大型深基坑桩撑支护结构施工监测与数值分析.pdf

经纬天地Survey World2023年第3期No.320230引言在我国房屋建设中，大型深基坑工程的设计与施工一直是研究重点。基坑工程具有一定的临时性，与周围建筑物有着密不可分的关系，因此较大程度上影响着工程建设的主体安全1。在围护结构不断创新的背景下，桩撑支护结构逐渐被推广开来。然而不同建设区域有着不同且较强的区域性，因此基坑围护技术的施工监测必须因地制宜，才能达到期待的安全效果2。王伟对鼎华城水岸佳园深基坑的围护与设计方案进行了研究3。整个监测过程中重点关注了基坑的施工与监测，并对不同的方案进行了综合性分析。通过设置不同监测点对基坑围护展开监测，成功实现了最大限度降低施工成本的目标。王峰等将成都地铁 17 号线某车站深基坑作为研究对象，分析探讨了在砂卵石地层条件下基坑的降水处理与围护方案4。通过建立有限元模型对桩体水平位移的监测与计算结果进行了对比。结果显示：在砂卵石地层中采用钢支撑与围护桩结构的相关体系可以有效地限制桩体的水平位移，所得到的有限元计算结果与现场监测结果较为一致，可以作为该地区同类工程施工设计的依据。综合上述大型深基坑桩撑支护结构施工监测与数值分析周祥运1，曾泳谕2（1.广州港工程管理有限公司，广东 广州 510000；2.广东省国土资源测绘院，广东 广州 510000）摘要：针对深基坑桩撑支护结构的设计与造价问题，以某大型深基坑工程为背景，结合深基坑桩撑支护结构的设计、施工情况与监测，详细阐述了深基坑在开挖过程中的桩顶垂直位移、桩身水平位移、支撑轴力、基坑一定范围内的地表沉降、基坑附近建筑结构的沉降以及地下水位6个方面。结果表明：桩身最大水平位移与最大轴力的实际监测值分别为3.31 mm与2650 kN，数值均低于预警值与控制值，证明了该深基坑的设计安全系数较高，可以进行设计与优化操作。关键词：深基坑施工；施工监测；地表沉降；建筑结构中图分类号：P258文献标识码：A文章编号：2095-7319（2023）03-0008-05Construction monitoring and numerical analysis of pile-strutsupporting structure of large deep foundation pitZHOU Xiangyun1，ZENG Yongyu2（1.Guangzhou Port Engineering Management Co.,Ltd.,Guangzhou 510000,China;2.Guangdong Institute of Land and Resources Surveying and Mapping,Guangzhou 510000,China）Abstract:In view of the design and cost of pile-supported retaining structure in deep foundation pit,taking a large-scale deepfoundation pit project as the background,combined with the design,construction and monitoring of pile-supported retaining structurein deep foundation pit,the six aspects during excavation on vertical displacement of pile top,horizontal displacement of pile body,axial force of support,surface settlement in a certain range of foundation pit,settlement of building structures near foundation pit andgroundwater level are expounded in detail in this paper.The results show that the actual monitoring values of the maximum horizontaldisplacement