基于高精度GPS河道斷面測量的深基坑變形風(fēng)險(xiǎn)控制研究

曾 濤

(惠州水務(wù)集團(tuán)東江工程檢測有限公司，廣東 惠州 516000)

1 工程概況

本水利工程為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，為預(yù)留邊灘河道疏浚規(guī)劃條件。1號～5號墩最小開挖深度為13.62 m，最大開挖深度為15.95 m，平均為15.54 m。該基坑的加固使用高壓旋噴樁進(jìn)行。地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)采用強(qiáng)度為C40的混凝土，并插入至地面以下35.5 m處。地下連續(xù)墻切斷坑內(nèi)水位和坑外地下水聯(lián)系，采用止水帷幕、圍護(hù)墻止水；坑內(nèi)使用管井疏干降水。在開挖前，降低地下水位至基坑地面以下0.55 m。

2 斷面測量

測量河道斷面是河道地形測量的重要過程，測量對象包括橫斷面測量、縱斷面測量[1]?？v斷面指河流中線剖面，縱坐標(biāo)選取測量中線以上地形變化轉(zhuǎn)折高程，同時(shí)將河長作為橫坐標(biāo)，將河流縱斷面圖繪制出來[2]。縱斷面圖能通過河流縱坡、落差沿程得到體現(xiàn)。橫斷面指與流向斷面垂直的河槽某處，并以水面線和河底作為上下邊界。在最高洪水位以上1.0 m處測量橫斷面陸上數(shù)據(jù)；在碼頭中心線上測量碼頭中心線斷面，若水深變化明顯，需增加測點(diǎn)數(shù)量[3]。本研究斷面測量采用天寶SX12 GPS系統(tǒng)，該系統(tǒng)可使30～40 km遠(yuǎn)距離測量作業(yè)得到實(shí)現(xiàn)。天寶SX12 GPS測量系統(tǒng)可獲取高精度P碼，可有效將電離層影響減弱，還可雙頻組合組成不同波長相位觀測值，可將搜索空間相對減少，從而將解算速度提高。

3 河道基坑開挖監(jiān)測分析

目前，基坑工程設(shè)計(jì)主要以工程經(jīng)驗(yàn)為重要依據(jù)[4]，基坑監(jiān)測已成為判斷基坑本身及周邊穩(wěn)定性重要手段[5]。真實(shí)有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)能真實(shí)反映出各復(fù)雜條件下結(jié)構(gòu)變化[6]。由于各地荷載情況、地質(zhì)水文差別較大，現(xiàn)場監(jiān)測非常重要[7]。因基坑施工質(zhì)量存在不可控因素，會對周圍環(huán)境和開挖范圍產(chǎn)生很大的影響，須借助精確的監(jiān)測技術(shù)實(shí)時(shí)掌握開挖的各過程結(jié)構(gòu)變形情況，確保工程安全性[8-10]。本研究參考《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50497—2019)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)等對基坑進(jìn)行監(jiān)測，圖1為斷面監(jiān)測點(diǎn)布局，表1為監(jiān)測項(xiàng)目以及控制變形累計(jì)值、控制變形速率。

表1 基坑監(jiān)測控制值

圖1 斷面測點(diǎn)布局

在基坑四周，測斜管間隔約19～39 m布置一處，在地下連續(xù)墻施工前預(yù)先在墻體內(nèi)埋置。在基坑四周平行于基坑圍護(hù)墻每隔9～19 m布置地表沉降監(jiān)測點(diǎn)，將布置的一排道釘作為監(jiān)測點(diǎn)，每排道釘不低于五個(gè)。其余監(jiān)測點(diǎn)在基坑開挖前布置好；實(shí)際施工中結(jié)合氣候水文條件、工況、監(jiān)測數(shù)據(jù)的情況來調(diào)整監(jiān)測頻率。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 圍護(hù)墻豎向位移監(jiān)測分析

同一監(jiān)測點(diǎn)可同時(shí)監(jiān)測圍護(hù)墻的水平位移和豎向位移。選取監(jiān)測點(diǎn)JC3、JC26，圖2為圍護(hù)墻頂?shù)呢Q向位移變化量。

圖2 圍護(hù)墻頂?shù)呢Q向位移變化量

由圖2知，南北兩側(cè)的JC3、JC26具有一致的變化趨勢。豎向位移隨開挖深度的增大均呈現(xiàn)波折上升趨勢。其中監(jiān)測點(diǎn)JC3在檢測天數(shù)為150 d時(shí)，其豎向位移最大，為30.0 mm，JC26在檢測天數(shù)為165 d時(shí)，豎向位移最大值為33.5 mm?？拥淄馏w隨基坑開挖而隆起，從而使圍護(hù)墻得到一個(gè)向上推動力，引起圍護(hù)墻初期向上的位移發(fā)生；隨著開挖進(jìn)行，圍護(hù)墻在自身較大重力的作用下產(chǎn)生豎直向下位移；在開挖卸載后，基坑內(nèi)側(cè)土體圍護(hù)墻內(nèi)外兩側(cè)土壓力差造成圍護(hù)墻豎向變形。圍護(hù)墻頂部豎向位移表現(xiàn)為波折向上變形曲線。圍護(hù)墻內(nèi)外土壓力在基坑開挖初期造成圍護(hù)墻豎向位移要比墻體下沉大，基坑開挖初期圍護(hù)墻豎向位移增長較快。支撐架設(shè)對圍護(hù)墻豎向位移進(jìn)行有效限制，在開挖至坑底后會使向上擠壓應(yīng)力與圍護(hù)墻自身重力達(dá)到平衡[11]，豎向位移趨于穩(wěn)定。

