基坑開挖的實(shí)測(cè)分析與短期預(yù)測(cè)方法探索

舒志樂， 吳海寬， 楊大雪， 李亨

(西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 成都610039)

基坑開挖的實(shí)測(cè)分析與短期預(yù)測(cè)方法探索

舒志樂， 吳海寬， 楊大雪， 李亨

(西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 成都610039)

為研究基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境的影響和提高基坑監(jiān)測(cè)分析的及時(shí)性，根據(jù)基坑工程的實(shí)際案例，通過使用測(cè)量?jī)x器如水準(zhǔn)儀、全站儀和軸力計(jì)等對(duì)沉降、水平位移和軸力等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到冠梁，支護(hù)樁，周邊地表和臨近建筑的變形規(guī)律，并采用指數(shù)平滑法分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)基坑各項(xiàng)安全指標(biāo)的變化趨勢(shì)，此方法只適用于短期預(yù)測(cè)。分析結(jié)果表明，基坑的開挖深度和基坑側(cè)面施工機(jī)械和大面積的堆載對(duì)于基坑的變形有很大影響，但鋼支撐的及時(shí)架設(shè)可以有效的控制基坑的變形。采用指數(shù)平滑法進(jìn)行預(yù)測(cè)能夠彌補(bǔ)監(jiān)控量測(cè)的滯后性，對(duì)于實(shí)際工程具有重要的指導(dǎo)意義。

指數(shù)平滑法；基坑監(jiān)測(cè)；基坑開挖；水平位移

引言

隨著城市交通建設(shè)的快速發(fā)展，地上交通的空間越來越少，由此，人們就開始把交通建設(shè)從地上引入了地下，基坑在各項(xiàng)工程實(shí)際中的應(yīng)用越來越多，并且基坑的深度也在逐漸加大，由此引發(fā)了很多問題。如基坑開挖引起的周邊地表的沉陷，對(duì)地下設(shè)施和周邊建筑帶來的不利影響，造成周邊路面和地下管線的開裂等[1-3]。為了適應(yīng)基坑工程的快速發(fā)展，基坑的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)越發(fā)重要，但是目前的監(jiān)控量測(cè)技術(shù)得出的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有一定的滯后性，基坑監(jiān)測(cè)的預(yù)測(cè)方法就變得至關(guān)重要?；颖O(jiān)測(cè)領(lǐng)域內(nèi)有很多研究在預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的方法以及預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[4]等方面做出貢獻(xiàn)，提出了許多預(yù)測(cè)方法，比如回歸分析法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和時(shí)間序列法等[5-10]，本文在前人研究的基礎(chǔ)上引入了時(shí)間序列法中的指數(shù)平滑法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，使得監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)能夠及時(shí)的指導(dǎo)施工。本文以太原鐵路樞紐新建西南環(huán)線東晉隧道明挖段為實(shí)例，對(duì)部分必測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行分析并采用指數(shù)平滑法對(duì)基坑數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以確保工程的安全穩(wěn)定[11]。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和短期預(yù)測(cè)給施工設(shè)了兩道安全保障，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的施工和安全具有重要的意義。

1工程概況與地質(zhì)條件

1.1工程概況

東晉隧道明挖段起點(diǎn)里程DK0+400，終點(diǎn)里程DK1+223，全長(zhǎng)823 m。東晉隧道設(shè)計(jì)為單孔雙線結(jié)構(gòu)，明挖段采用直墻拱頂形式，雙線之間線間距4 m～5 m，最大挖深20 m，覆土最大深度7 m(圖1)?；咏邓捎盟鄶嚢铇?基坑內(nèi)降水和基坑外降水兩種形式?；臃雷o(hù)采取土釘墻、抗浮梁、護(hù)拱、鉆孔灌注樁+鋼支撐、倒撐等多種形式相結(jié)合。

