动态设计及信息化施工在基坑支护中的应用分析

郑汉钦

(阳光学院 土木工程学院，福建 福州 350015)

0 引言

随着基坑支护工程的现代化发展，信息技术的应用价值逐渐凸显出来.在工程施工过程中引入动态设计和信息化施工技术，对基坑土质条件、周围建筑、管线等影响因素进行分析，合理设计施工方案，并不断调整工艺参数，可以明显提升工程施工的安全性和可靠性.因此，应积极研究动态设计及信息化施工在基坑支护工程中的具体应用，为基坑支护工程施工提供指导和借鉴.

1 动态设计及信息化施工的重要性

基坑支护工程施工受多方面因素影响，现有计算理论难以预测工程施工变化，即使在支护结构设计时充分考虑各方面因素，作出详尽、合理的设计，在实际实施过程中也难免会出现脱节现象.其主要原因是现有计算模型不能完全放映工程实际情况，而且在设计过程中存在许多假设条件.在此情况下，必须对施工过程进行实时监测，根据实际情况对设计和施工参数进行调整，确保工程建设质量以及施工安全性[1].

动态设计是利用现场监测得到的资料，采用反分析手段，模拟岩土和基坑结构，对设计参数进行逐步调整.从而使设计与施工紧密结合起来，打破传统工程设计的局限性，提供一种自完善方法，确保施工设计与工程实际相符，能够满足工程建设要求.信息化施工是通过对岩土和结构变形进行分析，修正岩土力学参数，预测后续施工可能出现的情况，合理组织施工工序.在基坑支护工程中，动态设计和信息化施工是两个不可分割的部分，需要将两者结合运用，从而对施工过程进行有效的监控和调整.动态设计及信息化施工应用流程如图1所示.

动态设计和信息化施工是现代基坑支护工程中的重要工作，只有对基坑施工环境做出有效监测，并将监测信息及时反馈给有关部门，才能确保施工方案调整的及时性和有效性，在必要时启动应急预案，控制基坑开挖的启停.支护结构与岩土的相互作用构成了一个复杂、富有变化的系统，因此，必须采用动态监测技术才能完成施工任务[2].

2 动态设计方法在基坑支护工程中的应用

2.1 监测系统设计

2.1.1 监测流程设计.动态设计方法以工程检测为基础，及时捕捉基坑支护施工中出现的异常，确保工程施工的顺利进行.工程监测需要采用监测仪器和设备，对基坑本体及环境的应力、沉降、位移、水位变化等进行综合监测.所使用的监测仪器要确保量程适用、精度符合要求，且具有测量稳定性.对同一监测项目，应满足以下继电要求：(1) 使用相同的观测方法和路线；(2) 使用一套监测设备仪器；(3) 固定观测人员；(4) 工作条件应保持不变.通过工程监测的实施，及时提供可靠的分析报告[3].基于上述要求，应采用图2中的监测流程设计方案.

2.1.2 主要监测内容.基坑支护工程的监测内容主要包括：(1) 墙顶位移，包括水平和竖向位移，根据监测结果，判断是否需要使用辅助措施.监测基准点应设置在稳定区域，基坑每边不少于三个监测点.按照《建筑变形测量规范》的要求，设置强制对中观测墩，对中误差应控制在0.5 mm以内.监测点的水平间距不能超过20 m，一般设置在中部和阳角位置，如表1所示.

(2) 围护水平位移监测，对挡土墙和周围土桩的水平位移进行监测，确定基坑变形和应力结构，一般采用测斜仪.测斜监测点应布置在基坑平面的挠曲计算最大值处，监测点水平间距应控制在20～50 m，基坑每边不少于1个监测点.土体内监测管埋深应大于开挖深度1.5倍左右，测斜仪精度不小于0.25 mm/m.一般规定累积变形值向基坑内侧变形为正值，向外为负值[4].