4.2 支撐軸力監(jiān)測分析

在整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)中，軸力監(jiān)測點(diǎn)布置起決定性作用，每道支撐都有五個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，全面測量其支撐軸力。表2為各支撐軸力控制值。

表2 各支撐軸力控制值 kN

由圖3知，第一道混凝土支撐軸力值呈現(xiàn)略微上升趨勢，各測點(diǎn)變化幅度較大。ZDA1出現(xiàn)最大軸力，監(jiān)測最大值為4000 kN。在進(jìn)一步開挖基坑時(shí)，則向前推動被動區(qū)土體，結(jié)構(gòu)頂部向坑外轉(zhuǎn)動，造成第一道混凝土支撐軸力有極小值出現(xiàn)。當(dāng)架設(shè)完成二、三道支撐后，第一道支撐軸力趨于穩(wěn)定，支撐體系此時(shí)已完善，大部分的墻后土體壓力由下部支撐承擔(dān)。

圖3 第一道混凝土支撐軸力情況

圖4呈現(xiàn)了第二道混凝土支撐軸力，且處于上升變化，ZDB5具有最大值，為15 000 kN。

圖4 第二道混凝土支撐軸力情況

圖5為第三道混凝土支撐軸力情況，由圖5知，第三道支撐架設(shè)初期軸力迅速增大，ZDC5具有最大值，為15 100 kN。軸力增速在開挖完成時(shí)逐漸減緩，并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 第三道混凝土支撐軸力情況

與第一道支撐軸力相比，第二道、第三道支撐軸力數(shù)值更高，這對基坑穩(wěn)定性的保持發(fā)揮的作用很大。全部的支撐軸力值均小于設(shè)計(jì)值(1700 kN)的要求，確?；臃€(wěn)定性。基于基坑的整體穩(wěn)定考慮，對河道深大基坑，建議支撐材料選擇具有更好連接性和剛度的鋼筋混凝土，不建議使用鋼支撐，因?yàn)槠溥B接性相對較差。

4.3 周圍地表沉降監(jiān)測分析

當(dāng)圍護(hù)墻向坑內(nèi)有位移發(fā)生時(shí)，外側(cè)土體由于存在空隙結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，在重力作用下就會發(fā)生沉降[12]。在距離基坑邊緣均為5.5 m處，選擇TDB1、TDB5、TDB10三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)記錄沉降量，對基坑開挖期間地表沉降變形趨勢進(jìn)行分析。圖6顯示在第150天，TDB1、TDB5、TDB10的沉降量分別為-7.0 mm、-15.0 mm、-12.5 mm。

圖6 距離基坑邊緣5.5 m處監(jiān)測點(diǎn)地表沉降

在距離基坑邊緣均為10.5 m處，選擇TDB3、TDB7、TDB11三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)記錄沉降量，圖7所示為各監(jiān)測點(diǎn)地表沉降量隨監(jiān)測天數(shù)的變化情況。由圖7知，距離基坑邊緣10.5 m處，各監(jiān)測點(diǎn)地表沉降值較大。其中TDB3、TDB7兩個(gè)點(diǎn)位靠近土方運(yùn)輸?shù)缆?，受外部?yīng)力擠壓效應(yīng)造成沉降量增大。

圖7 距離基坑邊緣10.5 m處監(jiān)測點(diǎn)地表沉降

圖8是對開挖1和開挖3基坑外圍地表沉降量的匯總情況，其中開挖1表示第一次基坑開挖完成后，開挖3表示第三次基坑開挖完成后，共三次完成所有開挖。由圖8知，隨著監(jiān)測點(diǎn)位與基坑邊緣之間距離的增加，地表沉降量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最后逐漸穩(wěn)定，其中最大值均出現(xiàn)在距離基坑邊緣約11.5 m處。

圖8 地表沉降監(jiān)測值

就開挖過程而言，在一定范圍內(nèi)，開挖時(shí)會增加地表沉降，出現(xiàn)峰值后減小，最后趨于平緩。這是由于基坑上層為雜填土土層，其強(qiáng)度較低，開挖初期具有較快的沉降速率；圍護(hù)墻位移受支撐架設(shè)限制，且對坑外土體沉降速率存在抑制作用，沉降在遠(yuǎn)離基坑開挖影響范圍后逐漸減小。