圖1基坑立面示意圖

1.2地質(zhì)條件

本標(biāo)段所承建的范圍屬于山前洪積平原，地形寬廣平坦，起伏小，線路經(jīng)過的地區(qū)分布既有鐵路、道路和地面建筑物又有河道及少許菜地園圃，地面高程794.85 m～837.46 m。地貌主要為丘陵緩坡、洪積平原及沖積平原，地形平坦開闊，略有起伏。該地區(qū)屬于典型的斷陷盆地，盆地內(nèi)主要的斷層種類有南堰斷裂和交城斷層。隧道范圍內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)洪積層(Q4pl)，地表覆蓋第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml)。按照地質(zhì)柱狀圖自上而下為：0.5 m～5.0 m雜填土、素填土；5 m～18 m新黃土；18 m～23 m粉質(zhì)黏土；23 m～40 m粉土、砂土，個(gè)別地段夾雜圓礫或卵石。明挖段隧道基坑深度及埋深：挖深17 m～20 m，埋深2 m～10 m，圍巖等級(jí)為VI級(jí)。

2周邊環(huán)境和氣候特征

本工程周邊環(huán)境復(fù)雜，安全管理和環(huán)境保護(hù)要求高，沿線周邊建(構(gòu))筑物密集，地下管線眾多。施工前必須對(duì)管線或構(gòu)筑物進(jìn)行細(xì)致探測(cè)，采取周密的保護(hù)和疏解方案；全過程加大周邊建(構(gòu))筑物和管線的監(jiān)控量測(cè)的頻率，實(shí)施信息化動(dòng)態(tài)施工；采用可靠系統(tǒng)的環(huán)境保護(hù)措施，

確保管線和建(構(gòu))筑物安全。工程所在地冬

季干冷漫長(zhǎng)，夏季濕熱多雨。需制定夏季施工明挖基坑防水及結(jié)構(gòu)物工程的養(yǎng)護(hù)，冬季施工防寒保溫等措施，并嚴(yán)格落實(shí)。

3監(jiān)測(cè)方案

3.1監(jiān)測(cè)意義

在深基坑開挖的施工過程中，基坑內(nèi)外的土體將由原來的靜止土壓力狀態(tài)向被動(dòng)和主動(dòng)土壓力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，應(yīng)力狀態(tài)的改變引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受荷載并導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土體的變形，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力(圍護(hù)樁和墻的內(nèi)力、支撐軸力或土錨拉力等)和變形(深基坑坑內(nèi)土體的隆起、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及其周圍土體的沉降和側(cè)向位移等)中的任一量值超過容許的范圍，將造成基坑的失穩(wěn)破壞或?qū)χ車h(huán)境造成不利影響，因此，在深基坑施工過程中，需要對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑周圍的土體和相鄰的構(gòu)筑物進(jìn)行全面、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，以確保工程的順利進(jìn)行。

3.2監(jiān)測(cè)內(nèi)容

基坑監(jiān)測(cè)主要分為兩類，即應(yīng)力監(jiān)測(cè)與變形監(jiān)測(cè)。應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀器主要采用軸力計(jì)、鋼筋計(jì)、壓力傳感器和孔隙水壓力計(jì)等，變形監(jiān)測(cè)主要儀器采用全站儀、水準(zhǔn)儀和測(cè)斜儀等。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有：(1)樁頂水平位移；(2)樁頂豎向位移；(3)周邊地表豎向位移；(4)深層水平位移；(5)鄰近建筑豎向位移；(6)鋼支撐軸力。其中樁頂水平位移測(cè)點(diǎn)數(shù)24個(gè)；樁頂豎向位移測(cè)點(diǎn)數(shù)24個(gè)；周邊地表豎向位移測(cè)點(diǎn)數(shù)36個(gè)；深層水平位移3根，測(cè)點(diǎn)數(shù)133個(gè)；鄰近建筑豎向位移測(cè)點(diǎn)數(shù)16個(gè)；鋼支撐軸力測(cè)點(diǎn)4個(gè)。監(jiān)測(cè)布點(diǎn)示意圖如圖2所示。

圖2監(jiān)測(cè)布點(diǎn)示意圖

3.3監(jiān)測(cè)頻率

基坑開挖過程是從大里程到小里程進(jìn)行分層開挖，最后向小里程出口收縮取土，并且分塊進(jìn)行底板和頂板的施工?；颖O(jiān)測(cè)頻率根據(jù)基坑變形情況與基坑施工進(jìn)程進(jìn)行調(diào)整。樁頂沉降和水平位移監(jiān)測(cè)頻率為基坑開挖時(shí)，1次/天，主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)，1次/2～3天；支撐軸力監(jiān)測(cè)頻率為開挖初期1次/天，挖至基底2～3次/天；基坑回彈監(jiān)測(cè)頻率為埋設(shè)后、基坑開挖完成、地板澆筑前測(cè)量。地表沉降為1次/天。