and the maximum axial force of the pile are 3.31mm and 2650 kN,which are respectively lower than the early warningvalue and the control value.Therefore it proves that the higher design safety factor of the deep foundation pit can be designed andoptimized.Key words:deep foundation pit construction;construction monitoring;surface subsidence;building structure收稿日期：2022-07-20作者简介：周祥运（1990），男，瑶族，广西桂林人，工程师，主要从事变形监测、工程测量等工作。E-mail：Construction monitoring and numerical analysis of pile-strut supportingstructure of large deep foundation pit86月学者研究可知，基坑围护中支护结构的施工监测与数值模拟已经受到了广泛关注。为了丰富信息化施工监测的重点内容，研究以广州某大型深基坑桩撑支护为研究对象，构建了相应的监控布置及监控指标，并以现场实测数据为基础，通过施工监测手段与数值模拟技术对该基坑进行分析，研究了深基坑开挖和支护对附近建筑物的影响，以期进一步提升基坑施工的安全性。1广州某深基坑工程项目周边建筑物变形监测1.1基坑支护类型及沉降计算根据所选基坑项目的施工情况，确定了基坑支护的主要类型及监测内容。该基坑的总周长约为 2000 m，面积约0.22 km2。根据本基坑岩土工程勘察报告，第四系上覆土层主要由人工堆积的杂填土、冲积层的粉质黏土、淤泥、细砂的粉质黏土、中粗砂层、残积土等组成。下伏基岩主要是泥质粉砂岩、泥岩、砾岩、含砾粗砂岩，地下水位受季节性降水的影响很大。基坑南部临近珠江，且中部有河道流经，因此该基坑可能受地表水影响较大。考虑到项目的具体需求，其基坑支护的主要类型有以下 3 种：第 1 种是放坡开挖，由于项目场地开阔，且场地周围无重要建筑物，项目需要重点关注的就是稳定性，因此采用放坡开挖的方式支护费用较低，但回填土方较大；第 2 种是深层搅拌水泥土围护墙，一般用于挖深 7 m 以内的基坑；第 3 种是高压旋喷桩，采用这一方式的主要原因是项目可能受地表水和地下水影响较大，而高压旋喷桩可以达到很好的挡土和止水效果。在深基坑开挖过程中，施工地的初始地应力会发生一定的变化，进而导致一系列的变形现象，而变形在超过一定程度后可能会对深基坑附近的建筑物产生较大影响。因此，需要确定变形值控制在允许的范围内。为确保基坑的安全稳定施工和周围环境的安全，在深基坑开挖过程中主要从桩顶垂直位移、桩身水平位移、支撑轴力、基坑一定范围内的地表沉降、基坑附近建筑结构的沉降以及地下水位 6 个方面进行监测。以基坑附近建筑结构的沉降范围计算为例，其计算过程主要使用到了Peck 曲线法。该方法中的曲线为地表沉降经验曲线，在计算中主要需要考虑地质条件和施工技术，按照该方法求得此基坑项目的预估地表沉降经验曲线，结果如图 1 所示。根据图 1 中方法求得的地表沉降经验曲线与实际结果可能有一定的差异。因此，结合工程经验和实际勘察结果对预估的地表沉降经验曲线进行了修正，修正后基底隆起量计算式如式（1）所示：=10KaH（1）式中：为基底的隆起量；H 为开挖深度；a 为地表竖直变形值与基坑开挖深度的比值；K 为修正系数。同时，研究利用了以弹性理论为基础的地面沉降量计算方法进行辅助验证，以进一步增强结果的可靠性。地面沉降量计算式如式（2）所示：式中：S为最终固结沉降量；ei为第 i 层土的初始孔隙比；Pi为第 i 层土因降水产生的附加应力；avi为第 i 层土的压缩系数；Hi为第 i 层土的厚度。1.2监测布置及监测指标建立监控布置即监测点的布置，其布置主要需要遵循以下原则：（1）当前工程的主要内容包括设计规范、综合成本、项目所在地的水文环境以及相关部门对项目监测的技术指标要求等。以此为基础，项目需要拟定具体监测的内容，监测所使用的设备以及设备数量。