5 有限元模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比

5.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移對比分析

圖9為臨河側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移模擬值和監(jiān)測值對比圖，圖10為非臨河側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移模擬值和監(jiān)測值對比圖。分析兩圖可看出，在第一次開挖(開挖1)、第3次開挖(開挖3)工程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移的監(jiān)測值、模擬值都具有較高的吻合度。隨著深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。對于基坑監(jiān)測點(diǎn)而言，在0.75H處為圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移位置，模擬結(jié)果為0.68H處。開挖完成臨河側(cè)每層土體后，第一次開挖水平位移最大監(jiān)測值與最大模擬值相差7.4%、第三次開挖水平位移最大監(jiān)測值與最大模擬值相差10.3%。非臨河側(cè)第一次開挖水平位移最大監(jiān)測值與最大模擬值相差35.4%、第三次開挖水平位移最大監(jiān)測值與最大模擬值相差3.8%。結(jié)果顯示，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移的模擬值小于監(jiān)測值，模擬結(jié)果頂部位移均比監(jiān)測值要大。

圖9 臨河側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移模擬值和監(jiān)測值對比

圖10 非臨河側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移模擬值和監(jiān)測值對比

在開挖1、開挖3工程中，模擬值與監(jiān)測值整體保持一致，但最后一部分土體開挖時(shí)，兩者出現(xiàn)較大誤差，這是由于數(shù)值模擬比較理想化，忽略了現(xiàn)場施工中的部分影響因素，通過混凝土支撐架設(shè)，可有效降低水平位移的變化趨勢[13]，有限元模擬則在一瞬間將全部支撐綁定到地下連續(xù)墻上，造成圍護(hù)墻頂端水平位移偏大，但誤差依然在合理范圍內(nèi)。此外，基坑受非對稱荷載，基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受不同的土壓力，產(chǎn)生差異較大的位移。臨河側(cè)圍護(hù)墻水平位移比非臨河側(cè)圍護(hù)墻水平位移要大。實(shí)際監(jiān)測值存在一定離散點(diǎn)，有些點(diǎn)位數(shù)據(jù)會有明顯突變發(fā)生，原因是現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)際情況比較復(fù)雜，測點(diǎn)受土體擠壓變形等因素影響造成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)失真。

5.2 地表沉降對比分析

由圖11知，監(jiān)測數(shù)據(jù)和地表沉降曲線模擬具有一致變化趨勢。隨著監(jiān)測點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離基坑，地表沉降變形均表現(xiàn)為先迅速增大后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。模擬計(jì)算最大沉降值和監(jiān)測最大沉降值分別為32.0 mm、22.0 mm。在開挖1、開挖3過程中，監(jiān)測值、模擬值較接近，兩者誤差最大值在開挖最后階段發(fā)生，因現(xiàn)場實(shí)際施工比較復(fù)雜，施工荷載、土方運(yùn)輸均會造成地表沉降增大，監(jiān)測值高于模擬值。

圖11 地表沉降移模擬值和監(jiān)測值對比

5.3 支撐軸力對比分析

表3為最大支撐軸力值，由表3知，第一道支撐軸力監(jiān)測值、模擬值具有較大誤差，這是由于在實(shí)際開挖過程中，基坑采用分層開挖的方式，模擬中則是瞬間移除整塊土層，且支撐軸力受到時(shí)空效應(yīng)、土體開挖順序等因素影響，因而第一道支撐軸力實(shí)測值與模擬值出現(xiàn)較大誤差。第二道和第三道支撐的軸力監(jiān)測值、模擬值的誤差較小，分別為17.19%、5.47%。

表3 最大支撐軸力值 kN

6 結(jié) 論

本文基于高精度GPS，分析圍護(hù)墻豎向位移、水平位移、混凝土支撐軸力、地表周邊沉降變形，對河道斷面測量的深基坑變形風(fēng)險(xiǎn)控制進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

(1)增大開挖深度后，會進(jìn)一步提高圍護(hù)欄結(jié)構(gòu)水平位移，最大值出現(xiàn)在第三道支撐、底板中間，隨后逐漸降低，在實(shí)際施工中是分層分塊、對稱開挖原則，在模擬中是瞬間挖除整塊土層，工況差異會造成圍護(hù)墻水平位移的模擬結(jié)果較小。

(2)隨著開挖進(jìn)行，圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移出現(xiàn)波折式提升趨勢，這是坑底隆起、坑內(nèi)外土壓力差、墻體自身重力的影響造成的。及時(shí)架設(shè)第一道支撐，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂端的位移顯著減小?？上拗茋o(hù)墻位移，提升基坑整體穩(wěn)定性。地表沉降的監(jiān)測值、模擬值結(jié)果較接近，變化趨勢相同，在距坑基邊緣距離增大的過程中，增大到一定程度將出現(xiàn)最大值，然后隨之降低。