4監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

本工程明挖段正處于施工階段，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目見表1，利用已有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)部分項(xiàng)目進(jìn)行分析。

4.1沉降監(jiān)測(cè)

沉降監(jiān)測(cè)主要針對(duì)樁頂豎向位移、周邊地表的豎向位移以及鄰近建筑的豎向位移進(jìn)行分析。分析過程中發(fā)現(xiàn)問題并給予現(xiàn)場(chǎng)施工一定的指導(dǎo)。

4.1.1樁頂與周邊地表沉降

選取DK0+994橫斷面的樁頂和周邊地表的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過使用水準(zhǔn)儀測(cè)量高程得到的數(shù)據(jù)，繪制了該橫斷面樁頂與周邊地表沉降的變形曲線圖(圖3)。圖3中，縱坐標(biāo)累計(jì)變化量正值表示下沉，負(fù)值表示上升。由圖3可知，在開挖的前幾天，突變比較明顯，但都沒有超過控制值，而后曲線趨于平緩。面向大里程左側(cè)點(diǎn)沉降變形更加接近，而右側(cè)點(diǎn)變形現(xiàn)階段普遍上抬，主要原因是現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，大型機(jī)械、鋼筋、鋼支撐等主要放置在了基坑右側(cè)，導(dǎo)致基坑右側(cè)承受的力過大，導(dǎo)致基坑邊變形上抬。

表1監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目、方法和精度

圖3DK0+994橫斷面沉降變化曲線圖

4.1.2周邊建筑沉降監(jiān)測(cè)

面向大里程基坑右側(cè)有居民小區(qū)建筑，由于其距離基坑小于三倍基坑開挖深度，應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于基坑開挖深度和樁頂沉降，鄰近建筑物會(huì)發(fā)生明顯不均勻沉降[12]。選取里程DK1+018位置的三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，曲線圖如圖4所示。由圖4可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在位置的沉降變化趨勢(shì)基本一致，其中F9距離基坑最近，受基坑開挖的影響也較大，沉降更明顯。

圖4DK1+018鄰近建筑沉降變化曲線圖 (+下沉；-上抬)

4.2樁頂水平位移監(jiān)測(cè)

樁頂水平位移能夠反映基坑支護(hù)樁頂?shù)淖冃吻闆r，這里選取了四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比(圖5)。其中DR6與DL7在一個(gè)橫斷面上，DR7和DL8在一個(gè)橫斷面上，縱坐標(biāo)正向表示向基坑內(nèi)偏移，負(fù)向表示向基坑外偏移。從監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知，樁頂?shù)乃轿灰撇粌H與基坑的位置有關(guān)，還與基坑的周邊堆載相關(guān)[13]?；幼髠?cè)的樁頂向基坑內(nèi)偏移，右側(cè)的樁頂向基坑外偏移，這是由于在基坑左側(cè)沒有堆載，開挖后，排樁只受側(cè)面土的土壓力作用，導(dǎo)致左側(cè)樁頂水平位移向基坑內(nèi)偏移；基坑右側(cè)有堆載，附加荷載的作用使得樁頂水平位移出現(xiàn)了向基坑外偏移的現(xiàn)象。在開挖初期，樁頂水平位移有輕微波動(dòng)，但變形量隨著基坑的開挖逐漸增大，主要表現(xiàn)在7月6日至7月23日，在7月23日之后，隨著鋼支撐的架設(shè)，變形量逐漸趨于穩(wěn)定，鋼支撐的架設(shè)有效的抑制了樁頂水平位移的增加。

圖5樁頂水平位移累計(jì)變化曲線圖

4.3深層水平位移監(jiān)測(cè)