（2）监测点的布置若仅仅根据检验设计数据来布置变形监测点可能导致监测点的布置超出变形允许值，所以监测点应该设置在初始施工位置处。（3）在垂直位移以及水平位移监测点布置中，应该充分考虑所设点是否可以有效观测出所监测位置的变形情况。（4）监测点的布置应该充分考虑构件及其受力情况，不能对构件产生影响。由于在项目实施过程中需要对多个方面的情况进行监测，因此监测点的布置需要进行全面考虑，使其可以实现对同一位置处不同变化量的整体监测，并在此基础上找出各监测量之间的联系。（5）在监测点布设之前应该充分考虑布设的顺序，预先对深层的测点进行布设。当测点在开挖过程中被损坏，应立即在同样的位置进行补充。对各监测点进行布控，具体布控如下：地表沉降数据来自以下 9 个点：DBC105-1、DBC105-2、DBC105-3、DBC105-4、DBC105-5、DBC105-6、DBC105-7、DBC105-8 和 DBC105-9。桩顶水平位移从以下 6 个测点测量：ZQS01、ZQS02、ZQS03、ZQS04、ZQS05 和 ZQS06。对于支撑轴力，研究采用 FXR-1040 型振弦式轴力计进行测试。建筑沉降从以下 4 个点测量：JGC06-01、JGC06-02、JGC06-03 和 JGC06-04。水位监测数据从以下 4 个点获得：DSW1、DSW2、DSW3 和 DSW4。所有监测点的监测时间间隔为1 d。根据现有监测资料，基坑开挖至 7 m 深度时，应在 2.58 m处安装第一道钢筋混凝土水平支撑；基坑开挖至 10 m 深度时，第二道钢支撑设置在 7.58 m；当基坑开挖至 14 m 时，在11.88 m 处设置第三道钢支撑；当基坑开挖至 16 m 深度时，（2）S=aviPi1+eiHi周祥运，曾泳谕：大型深基坑桩撑支护结构施工监测与数值分析图 1预估地表沉降经验曲线离墙体距离/挖坑深度/m沉降量/挖坑深度/mm土质较差土质一般土质较好9经纬天地Survey World2023年第3期No.32023第四道钢支撑设置在 15.78 m 处。本工程基坑周边为砖混结构。如果支护结构遭到破坏，土体发生大的坍塌或变形，将会对周围环境产生严重的影响。因此，基坑安全等级应定为一级。根据 基坑工程监测技术规范（GB504972009），监测预警参考值如表 1 所示。序号12345678监测项目桩顶水平位移桩顶垂直位移深层围墙水平位移基坑周围地面沉降支架内力地下水位邻近建筑物最大沉降相邻建筑物差异沉降累计值绝对值2530/mm1020/mm4050/mm2535/mm60%70%/f1 000/mm1060/mm/基坑相对深度H的控制值0.20.30.10.20.40.5/变化率/（mmd-1）23232323/500/0.1 h/1000表 1监测预警参考值由表 1 可知：h 为沉降量；H 为基坑的设计开挖深度。f为设计的极限值。累计值为基坑 H 的绝对值与相对设计开挖深度之间的较小值。根据基坑开挖深度，计算出的绝对值均小于基坑深度的相对控制值，因此将绝对值作为累积值的预警值。当监测项目的变化率每天持续超过警报值的 50%时发送报警信息。2深基坑施工变形监测数据分析在监测过程中，主要的监测内容包括了本文 1.1 中提到的桩顶垂直位移、桩身水平位移、支撑轴力、基坑一定范围内的地表沉降、基坑附近建筑结构的沉降以及地下水位 6 个方面。桩顶垂直位移的监测情况如图 2 所示。由图 2 可知：在开挖基坑的过程中，由于受到基坑作用力旁边的压力作用，基坑围护桩顶在外力的作用下会逐渐向垂直方向发生位移。一开始桩顶初始竖向位移值较小，但随着监测时间的推移，桩顶竖向的位移值不断增大。当监测天数达到 5d时，测点 ZQS06的桩顶沉降位移最大，为 2.54mm，远小于 20 mm 的控制值。6 个监测点的垂直位移差值在 10%以内，表明各钻孔灌注桩的沉降趋势基本一致，基坑整体稳定性良好。这可能是因为在不同的开挖水平位移与深度变化以及内支撑预应力的施加作用下，土体位移沿着基坑附近的土体分布而不均匀。桩身水平位移的监测情况如图 3 所示。由图 3 可知：桩身呈向坑内变形的前倾型曲线，桩顶的水平位移最大。其中当监测点距离桩顶 11 m14 m 的范围内，大部分桩身的最大水平位移开始出现。最大水平位移的值为 3.31 mm，远小于 30 mm。