图1 动态设计及信息化施工应用流程图

图2 监测流程设计方案

表1 相关标准对墙顶水平位移的监测精度要求

(3) 围护结构内力监测，主要目的是防止支护结构受到强度破坏，一般采用应力计进行测量.围护桩的主要材料为钢筋混凝土，一般通过测量受力钢筋或混凝土的应力及其共同作用确定围护结构内力.在监测时要考虑温度变化的影响.其中，弯矩的计算公式为：M=(σ1-σ2)×10-5=(EC/ES)×(IC/d)×(σ1-σ2)×10-5.轴力的计算公式为N=K×(ε1+ε2)/2×10-3=(AC/AS)×(EC/ES)×K1×(ε1+ε2)/2×10-3.式中的M表示弯矩，N表示轴力，σ1和σ2分别为开挖面和迎土面的钢筋计应力.IC为结构断面惯性矩，d为钢筋计中心距离，ε1和ε2分别为上下端钢筋计应变，K1为钢筋计标定系数.EC为混凝土结构弹性模量，ES为钢筋计弹性模量，AC和AS分别是其断面面积.

此外，工程监测内容还包括锚杆轴力、基坑隆起或回弹、孔隙水压力、周边建筑物变形及管线监测等.上述监测内容与现场巡查的配合进行，可以全面监测施工现场情况，及时发现异常，确保基坑整体结构的稳定性.

2.1.3 监测频率要求.工程监测频率对监测的有效性有重要影响，在整个施工过程中，监测频率并非一直不变，而是要根据施工进度和环境变化因素，进行及时调整.在未出现异常现象情况下，仪器监测频率可以按照表2中的要求设定.

表2 仪器监测频率要求

2.2 信息处理系统设计

2.2.1 施工信息反馈.基坑监测数据反馈包括预测信息的收集与处理，监测信息的跟踪与反馈一级信息综合评估等.在获取准确的监测数据后，要对其进行有效的分析评价，主要包括以下几方面内容：(1) 支护结构水平位移的定量分析，计算位移速率、雷击位移，绘制时间变化曲线，分析位移速率增加的原因；(2) 计算沉降和沉降速率，分析引起上体沉降的原因，一般沉降的发生会比水平位移滞后5-10 d；(3) 对监测结果进行相互验证，得到综合分析结果，为施工方案调整提供依据；(4) 分析基坑支护效果的影响因素，分析其技术原因；(5) 采用数值模拟方法，分析支护结构位移变化规律及稳定性，推算岩土特征参数，预测后续开挖可能出现的问题，发现险情基础预报，并制定预防处理措施.

2.2.2 险情预报功能.当工程出现以下问题时，应及时进行险情预报，建立预测模型，对险情发展进行预测：(1) 支护结构的水平位移出现连续增加，速率达到2.5-5.5 mm/d；(2) 累积水平位移超过临界值；(3) 实测应力超过容许值；(4) 附近建筑沉降超过设计容许值，最大沉降与基坑开挖深度比值达到0.4%-0.7%，地面裂缝积聚扩展，附近建筑轻体出现长裂缝；(5) 管道变位超过容许值；(6) 出现基坑渗漏、管涌等现象.

3 信息化施工技术在基坑支护工程中的应用

3.1 工程案例概况

某建筑工程位于广场区域，工程包含3栋12-18层的写字楼，地下结构4层，总建筑面积124 332 m2，占地面积为13 660 m2，地下建筑面积44 512 m2.建筑整体采用现浇混凝土框架剪力墙结构.基坑开挖的平面面积为11 500 m2，采用片筏基础，裙房埋深为-23.06 m，主楼埋深为-24.24 m.施工现场地面标高为-0.26 m.实际开挖深度为裙房22.8 m，主楼24 m.施工现场北侧有一在建写字楼，相距11.5 m，东侧距离地铁约40 m.岩土勘察报告显示，该工程拟建场地较为平坦，最上层为人工填土层，其下为第四系沉积土.土层结构主要由填土、粘性土、细沙和卵石组成.场地以下含有3层地下水结构，分别为栖息水层、潜水层和压力水层，稳定水位埋深为24.80-25.40 m，绝对标高17.70-18.45 m.