深層水平位移能夠較好的反映灌注樁和基坑側(cè)面土體的整體變形情況，是基坑的重要安全指標(biāo)。測(cè)點(diǎn)ZQT-01的有效測(cè)量深度為14.5 m，測(cè)點(diǎn)ZQT-01的深層水平位移累計(jì)變化曲線和大面積堆載作用下深層水平位移累計(jì)變化曲線分別如圖6和圖7所示，其中，正號(hào)表示位移向基坑內(nèi)側(cè)，負(fù)號(hào)表示位移向基坑外側(cè)。由圖6可知，在鋼支撐架設(shè)之前(7月7日)，基坑深層水平位移最大值發(fā)生在地表，這是因?yàn)樵谕翂毫Φ淖饔孟拢ёo(hù)樁類似于懸臂梁，最大水平位移發(fā)生在支護(hù)樁頂[14]。隨著開挖的進(jìn)行，深層水平位移逐漸增大，這是由于在開挖的過程中，破壞了土體原有的應(yīng)力平衡，使得該位置的變形逐漸變大。在深度為1.5 m的位置，水平位移變化最大，向基坑內(nèi)側(cè)偏移達(dá)到2.200 mm，這是由于基坑架設(shè)了兩道鋼支撐，對(duì)該處基坑支護(hù)產(chǎn)生了約束，使得深層水平位移最大值發(fā)生在支護(hù)中間位置。由圖7可知，此時(shí)基坑側(cè)面有大面積堆載包括施工機(jī)械和鋼筋，并且基坑底板也已經(jīng)施工完畢，深層水平位移變形曲線前半段現(xiàn)凸起形狀，后面逐漸趨向于零，說明基坑底部趨于穩(wěn)定，簡(jiǎn)化的力學(xué)模型如圖8所示，能夠很直觀的反映基坑側(cè)面受到大面積臨時(shí)堆載時(shí)的變形情況。

圖6ZQT-01(1#)測(cè)點(diǎn)深層水平位移累計(jì)變化曲線圖

圖7ZQT-01(1#)測(cè)點(diǎn)大面積堆載作用下深層水平位移累計(jì)變化曲線

4.4支撐軸力監(jiān)測(cè)

支撐軸力的變化趨勢(shì)與基坑現(xiàn)場(chǎng)施工的情況有著密切的聯(lián)系，施工階段的變化、鋼支撐的架設(shè)、基坑開挖后土體的暴露時(shí)間都會(huì)影響鋼支撐軸力的變化。由軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果可知(圖9)，在基坑開挖初期，支撐軸力不斷加大，處于上升階段，7月21日至8月22日期間，支撐軸力每天的變化量有微小的波動(dòng)，但是整體上比較平穩(wěn)；8月22日至9月1日，鋼支撐軸力快速增加，9月1號(hào)往后，支撐軸力趨于平穩(wěn)，此時(shí)軸力基本維持在750 KN～850 KN之間，超過了600 KN的控制值，這是由于支撐周圍大量堆放鋼筋和停放吊車[15]，此時(shí)建議施工隊(duì)立即清理基坑周邊堆放鋼筋并停止停放吊車等大型機(jī)械，以免鋼支撐壓屈，出現(xiàn)基坑整體失穩(wěn)破壞。

圖9100248鋼支撐軸力變化曲線圖

5指數(shù)平滑法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)分析

每次監(jiān)控量測(cè)工作從監(jiān)測(cè)到出數(shù)據(jù)和結(jié)果的過程比較長(zhǎng)，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果相比于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際有一定的滯后性，基坑監(jiān)測(cè)的超前預(yù)測(cè)就很重要。本文認(rèn)為時(shí)間序列的態(tài)勢(shì)具有穩(wěn)定性或規(guī)則性，所以，可以合理地順推時(shí)間序列，最近的過去態(tài)勢(shì)在某種程度上會(huì)延續(xù)到未來，由此提出了指數(shù)平滑法來預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，為安全施工打下基礎(chǔ)[16]。

指數(shù)平滑法[17]的基本原理是任一次的指數(shù)平滑值等于本次實(shí)際觀測(cè)值與上一次指數(shù)平滑值的加權(quán)平均。包括一次指數(shù)平滑法、二次指數(shù)平滑法和三次指數(shù)平滑法。本文僅用到了一次指數(shù)平滑法。

設(shè)時(shí)間序列為y1，y2，…，yt…，則一次指數(shù)平滑公式為：

(1)

為了理解指數(shù)平滑的實(shí)質(zhì)，將公式(1)依次展開，可得：

(2)由于0<α<1，當(dāng)t→∞，(1-α)t→0，于是式(2)變?yōu)?/p>

(3)