发生此种现象的原因可能是，基坑开挖初期桩身的水平位移侧移较小。随着基坑开挖深度的增加，围护桩体向基坑的方向产生侧向位移。但由于在整个基坑施工过程中，总是开挖在前，支撑在后，即基坑围护在开挖的过程中，安装支撑前便已经发生一定向的先期变形。因此当支撑变形安装好以后，桩体的水平位移便已经得到了较好控制，数值明显变小。桩体的水平位移在整个监测过程中会随着基坑开挖深度的增加而增加，桩顶的水平位移桩深/m桩身水平变形/mm图 3桩身水平位移监测情况监测时间点/d柱顶沉降/mm图 2桩顶垂直位移监测情况106月也因此而逐渐增加，但桩底的水平始终较小。整个监测过程中，支撑轴力的监测情况如图 4 所示。由图 4 可知：4 道支撑轴力随着基坑土方开挖的深度增加而增加。最大轴向力出现在第二支撑处，最大轴向力为2650 kN，远小于控制值 6847 kN，约为设计轴向力的 4050%。第三和第四支撑的轴向力小于第一和第二支撑的轴向力。随着开挖逐渐进行，第一、第二、第三支撑的轴向力变化减缓并趋于稳定。第一、第二和第三支撑的轴向力分别约为 2250kN、2650kN 和 1100 kN，表明第二支撑附近的支撑结构变形较大。随着基坑开挖，第四支撑轴力迅速增加，支撑轴力的整体变化与桩身水平位移相对应。根据以上分析，说明研究所涉及的支撑轴力并没有得到充分发挥。整个监测过程中，所有轴向支撑的曲线变化较为有序、平稳。这可能与施工机械化停歇、基坑土方开挖深度不一以及土体应力释放等因素有关。基坑一定范围内的地表沉降监测情况，如图5 所示。由图 5 可知：随着基坑深度的增加，地表沉降也开始增加。基坑周边地表土层的竖向位移沿着水平方向呈现曲线式分布，其对应的沉降曲线有显著上凸趋势，但地表沉降的最大值产生处并没有出现在基坑地下连续墙边附近。结果中显示：基坑开挖初期，外侧土体的沉降量较小，其中最大地表沉降发生在基坑边缘，所有监测点对应的沉降曲线基本不变。随着基坑深度的增加，最大地表沉降开始逐渐向基坑距离较远处移动，大约位于三分之一坑深处。当开挖深度接近于 7 m 时，最大沉降值 9.0 mm。随着开挖进行，距离基坑边缘 10 m 范围内的土体沉降迅速增加，此时最大沉降点数值为 8.2 mm。从现有监测数据值来看，后期施工不同时间的沉降曲线较为相似，所有沉降的累计值均小于 10 mm，并远远小于预警值。在这种情况下，可以认定基坑周围土体整体处于一个较为稳定的状态，一直在沉降隆起沉降隆起的循环状态，满足基坑设计中最大地面沉降的控制要求。这可能是由于在基坑开挖的过程中，随着基坑的深度增加，围护桩朝着坑内方向位移，基坑周边土体的原始应力状态改变导致。基坑附近建筑结构的沉降监测情况如图 6 所示。由图 6 可知：深基坑附近建筑物的地表沉降随着基坑开挖深度的增大而增大，距离基坑的距离越小，沉降量越小。对 4 个监测点进行位移下降比较，可以发现各时间段的整体沉降差异较小。在监测次数为第 4 次时，建筑结构的垂直位移一直保持为最大，波动范围在-4 mm-5 mm。其中又以JGC 06-04 号的沉降值最大，当监测次数为第 4 次时，有最大沉降值位移 4.33 mm。这可能是因为监测点 JGC 06-04位于距离基坑较远的建筑物一侧的角落。对以上结果展开分析，在该基坑建设的东侧存在有一个后期开展施工的新基坑，监测点 JGC 06-04 距离其位置较近，受到的影响较大，导致基坑开挖后地表沉降量增加较为明显。地下水位的监测情况如图 7 所示。由图 7 可知：在开挖初期，深基坑开挖水位缓慢下降。一段时间以后水位下降更快，水位下降速率最快约 15 mm/d。4 个监测点的水位有相似的下降趋势，地下水位的差异很小。开挖初期，作业面远离地下水位，使用的抽水设备较少。因此水位下降速度较慢，地下水位随开挖变化不大。但水位下降在一段时间开始加速，这是因为基坑底部离地下水较近。水平基坑开挖 15 m 后，为了尽快完成下一阶段的施工，在坑底进行了大量的抽水作业，导致基坑外的地下水位在短期内迅速下降。支撑轴力/kN监测时间点/d图 4支撑轴力监测情况图 5基坑附近地表的竖向位移沉降变化曲线沉降监测点与基坑距离/m地表沉降值/mm监测点编号建筑结构的垂直位移/mm图 6基坑附近建筑物的沉降监测情况周祥运，曾泳谕：大型深基坑桩撑支护结构施工监测与数值分析（下转第19页）116月较大，直到 2022 年达到峰值。