基于高精度GPS河道断面测量的深基坑变形风险控制研究

曾 涛

(惠州水务集团东江工程检测有限公司，广东 惠州 516000)

1 工程概况

本水利工程为预应力混凝土连续梁桥，为预留边滩河道疏浚规划条件。1号～5号墩最小开挖深度为13.62 m，最大开挖深度为15.95 m，平均为15.54 m。该基坑的加固使用高压旋喷桩进行。地下连续墙设计采用强度为C40的混凝土，并插入至地面以下35.5 m处。地下连续墙切断坑内水位和坑外地下水联系，采用止水帷幕、围护墙止水；坑内使用管井疏干降水。在开挖前，降低地下水位至基坑地面以下0.55 m。

2 断面测量

测量河道断面是河道地形测量的重要过程，测量对象包括横断面测量、纵断面测量[1]。纵断面指河流中线剖面，纵坐标选取测量中线以上地形变化转折高程，同时将河长作为横坐标，将河流纵断面图绘制出来[2]。纵断面图能通过河流纵坡、落差沿程得到体现。横断面指与流向断面垂直的河槽某处，并以水面线和河底作为上下边界。在最高洪水位以上1.0 m处测量横断面陆上数据；在码头中心线上测量码头中心线断面，若水深变化明显，需增加测点数量[3]。本研究断面测量采用天宝SX12 GPS系统，该系统可使30～40 km远距离测量作业得到实现。天宝SX12 GPS测量系统可获取高精度P码，可有效将电离层影响减弱，还可双频组合组成不同波长相位观测值，可将搜索空间相对减少，从而将解算速度提高。

3 河道基坑开挖监测分析

目前，基坑工程设计主要以工程经验为重要依据[4]，基坑监测已成为判断基坑本身及周边稳定性重要手段[5]。真实有效的监测数据能真实反映出各复杂条件下结构变化[6]。由于各地荷载情况、地质水文差别较大，现场监测非常重要[7]。因基坑施工质量存在不可控因素，会对周围环境和开挖范围产生很大的影响，须借助精确的监测技术实时掌握开挖的各过程结构变形情况，确保工程安全性[8-10]。本研究参考《建筑基坑工程监测技术标准》(GB 50497—2019)《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)等对基坑进行监测，图1为断面监测点布局，表1为监测项目以及控制变形累计值、控制变形速率。

表1 基坑监测控制值

图1 断面测点布局

在基坑四周，测斜管间隔约19～39 m布置一处，在地下连续墙施工前预先在墙体内埋置。在基坑四周平行于基坑围护墙每隔9～19 m布置地表沉降监测点，将布置的一排道钉作为监测点，每排道钉不低于五个。其余监测点在基坑开挖前布置好；实际施工中结合气候水文条件、工况、监测数据的情况来调整监测频率。

4 监测数据分析

4.1 围护墙竖向位移监测分析

同一监测点可同时监测围护墙的水平位移和竖向位移。选取监测点JC3、JC26，图2为围护墙顶的竖向位移变化量。

图2 围护墙顶的竖向位移变化量

由图2知，南北两侧的JC3、JC26具有一致的变化趋势。竖向位移随开挖深度的增大均呈现波折上升趋势。其中监测点JC3在检测天数为150 d时，其竖向位移最大，为30.0 mm，JC26在检测天数为165 d时，竖向位移最大值为33.5 mm。坑底土体随基坑开挖而隆起，从而使围护墙得到一个向上推动力，引起围护墙初期向上的位移发生；随着开挖进行，围护墙在自身较大重力的作用下产生竖直向下位移；在开挖卸载后，基坑内侧土体围护墙内外两侧土压力差造成围护墙竖向变形。围护墙顶部竖向位移表现为波折向上变形曲线。围护墙内外土压力在基坑开挖初期造成围护墙竖向位移要比墙体下沉大，基坑开挖初期围护墙竖向位移增长较快。支撑架设对围护墙竖向位移进行有效限制，在开挖至坑底后会使向上挤压应力与围护墙自身重力达到平衡[11]，竖向位移趋于稳定。

4.2 支撑轴力监测分析

在整个支撑结构中，轴力监测点布置起决定性作用，每道支撑都有五个监测点，全面测量其支撑轴力。表2为各支撑轴力控制值。

表2 各支撑轴力控制值 kN

由图3知，第一道混凝土支撑轴力值呈现略微上升趋势，各测点变化幅度较大。ZDA1出现最大轴力，监测最大值为4000 kN。在进一步开挖基坑时，则向前推动被动区土体，结构顶部向坑外转动，造成第一道混凝土支撑轴力有极小值出现。当架设完成二、三道支撑后，第一道支撑轴力趋于稳定，支撑体系此时已完善，大部分的墙后土体压力由下部支撑承担。

图3 第一道混凝土支撑轴力情况

图4呈现了第二道混凝土支撑轴力，且处于上升变化，ZDB5具有最大值，为15 000 kN。

图4 第二道混凝土支撑轴力情况

图5为第三道混凝土支撑轴力情况，由图5知，第三道支撑架设初期轴力迅速增大，ZDC5具有最大值，为15 100 kN。轴力增速在开挖完成时逐渐减缓，并逐渐趋于稳定。

图5 第三道混凝土支撑轴力情况

与第一道支撑轴力相比，第二道、第三道支撑轴力数值更高，这对基坑稳定性的保持发挥的作用很大。全部的支撑轴力值均小于设计值(1700 kN)的要求，确保基坑稳定性。基于基坑的整体稳定考虑，对河道深大基坑，建议支撑材料选择具有更好连接性和刚度的钢筋混凝土，不建议使用钢支撑，因为其连接性相对较差。