(4)

由于加權(quán)系數(shù)契合指數(shù)規(guī)律，且又具有圓滑數(shù)據(jù)的功能，所以稱為指數(shù)平滑。

用平滑值進(jìn)行預(yù)測(cè)，就是一次指數(shù)平滑法。其預(yù)測(cè)模型為：

(5)

即以第t期的一次指數(shù)平滑值作為第t+1期預(yù)測(cè)值。

指數(shù)平滑系數(shù)[18]的確定包括：(1)當(dāng)時(shí)間序列顯現(xiàn)較穩(wěn)定的平緩趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)選較小的值，一般可在0.05～0.20之間取值；(2)當(dāng)時(shí)間序列有起伏波動(dòng)，但長(zhǎng)期趨勢(shì)變化不大時(shí)，可選稍微大的值，常在0.1～0.4之間取值；(3)當(dāng)時(shí)間序列波動(dòng)很大，長(zhǎng)期趨勢(shì)變化幅度較大，呈現(xiàn)明顯且迅速的上升或下降趨勢(shì)時(shí)，宜選擇較大的值，如可在0.6～0.8間選值，這樣可以使預(yù)測(cè)模型靈敏度更高，能迅速跟上數(shù)據(jù)的變化。

圖10和圖11分別為樁頂沉降和樁頂水平位移預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)對(duì)比圖，圖10中，取平滑系數(shù)分別為0.2、0.5、0.8，生成的預(yù)測(cè)曲線與實(shí)際曲線比較，通過計(jì)算最后得出取不同平滑系數(shù)的誤差，其中平滑系數(shù)為0.8的誤差最小為0.1778 mm，平滑系數(shù)0.5和0.2的誤差分別為0.2238 mm和0.5038 mm，所以平滑系數(shù)為0.8的預(yù)測(cè)曲線能夠很好的反映實(shí)際曲線的變化趨勢(shì)。

圖10樁頂沉降預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)對(duì)比圖

圖11樁頂水平位移預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)對(duì)比圖

6結(jié)論

(1)在基坑工程中，監(jiān)控量測(cè)對(duì)于基坑施工是至關(guān)重要的一環(huán)，它能夠有效的指導(dǎo)基坑的施工，提高基坑施工的安全性。

(2)使用時(shí)間序列法的指數(shù)平滑法能夠預(yù)測(cè)基坑短期內(nèi)各數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，彌補(bǔ)了監(jiān)控量測(cè)的滯后性，使得基坑施工更加高效和安全。

(3)基坑開挖過程中，不宜將挖出的土方和施工機(jī)械、鋼筋等建筑材料放在基坑周邊，否則，地面荷載和車輛荷載對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生很大影響。

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Experimental Analysis and Short Term Prediction Method of Foundation Pit Excavation

SHUZhile,WUHaikuan,YANGDaxue,LIHeng

(School of Civil Engineering and Architecture, Xihua University, Chengdu 610039, China)

In order to study the influence of excavation on the surrounding environment and improve the timeliness of the analysis and analysis of the foundation pit, according to the actual case of foundation pit engineering, the deformation law of crown beam, supporting pile, surrounding surface and adjacent building are obtained through measuring instruments such as leveling, total station and axial force meter, Axial force and so on. And the monitoring data are analyzed by exponential smoothing method to predict the change trend of safety index of foundation pit only in the case of Short-term forecast. The results show that the excavation depth of the foundation pit, the construction machinery and the large area of the foundation pit have great influence on the deformation of the foundation pit, but the timely construction of the steel support can effectively control the deformation of the foundation pit. The use of exponential smoothing method to predict can be a good remedy for the measurement of the lag, and has important guiding significance for the actual project.

exponential smoothing method; Pit monitoring; excavation of foundation pit; horizontal displacement

2017-02-24

國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體基金(50621403)；教育部春暉計(jì)劃項(xiàng)目(14206503)；西華大學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目(z1120635)；西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(ycjj2016080)

舒志樂(1976-)，男，湖南洞口人，副教授，博士，主要從事巖土工程和地下工程方面的研究，(E-mail) 377830956@qq.com

1673-1549(2017)03-0056-06

10.11863/j.suse.2017.03.12

TU753

A