基坑近接施工安全監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用研究

王 震，任高峰*，胡仲春，張聰瑞，周 可

1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；

2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014

近些年，隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，高層建筑、橋梁基礎(chǔ)、過江隧道、地下通道、地下立交和地鐵車站等工程大量涌現(xiàn)，諸如此類的大型工程建設(shè)有個(gè)共同特征即會(huì)涉及到基坑工程施工［1-2］。然而，由于這類工程規(guī)劃已落后于周邊建設(shè)，基坑工程周邊往往有各類建筑物，所以難免會(huì)產(chǎn)生各類近接施工情況，近接施工必然會(huì)破壞土體原有平衡引起土體的變形，當(dāng)土體形變過大時(shí)，會(huì)造成鄰近結(jié)構(gòu)和設(shè)施的失效或破壞［3-4］。因此，在深基坑施工過程中，只有進(jìn)行系統(tǒng)化的監(jiān)測(cè)，才能對(duì)基坑工程的安全性有全面的了解，以確保工程的順利進(jìn)行［5］。

基坑監(jiān)測(cè)儀器最早使用的只是皮尺等簡(jiǎn)單工具，1996年，姚伯金［6］較早的提出以小腳法測(cè)定基坑支護(hù)樁傾斜，經(jīng)各變形點(diǎn)歸心改正后得到變形位移值。隨著技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)測(cè)儀器不斷涌現(xiàn)，對(duì)基坑開挖監(jiān)測(cè)實(shí)例的應(yīng)用也有很多，張偉等［7］采用全站儀進(jìn)行基坑水平位移監(jiān)測(cè)，并提到了監(jiān)測(cè)基坑水平位移需要注意的問題；施亞霖等［8］將經(jīng)緯儀、鋼筋計(jì)傳感器用于監(jiān)測(cè)坡頂位移、圍護(hù)樁鋼筋應(yīng)力，使得深基坑工程的安全施工有了可靠保障；黃廣龍等［9］將光纖 Bragg光柵（fiber bragg grating，F(xiàn)BG）傳感器用于深基坑鋼筋混凝土支撐應(yīng)變監(jiān)測(cè)，得到了基坑開挖時(shí)混凝土內(nèi)支撐全程應(yīng)變曲線；葉俊能等［10］采用普通鋼筋計(jì)和光纖Bragg光柵鋼筋計(jì)對(duì)抗拔樁內(nèi)力和孔隙水壓力，驗(yàn)證了光纖Bragg光柵鋼筋計(jì)可剔除溫度的影響，應(yīng)用于內(nèi)力測(cè)試是合理的；劉杰等［11］結(jié)合基坑現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，探討了基于BOTDR的分布式光纖傳感器應(yīng)用于基坑深部土體水平位移監(jiān)測(cè)的具體施工工藝；胡龍偉等［12］提出快速靜態(tài)GPS基坑水平監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；張建坤等［13］采用GNSS技術(shù)進(jìn)行基坑樁頂水平位移監(jiān)測(cè)，并分析了該技術(shù)與常規(guī)監(jiān)測(cè)方法的差異；陳致富等［14］將三維激光掃描系統(tǒng)應(yīng)用于基坑監(jiān)測(cè)，并討論分析三維激光的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和存在的問題；易致禮等［15］介紹了精密監(jiān)測(cè)機(jī)器人在基坑邊坡水平位移監(jiān)測(cè)的使用方法。上述方法中，全站儀監(jiān)測(cè)不具有實(shí)時(shí)性，GPS技術(shù)、三維激光在基坑監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面處于初期階段，機(jī)器人監(jiān)測(cè)在復(fù)雜環(huán)境中可行性不高、成本較大，而光纖類傳感器具備靈敏度高、抗電磁干擾、測(cè)量速度快、適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，因此課題組利用拉線式光纖Bragg光柵位移計(jì)對(duì)基坑開挖施工過程中邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并利用ANSYS軟件對(duì)基坑開挖支護(hù)的全過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出的結(jié)論可對(duì)基坑變形監(jiān)測(cè)具有一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