通过降水、温度与植被覆盖度相关性分析对比发现，近20 年来，除极端天气以外，温度降水变化幅度较小，自然因素对太原市植被覆盖度的影响并不大，主要影响因素在于政策扶持和人们对于生态环境保护的观念转变，山西省从煤炭资源发展到现在锦绣太原的建设，出台了一系列的相关环境保护、植被保护政策，如太原市人民政府批转市绿化东西山办公室关于 20052009 年省城东西山义务植树工作安排意见 的通知、太原市人民政府关于印发 三年（20112013）植绿大行动实施方案 的通知等，再加上有历年义务植树活动的持续作用，对植被覆盖度提高产生了巨大的正向作用。5结语NDVI 的研究在 Landsat 系列问世以来就已经被广泛使用，其使用经验、使用频率都说明了该研究方式的可靠性。本文基于 Landsat 系列卫星数据选择太原市 8 个时相的NDVI 值进行研究，表明太原市植被覆盖度逐年提高，体现出生态环境向好的一面发展，同时也体现了经济建设中生态建设的必要性。但是在研究过程中仅以近 10 年的温度、降水数据与植被覆盖度进行相关性分析，存在一定不足，在今后，应着重研究利用时间跨度更大的自然因素数据与植被覆盖进行分析研究，更加准确地分析植被变化的影响因素。参考文献：1李美丽,尹礼昌,张园,等.基于MODIS-EVI 的西南地区植被覆盖时空变化及驱动因素研究J.生态学报,2021,41(3):1138-1147.2张静,杜加强,盛芝露,等.19822015 年黄河流域植被NDVI 时空变化及影响因素分析J.生态环境学报,2021,30(5):929-937.3尉文艺,李旭东.贵州省北盘江流域20002018年NDVI变化及其与地形梯度、人口分布的关系J.水土保持通报,2021,41(6):361-368.4袁丽华,蒋卫国,申文明,等.20002010年黄河流域植被覆盖的时空变化J.生态学报,2013,33(24):7798-7806.5谭洪田,陶立超.基于NDVI数据的双峰县22年植被变化研究J.西北林学院学报,2022(3):149-154.6熊强,王双亭.河南省植被指数变化特征研究J.测绘与空间地理信息,2020,43(2):102-104,108.7荣欣,易桂花,张廷斌,等.20002015年川西高原植被EVI海拔梯度变化及其对气候变化的响应J.长江流域资源与环境,2019,28(12):3014-3028.8岳萌,耿广坡,等.20002019 年黄河流域陕西段植被NDVI 时空变化及其驱动因素分析J.水土保持研究,2023(2):238-246.9陈婷,夏军,邹磊,等.白洋淀流域NDVI时空演变及其对气候变化的响应J.资源科学,2021,43(6):1248-1259.（上接第11页）当基坑开挖深度达到 17 m，施工主要工作为降水。为了加快整体施工进度，降水的进度也加快了。3结语考虑到深基坑工程作业中可能造成周围建筑物的变形，监测深基坑开挖和支护对附近建筑物的影响是必要的。研究以广州国际金融城深基坑工程为背景，通过现场监测手段，研究了深基坑开挖和支护的变形规律，并得出以下结论：桩身最大水平位移为 3.31 mm，最大轴力的实际监测值仅为2650 kN，上述值均低于预警值和控制值，表明该深基坑的设计安全系数很高，可以进行优化设计。另外，在施工开挖过程中，靠近基坑的砖混结构未发生大的沉降。沉降最大值为4.3 mm，满足基坑施工设计规范要求。而当砖混建筑结构距基坑 34 m 时，基坑降水对建筑物的影响大于开挖对建筑物的影响。需要注意的是，广州国际金融城是一个建设时间较长的项目，在建设过程中还有很多其他值得关注的方向需要进一步研究。参考文献:1朱朝训,王咸耀,朱青美.浅谈基坑监测边坡水平位移及竖向位移的成因分析J.经纬天地,2018(3):5-8.2陈耀敏.超大深基坑施工对不同基础类型建筑物影响的控制与分析J.建筑施工,2018(7):1102-1104,1119.3王伟.深基坑围护方案设计、施工及位移变形监测技术J.价值工程,2022,41(12):77-79.4王峰,高月新,周勋,等.砂卵石地层深基坑围护结构变形监测与模拟J.科技通报,2020,2(36):74-79.监测时间点/d地下水位变化/mm图 7地下水位的监测情况马爱国：2000 年以来太原市植被覆盖率变化及其气候因素相关性分析19