3.2 支护方案设计

在上述工程中，基坑开挖深度和基坑面积较大，属于大型深基坑工程，周围环境较为复杂，距离其他在建工程及地铁较近，管线布置情况也较为复杂，在工艺选择上存在诸多限制，支护方案设计具有较大难度.在进行方案设计时，要根据工程特点，合理确定整体支护方案，并设计好降水方案.上述工程主要采用土钉墙+护坡桩锚杆的联合支护方式，并根据侧面的不同施工条件，确定设计参数.降水方案设计采用大口管井降水措施，井位距离基坑边线1.0-1.5 m，深度为33-39 m，井径为500 mm，在基坑周边每9 m设置一井，总共设置50口降水井，此外在基坑内设置有5口疏干井.

在上述工程中，北侧和南侧施工限制要求较高，是支护方案设计的重点.其中北侧方案设计面临的问题是空间狭小、不具备施工锚杆条件、在施工过程中要保护相邻在建工程的外围结构.此外，在消防要求和施工运输需求下，还要在该侧顶部预留约3 m宽的临时通道.基于上述条件，在该工程基坑支护施工中，上部采用土钉墙结构，设置一个高2 m、宽2.9 m的台阶，留作北侧坑顶的临时道路使用.土钉墙的开挖坡度为1∶0.4，共设计8排土钉，其设计参数如表3所示.

表3 北侧土钉设计参数表

图3 水平位移监测点布置情况

基坑下部桩锚支护结构，采用长螺旋钻孔灌注桩，直径为800 mm，桩长17.7 m，间距为1.5 m.

东侧支护方案设计必须保证不影响地铁设施，同样采用上部土钉墙+下部桩锚的联合支护方式.其中，土钉墙高9 m，坡度比为1∶0.2，设置5排土钉.下部桩锚结构的桩直径为800 mm，桩长20 m，桩间距1.5 m.

3.3 信息化施工技术

在上述方案实施过程中，配套建立基坑监测方案，全面掌握支护结构的实时状况，监测内容主要包括水平位移、桩身钢筋应力、地表沉降以及锚杆拉力等.其中，南北侧各布置4个水平位移观测点，东侧布置6个水平位移观测点，西侧布置5个.水平位移监测布置情况如图3.在四周中部位置选择一个桩作为钢筋应力、锚杆拉力的观测点，具体布置在桩身的最大弯矩处.

该工程于2014年9月开工，到2015年1月时基本开挖至基坑底部约1 m位置.从4月份开始收坡道施工，5月份时基坑工程竣工.根据工程监测结果显示，截止到5月末，施工场地东侧的观测点位移量为4-7 mm，西侧2-5 mm，南侧8-12 mm，北侧2-5 mm.数据显示，基坑开挖至槽底后，在2周时间内达到未定状态.水平位移监测曲线显示，由于5月初相邻工程消防水管漏水，导致桩顶水平位移出现快速增长，在7-10 d内，3个监测点的位移增量达到12 mm，其中最大的监测点达到25 mm.钢筋应力和锚杆拉力在此期间也出现跃升，快速达到警戒值.北侧基坑发出安全警报，并紧急启动应急预案，关闭消防水管进行漏水排除，并检查支护结构，使事件发展得到有效控制，保护了支护结构的安全性和稳定性.

4 结语

综上所述，动态设计与信息化施工技术在基坑支护工程中有重要价值，通过对施工过程中的支护结构及基坑状况进行动态监测，并根据监测结果随时调整施工方案，可以确保施工设计的合理性，确保工程的顺利进行.在此基础上，建立分析预警系统，及时捕捉工程异常，并采取有效应对措施，可以降低工程事故发生几率.

[1] 潘珂.基于BIM技术深基坑工程信息化施工管理平台研究[D].南宁：广西大学,2015.

[2] 刘志忠.西安地区深基坑边坡支护及其变形研究[D].西安：西安建筑科技大学,2014.

[3] 杜志娥.动态设计及信息化施工在基坑支护中的应用[J].山西建筑,2012,38(05):92-93.

[4] 张超文.支点法分析桩锚支护结构及基于监测数据的参数反演[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2010.