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超大深基坑工程支护结构的监测分析

Summary： 随着我国经济的发展以及城市化率的不断提高，各类大型工程逐年增多。工程项目的规模的增大，也导致了其基础工程的施工难度也逐渐升高；尤其是超大深基坑施工，由于其开挖面积大，施工工序复杂，由此带来的建设风险也较大。因此，对深基工程的特点以及变形机理进行研究是十分必要的；本文依托某超大深基坑工程，对其施工过程中的结构变形进行了监测分析，对实际工程的施工具有一定的指导意义。
Keys：深基坑；基坑支护；基坑监测

1.引言
近年来，我国在工程施工领域取得了极大的成就，“港珠澳大桥”，“北京大兴机场”等超级工程的建成也标志着我国大型工程施工领域已经具备一定的能力。在大型工程的施工过程中，深基坑的开挖会对周围建筑物的稳定性产生很大的影响，且在外界的因素的作用下可能会发生失稳现象，是大型工程施工的重点与难点。为了避免深基坑施工过程中的发生事故并保证周围建筑物的结构安全，对深基坑工程特点进行分析，并对其施工变形机理进行研究，有针对性的对基坑施工过程中的关键结构的变形进行监测是极为重要的[1,2]。
2. 深基坑工程特点
分析深基坑的工程特点对于探究其变形机理来说是十分必要的。本文根据深基坑的施工流程及其结构特性，总结了深基坑施工具备以下几个特点：
(1).支护体系的临时性。深基坑工程中，为保证其施工过程以及周边建筑物的安全，需要对深基坑进行支护。待施工结束后，要对支护结构进行拆除；在支护结构拆除后，临时基坑可能会在自身重力以及外界因素的影响下由于长时间暴露而产生失稳现象。因此，应该对深基坑的变形进行监测，并制定相应的预警标准，保证基坑开挖的稳定性。
(2).工程地质条件的区域性。我国幅员辽阔，不同地区的地质条件也大不相同，深基坑施工过程中的变形与失稳很大程度上取决于所在地区的水文地质条件。因此，在深基坑工程也存在较大的区域特征。
(3).综合性。深基坑的稳定性受到多种因素的影响，存在很强的不确定性。因此，深基坑工程中也涉及多门学科，其中包括了最为基础的土力学而理论以及新兴的岩土测试技术理论。
3. 深基坑变形机理分析
3.1常见的深基坑支护结构
通过相关研究可知[3]，深基坑的变形破坏模式与其支护结构的类型存在一定的关系，在深基坑支护结构的设计过程中，应根据工程地质情况去选择合适的支护类型。深基坑的支护结构可以分为柔性支护与刚性支护两大类，常用的基坑支护主要有以下几种。
(1).钻孔灌注桩支护。钻孔灌注桩支护是深基坑施工中常用的支护形式。该支护方式钻孔后施作钢筋混凝土桩作为其支护结构，施工流程简单，且桩体强度较高。但是在软粘土中施作钻孔后灌注桩时，应当注意桩体空隙处的水土流失现象。
(2).地下连续墙。地下连续墙支护凭借其施工噪音小在城市深基坑的支护中取得了广泛的应用。该方法能够在地下形成墙体结构，具有良好的支护效果以及抗渗效果，施工结束后还能作为刚性基础的一部分，能够节约资源，减小工程投资。但是，在城市内施作地下连续墙时，其施工产生的废弃泥浆如果处理不当，会对环境产生不利影响。
(3).钢管桩支护。钢管桩支护是指采用钢管间相互搭接而成的一种支护结构，采用刚度较大的钢管能够起到很好地支护作用，通过钢管之间的相互搭接也能够起到阻水、阻砂的作用；该支护形式常用于围堰法修建基坑时的支护[4]。
3.2深基坑的变形模式
分析深基坑变形性模式对于探究其变形机理是十分重要的。本文对深基坑施工过程中常见的变形模式进行了研究，深基坑的变形主要有以下三种表现形式：(1).支护结构的变形；(2).基坑周围的地表沉降； (3).基坑底部的隆起。
支护结构的变形可以分为竖向与水平变形。其中，支护结构的水平变形是指由于卸荷后外侧土体变形引起的，其变形模式与有无横向支撑有很大的关系；支护结构的竖向变形是由于基坑开挖后土体应力变化引起的，与横向变形相比，其数值较小，在工程中通常予以忽略。
根据地表沉降的分布形式不同可以将基坑开挖引起的地表沉降分为抛物线分布与三角形分布。当基坑周围土体力学参数较差，且支护结构刚度较小时，地表沉降容易产生三角形分布；当周围土体力学参数良好，且周围支护作用良好时，地表沉降表现为抛物线分布。
根据基坑底部隆起量的大小将隆起分为弹性隆起与塑性隆起。其中，弹性隆起是在基坑开挖深度较小时出现的，其主要表现为中间隆起量高，两侧隆起量小的特点；塑性隆起通常出现在开挖深度较大的基坑底部，其各部分隆起量不规则。
3.3深基坑的变形机理
通过对深基坑的常见支护形式以及变形模式进行总结与分析可知，深基坑变形的主要原因在于支护结构的变形以及基坑底部的隆起，周围地表沉降是上述原因所导致的结果。
随着基坑的开挖，底部的土体的应力状态也在不断变化；与此同时，基坑底部土体以及支护结构内侧土体会因为基坑内部的卸载作用向基坑方向产生位移；随着开挖深度的增加，基坑底部的水压也会越来越大，进一步导致基坑底部的隆起。且在基坑开挖过程中，由于其内部的卸载作用，在土压力的作用下，支护结构会产生一定量的位移，进而导致基坑周围土层的移动。
4.超大深基坑结构变形监测分析
4.1 工程概况
本文依托某特大桥中超大深基坑工程，桥梁全长1424m，桥宽40m。其中9#、10#主墩承台尺寸为25.0m×18.0m×5.0m，采用12根直径为2.5m钻孔灌注桩作为基础，并采用钢管桩围堰进行基坑施工。钢管桩围堰基坑底面尺寸为在承台外轮廓的基础上横桥向外扩1.5m，顺桥向外扩1.7m，整体尺寸为28.4m×21.0m。钢管桩采用Φ820×14钢管，长度为24.0m；钢管桩之间采用CT型锁扣连接，锁扣长度为21.0m。根据设计，设置围囹与钢支撑作为其内部的支撑体系。
围堰内深约18m，周围环境相对简单，三倍基坑开挖深度范围内除邻近围堰基坑及临时栈桥外，无重要构筑物分布，综合本基坑周边环境，工程地质与水文地质条件，基坑开挖深度、降水深度等因素，本工程基坑安全等级为一级。
4.2测点布置
本工程中采用钢管桩围堰进行基坑的施工，钢管桩作为主要支护结构，承担了降水过程中的水压力以及部分土压力。因此，对钢管桩施工过程中的变形进行监测是十分必要的。本工程采用高精度侧斜管对钢管桩不同深度处位移进行了监测，测点位置平面示意图以及测斜数据采集见下图1，2所示。