4.3 周围地表沉降监测分析

当围护墙向坑内有位移发生时，外侧土体由于存在空隙结构并不稳定，在重力作用下就会发生沉降[12]。在距离基坑边缘均为5.5 m处，选择TDB1、TDB5、TDB10三个监测点记录沉降量，对基坑开挖期间地表沉降变形趋势进行分析。图6显示在第150天，TDB1、TDB5、TDB10的沉降量分别为-7.0 mm、-15.0 mm、-12.5 mm。

图6 距离基坑边缘5.5 m处监测点地表沉降

在距离基坑边缘均为10.5 m处，选择TDB3、TDB7、TDB11三个监测点记录沉降量，图7所示为各监测点地表沉降量随监测天数的变化情况。由图7知，距离基坑边缘10.5 m处，各监测点地表沉降值较大。其中TDB3、TDB7两个点位靠近土方运输道路，受外部应力挤压效应造成沉降量增大。

图7 距离基坑边缘10.5 m处监测点地表沉降

图8是对开挖1和开挖3基坑外围地表沉降量的汇总情况，其中开挖1表示第一次基坑开挖完成后，开挖3表示第三次基坑开挖完成后，共三次完成所有开挖。由图8知，随着监测点位与基坑边缘之间距离的增加，地表沉降量呈现先增大后减小的趋势，最后逐渐稳定，其中最大值均出现在距离基坑边缘约11.5 m处。

图8 地表沉降监测值

就开挖过程而言，在一定范围内，开挖时会增加地表沉降，出现峰值后减小，最后趋于平缓。这是由于基坑上层为杂填土土层，其强度较低，开挖初期具有较快的沉降速率；围护墙位移受支撑架设限制，且对坑外土体沉降速率存在抑制作用，沉降在远离基坑开挖影响范围后逐渐减小。

5 有限元模拟结果与监测数据的对比

5.1 围护结构水平位移对比分析

图9为临河侧围护结构水平位移模拟值和监测值对比图，图10为非临河侧围护结构水平位移模拟值和监测值对比图。分析两图可看出，在第一次开挖(开挖1)、第3次开挖(开挖3)工程中，围护结构最大水平位移的监测值、模拟值都具有较高的吻合度。随着深度的增加，围护结构水平位移均表现出先增大后减小的趋势。对于基坑监测点而言，在0.75H处为围护结构最大水平位移位置，模拟结果为0.68H处。开挖完成临河侧每层土体后，第一次开挖水平位移最大监测值与最大模拟值相差7.4%、第三次开挖水平位移最大监测值与最大模拟值相差10.3%。非临河侧第一次开挖水平位移最大监测值与最大模拟值相差35.4%、第三次开挖水平位移最大监测值与最大模拟值相差3.8%。结果显示，围护结构最大水平位移的模拟值小于监测值，模拟结果顶部位移均比监测值要大。

图9 临河侧围护结构水平位移模拟值和监测值对比

图10 非临河侧围护结构水平位移模拟值和监测值对比

在开挖1、开挖3工程中，模拟值与监测值整体保持一致，但最后一部分土体开挖时，两者出现较大误差，这是由于数值模拟比较理想化，忽略了现场施工中的部分影响因素，通过混凝土支撑架设，可有效降低水平位移的变化趋势[13]，有限元模拟则在一瞬间将全部支撑绑定到地下连续墙上，造成围护墙顶端水平位移偏大，但误差依然在合理范围内。此外，基坑受非对称荷载，基坑两侧围护结构承受不同的土压力，产生差异较大的位移。临河侧围护墙水平位移比非临河侧围护墙水平位移要大。实际监测值存在一定离散点，有些点位数据会有明显突变发生，原因是现场监测实际情况比较复杂，测点受土体挤压变形等因素影响造成监控数据失真。

5.2 地表沉降对比分析

由图11知，监测数据和地表沉降曲线模拟具有一致变化趋势。随着监测点逐渐远离基坑，地表沉降变形均表现为先迅速增大后逐渐减小并趋于稳定。模拟计算最大沉降值和监测最大沉降值分别为32.0 mm、22.0 mm。在开挖1、开挖3过程中，监测值、模拟值较接近，两者误差最大值在开挖最后阶段发生，因现场实际施工比较复杂，施工荷载、土方运输均会造成地表沉降增大，监测值高于模拟值。

图11 地表沉降移模拟值和监测值对比

5.3 支撑轴力对比分析

表3为最大支撑轴力值，由表3知，第一道支撑轴力监测值、模拟值具有较大误差，这是由于在实际开挖过程中，基坑采用分层开挖的方式，模拟中则是瞬间移除整块土层，且支撑轴力受到时空效应、土体开挖顺序等因素影响，因而第一道支撑轴力实测值与模拟值出现较大误差。第二道和第三道支撑的轴力监测值、模拟值的误差较小，分别为17.19%、5.47%。

表3 最大支撑轴力值 kN

6 结 论

本文基于高精度GPS，分析围护墙竖向位移、水平位移、混凝土支撑轴力、地表周边沉降变形，对河道断面测量的深基坑变形风险控制进行了研究，得出如下结论：

(1)增大开挖深度后，会进一步提高围护栏结构水平位移，最大值出现在第三道支撑、底板中间，随后逐渐降低，在实际施工中是分层分块、对称开挖原则，在模拟中是瞬间挖除整块土层，工况差异会造成围护墙水平位移的模拟结果较小。

(2)随着开挖进行，围护结构竖向位移出现波折式提升趋势，这是坑底隆起、坑内外土压力差、墙体自身重力的影响造成的。及时架设第一道支撑，围护结构顶端的位移显著减小。可限制围护墙位移，提升基坑整体稳定性。地表沉降的监测值、模拟值结果较接近，变化趋势相同，在距坑基边缘距离增大的过程中，增大到一定程度将出现最大值，然后随之降低。