新建城際鐵路聯(lián)絡(luò)線北京新機(jī)場(chǎng)段土建預(yù)留工程CJLLXTJYL-SG標(biāo)段位于北京市大興區(qū)和河北省廊坊市境內(nèi)，城際鐵路聯(lián)絡(luò)線自北向南?；硬捎妹魍诜ㄊ┕?，基坑尺寸是428 m×18 m×19 m，兩邊基坑圍護(hù)樁采用直徑1 m@1.4 m鉆孔灌注樁，樁長22 m，兩壁采用鋼筋網(wǎng)噴C30混凝土支護(hù)，基坑分3層開挖，每開挖一層架設(shè)一道φ609鋼支撐?；?xùn)|側(cè)坡頂是一條8 m寬的硬化路面，路面上經(jīng)常有大型施工機(jī)械、吊機(jī)等通過?；覦K42+850東側(cè)近接基坑鋼筋加工廠，基坑DK43+328處西側(cè)近接另一標(biāo)段的混凝土加工廠。此外，基坑兩側(cè)還有員工宿舍、電線桿、地下管線等。

圖1 監(jiān)控平面布置圖Fig.1 Schematic diagram of monitoring layout

2 傳感器工程應(yīng)用

課題組設(shè)計(jì)研發(fā)了一款拉線式光纖Bragg光柵位移傳感器，采用工業(yè)應(yīng)用級(jí)別的設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)為高強(qiáng)度鋼制造，確保其強(qiáng)度以適應(yīng)復(fù)雜的監(jiān)測(cè)環(huán)境；該傳感器采用雙位移光柵設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)位移的正負(fù)值測(cè)量，雙光柵在測(cè)量時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度互補(bǔ)償，主要結(jié)構(gòu)包括基座、彈簧、帶楔形凸起拉桿、拉線環(huán)、卡扣、尾纖保護(hù)、2個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁和2個(gè)FBG。拉線式光纖Bragg光柵位移計(jì)測(cè)量邊坡整體穩(wěn)定，其關(guān)鍵是在坡頂選取一個(gè)相對(duì)不動(dòng)點(diǎn)，然后通過鋼絲繩連接測(cè)量邊坡的位移變化，傳感器如圖2所示，具體參數(shù)見表1。

圖2 拉線式光纖Bragg光柵位移傳感器Fig.2 Schematic diagram of wire-pull fiber Bragg grating displacement sensor

表1 拉線式光纖Bragg光柵位移傳感器參數(shù)Tab.1 Parameters of wire-pull Bragg fiber grating displacement sensor

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，北區(qū)DK42+930斷面近接工況較多，道路主要通行重型機(jī)械，機(jī)械通過時(shí)該處震動(dòng)明顯，對(duì)邊坡加載大，其危險(xiǎn)性較高，因此，此次監(jiān)測(cè)位置選定在斷面DK42+930附近，在該斷面處，基坑兩側(cè)圈梁處分別安裝一個(gè)拉線式光纖Bragg光柵位移計(jì)監(jiān)測(cè)邊坡整體穩(wěn)定性，位移計(jì)監(jiān)測(cè)剖面布置如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)剖面布置圖Fig.3 Schematic diagram of monitoring layout

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

位移計(jì)安裝調(diào)試工作在2017年11月3日完成，隨后即開始自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工作，并將數(shù)據(jù)傳輸至阿里云數(shù)據(jù)庫中，斷面開挖至完成鋼支撐架設(shè)期間一直處于在線監(jiān)測(cè)狀態(tài)。2017年11月3日至2018年1月8日期間的位移變化趨勢(shì)如圖4所示。其中，位移值為正表示邊坡向基坑方向移動(dòng)，主要是由基坑開挖所造成；位移值為負(fù)表示邊坡向遠(yuǎn)離基坑方向移動(dòng)，主要是基坑聯(lián)合支護(hù)所造成。

圖4 斷面處位移變化趨勢(shì)Fig.4 Displacement trend of section

如圖4所示，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（位移計(jì)11和12）前期處于上升階段，且位移值為正，說明兩側(cè)邊坡是向基坑方向移動(dòng)的，在2017年11月12日達(dá)到最大值，主要原因是在此期間，基坑開挖到該斷面附近，在該斷面處的地質(zhì)主要為粉質(zhì)黏土和沙土，地下水豐富，在開挖時(shí)，坑壁流土現(xiàn)象嚴(yán)重；2017年11月12日以后，斷面處開始進(jìn)行鋼支撐架設(shè)，位移變化開始變?。?017年11月25日，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到位移計(jì)12變化量達(dá)到8 mm左右，西側(cè)邊坡報(bào)警，前往現(xiàn)場(chǎng)查看后發(fā)現(xiàn)西側(cè)邊坡頂部由于隔壁工程排水導(dǎo)致積水嚴(yán)重，積水下滲會(huì)破壞原有平衡狀態(tài)，因此該處邊坡位移變大。整體來看，基坑?xùn)|側(cè)的邊坡位移值比西側(cè)大，最大值達(dá)到了14.23 mm，主要原因是東側(cè)在硬化路面，大型機(jī)械及人員的走動(dòng)及震動(dòng)造成邊坡頂部荷載加大。

