平位移波动明显增强，但不影响基坑的稳定。

曲线2013/9/28表明，随着基坑开挖深度的继续增加，围护桩水平位移向基坑内侧发展，主动土压力显著增大，桩体位移表现出明显的时空效应。由于第二层钢支撑的及时架设，控制了基坑变形的发展。同时由于第一层钢支撑的作用，桩顶水平位移为3.83mm。

曲线2013/10/13是基坑开挖至设计基底标高时桩体的水平位移曲线，由于第三层钢支撑的施加，桩身在1.0m处水平位移值为向基坑外3.99mm；在基坑深度3.0m处，表现为向基坑内8.52mm，且均控制在桩体水平位移最大允许值50mm内。

3 结论

以郑机城际铁路隧道深基坑为工程背景，研究了深基坑工程中钻孔灌注桩+钢支撑支护体系的受力特征及变形规律。主要内容和结论如下：

1）分析了深基坑常见的变形现象及变形机理，研究了支护结构体系的适用性及支护体系的破坏模式。为保证基坑变形控制在工程允许范围内，选择合理的支护设计方案并对施工现场进行监测，开展信息化施工。

2）对基坑开挖施工进行系统的监测，重点分析了围护桩变形。围护桩水平位移不仅是评价围护结构安全的重要指标，而且与钢支撑轴力变化密切相关。同时，由于钢支撑对围护桩的作用下，基坑地表沉降发展也得到了限制。现场监测数据表明，基坑支护体系满足受力和变形要求，且基坑设计方案较保守。