图1.测点位置平面示意图

图2.测斜数据采集
4.3监测数据分析
本工程对围堰四周中点处钢管桩进行了监测，本文仅对围堰北侧钢管桩在施工过程中不同深度处的累计水平位移数据进行了处理分析，得到下图3。

图3.钢管桩水平位移图
通过高精度测斜管对不同施工阶段，深度0m~21m范围钢管桩共42个测点处的累计水位移进行了测定，得到钢管桩不同深度处累计水平位移变化图。根据上图可知，在围堰降水初期，钢管桩在水压力的作用下向基坑内部倾斜，且发生了整体弯曲变形，钢管桩底部由于插入河床，变形程度较低；值得注意的是，该阶段钢管桩在深度为9.5m处的变形量为10.2mm，这说明在外部水压力的作用下，钢管桩中点附近会产生较大的朝向基坑外侧的弯曲。随着围堰内部水位的降低，钢管桩顶部逐渐向基坑内部倾斜，且外侧最大弯曲点的深度逐渐下移，在施工过程中插入河床部分的钢管桩的累计位移较为稳定；这说明钢管桩在基坑支护的过程起到类似简支梁的作用。随着施工的进一步进行，降水完成后，钢管桩顶部累计水平位移产了一定程度的缩小，这可能是内部支撑与外部水压共同作用的结果。
5.结语
本文对深基坑工程的特点进行了总结分析，并对深基坑变形机理进行了研究。依托某特大桥中超大深基坑工程，对围堰施工中的钢管桩的变形进行了监测，并对不同时期钢管桩整体变形特点进行了分析，主要得到以下结论：
钢管桩围堰与土体中钢管桩的支护机理相同；其主要凭借自身刚度，起到类似悬臂梁的支护作用；这也是钢管桩顶部会产生较大的位移的原因；因此，在对钢管桩进行设计时应当注意对其顶部内撑的设计。在围堰降水过程中，钢管桩水下部分中点附近可向基坑外侧产生较大的变形，在钢管桩设计时还应当提高围囹与内撑的刚度，减小管桩此处的变形。
Reference
[1] 朴健.钻孔灌注桩结合高压旋喷桩隔水帷幕在深基坑支护止水工程中的应用[J].工程建设与设计,2022(01):142-146.
[2] 刘文鑫.建筑工程深基坑支护施工技术探讨[J].房地产世界,2022(04):137-139.
[3] 瞿杨,徐锋,强洪庆.建筑物基础施工中深基坑支护施工技术[J].建筑技术开发,2022,49(02):149-151.
[4] 冯前进,李长伟,郭俊江,张耀祖,孙劲声.锁扣钢管桩围堰在深水承台施工中的应用[J].交通世界,2021(29):103-104.

-全文完-