4 數(shù)值模擬

4.1 模型建立

考慮基坑開挖的邊界效應(yīng)，建立三維立體模型長寬深為1 284 m×90 m×57 m土體單元選取三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬，鋼支撐采用beam單元，結(jié)構(gòu)的樁支護(hù)部分進(jìn)行簡(jiǎn)化，將土層的力學(xué)特性和樁材料的力學(xué)特性按體積比例進(jìn)行力學(xué)等效，開挖過程中掛網(wǎng)噴射混凝土部分進(jìn)行等效，等效成殼單元進(jìn)行模擬，采用自由網(wǎng)格劃分網(wǎng)格，模型共有單元165 104個(gè)，節(jié)點(diǎn)177 450個(gè)，土體參數(shù)如表2所示。

表2 土體參數(shù)表Tab.2 Soil parameters

4.2 結(jié)果分析

基坑開挖支護(hù)計(jì)算結(jié)果如圖5所示，其中開挖前主要分析豎直方向（y方向）的位移，開挖和支護(hù)時(shí)主要分析水平方向（x方向）的位移變化。根據(jù)模擬結(jié)果顯示，在車輛載荷和房屋荷載作用下，周邊沉降明顯，最大值達(dá)到了9.23 mm；基坑開挖后采用掛網(wǎng)噴混凝土和鋼支撐聯(lián)合支護(hù)，水平位移較支護(hù)前相對(duì)減少，表明該聯(lián)合支護(hù)效果良好；基坑?xùn)|側(cè)的水平位移最大值為16.24 mm，實(shí)測(cè)結(jié)果為14.23 mm，基坑西側(cè)的水平位移最小值為-29.44 mm，實(shí)測(cè)結(jié)果為-26.83 mm，這表明數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律較符合。

圖5 基坑開挖支護(hù)過程計(jì)算結(jié)果云圖：（a）重力作用下豎直沉降，（b）打樁后豎直沉降，（c）車輛和房屋荷載施加后豎直位移，（d）第一層開挖后水平方向位移，（e）第一層掛網(wǎng)噴混凝土后水平方向位移，（f）第二層開挖后水平方向位移，（g）第二層掛網(wǎng)噴混凝土后水平方向位移，（h）第一道鋼支撐支護(hù)后水平方向位移，（i）第三層開挖后水平方向位移，（j）第三層掛網(wǎng)噴混凝土后水平方向位移，（k）第二道鋼支撐支護(hù)后水平方向位移Fig.5 Cloud chart of calculation results of foundation pit excavation and support：（a）vertical settlement under gravity，（b）vertical settlement after piling，（c）vertical displacement under vehicle and buildings load，（d）horizontal displacement after the first layer excavation，（e）horizontal displacement after the first layer of wire mesh concrete，（f）horizontal displacement after the second layer excavation，（g）horizontal displacement after the second layer of wire mesh concrete，（h）horizontal displacement after the first steel support，（i）horizontal displacement after the third layer excavation，（j）horizontal displacement of the third layer with wire mesh concrete，（k）horizontal displacement with the second steel support

5 結(jié) 語

1）從2017年11月3日至2018年1月8日的位移計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得知，基坑?xùn)|側(cè)的位移計(jì)11水平位移最大值達(dá)到了14.23 mm，最小值為-10.91 mm，基坑西側(cè)的位移計(jì)12水平位移最大值為2.15 mm，最小值為-26.83 mm，整體來看，基坑?xùn)|側(cè)的邊坡位移值比西側(cè)較大。

2）課題組設(shè)計(jì)的拉線式光纖Bragg光柵位移計(jì)，經(jīng)過理論驗(yàn)證、標(biāo)定測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該種傳感器線性測(cè)量和溫度補(bǔ)償性能良好，穩(wěn)定性、可靠性和精度能滿足基坑監(jiān)測(cè)的需求。