深大基坑开挖过程中地下连续墙位移与应力监测研究

杜建安，李 腾，杨松松，王晨龙

(1.太原理工大学 a.矿业工程学院，b.机械与运载工程学院，太原 030024；2.太原市城市建设管理中心，太原 030009；3.中铁十四局集团第二工程有限公司，山东 泰安 271000)

深大基坑的围护多采用地下连续墙，在地下连续墙浇筑与基坑开挖过程中如何确保围护结构的稳定是岩土工程界十分关注的重要问题[1]。尹文稳[2]以弹性地基法为基础，利用深大基坑分布式开挖的特点对地下连续墙体的侧向位移进行预测。王晗[3]通过对筏板基础大体积混凝土进行监测，对大体积混凝土的开裂方式进行分类，同时结合有限元软件对混凝土内部温度应力场进行仿真模拟研究，指出大体积混凝土内部温度场应力分布规律。张文朋[4]通过对地连墙水平位移进行监测与研究，提出基坑开挖过程中地连墙的水平位移计算方法。刘戈等[5]通过BP神经网络法对基坑开挖过程中地连墙周围土体的沉降进行预测，同时提出基坑开挖过程中不同位置处的应力变化规律，对于基坑支护有一定的指导作用。在大体积混凝土浇筑中如不考虑气温对混凝土内部应力的影响，会导致监测或理论计算结果与实际应力变化存在一定的误差[6]。地连墙浇筑过程中大体积混凝土散热困难使得地连墙局部温差过大，从而导致混凝土表面及内部出现开裂现象，因此对于混凝土的应力监测是十分必要的。温度对于光纤液位计传感器监测数据有很大的影响，传统地下连续墙沉降监测过程中没有考虑温度对传感器的影响，因此所得到的基坑围护结构竖向沉降值存在一定的误差。为了消除温度对传感器精度的影响，本次研究在利用光纤光格栅传感器对混凝土内部应力进行监测时，通过温度补偿措施提高了光纤传感器监测精度，消除了温度对传感器应力与位移监测的影响，得到了地连墙应力与基坑开挖过程的应力分布情况，监测了在基坑开挖过程中地连墙的位移变化规律。

1 工程概况

火车站五号蓄水池位于太原市五龙口街与红沟路交叉口的西北角，用于调节五龙口街以北区域的雨洪，五号蓄水池池底标高802.5 m，水池深度17.9 m，蓄水池东西长154 m，南北宽30 m.蓄水池基坑土方开挖量巨大，需对蓄水池围护结构——钢筋混凝土地下连续墙进行全面监测。利用测斜仪监测地下连续墙的水平位移，通过安装在蓄水池的第一道横撑冠梁上的光纤光栅液位计监测地下连续墙体的竖向位移，同时利用光纤液位计对地下连续墙混凝土横撑内部应力进行监测，图1为蓄水池基坑钢筋混凝土横撑支护情况。

图1 蓄水池基坑钢筋混凝土支护Fig.1 Reinforced concrete support for reservoir pit

2 监测仪器

太原火车站蓄水池地下连续墙水平位移采用固定式光纤光格栅测斜仪进行实时监测，本次对于蓄水池周围的监测采用分布式光纤传感器，监测测试对象分别是蓄水池南侧、西侧和北侧3个断面，从南到北依次为1号、2号和3号测斜孔。每侧地连墙安装3副分布式光缆。蓄水池钢筋混凝土支撑内部应力变化采用分布式传感光纤进行监测。在第一道钢筋混凝土支撑上布设1个断面，在钢筋笼上布设1条金属基索状应变感测光缆以及温度补偿光缆，应变与温度光缆呈U型回路，光纤监测系统基坑布置如图2所示。采用测斜仪对基坑开挖过程中的地连墙的水平位移进行监测，采用光纤光栅液位计对地连墙竖向沉降进行监测。图3为地连墙监测传感光缆布设示意图。

图2 光纤监测系统基坑布置示意图Fig.2 Schematic diagram of the foundation pit layout of the fiber monitoring system

图3 地连墙监测传感光缆布设示意图Fig.3 Schematic diagram of the optical fiber cable for monitoring the ground connection wall

3 蓄水池位移监测

3.1 蓄水池水平位移分析

为了能更好地分析基坑开挖过程中具体施工环节对蓄水池混凝土地下连续墙水平位移的影响，对基坑开挖当日的地下连续墙水平位移进行监测。图4(a)为基坑开挖到4 m位置处1号测点15 h内不同位置处的水平位移变化情况。从图中可以看出，在基坑开挖过程中各测点水平位移都存在一定的波动，但其位移值总体较小，最大变化范围不超过1.0 mm，分析其原因是在开挖过程中基坑周围土体在冠梁和钢筋混凝土横撑的支撑作用下所产生的围护结构变形是一个长期累积的过程，一般短期内不存在位移突变。图4(b)为基坑开挖到7 m位置处2号测点15 h内不同位置处的水平位移。从图中的监测曲线可以看出，在基坑开挖至第二层监测点附近时地连墙周围土荷载对2号监测点7 m位置处的影响较大，该位置处水平位移变化较为明显。由于第二道钢筋混凝土支撑位于基坑埋深6 m位置处，随着基坑围护结构的变形，此时第二道横撑开始发挥作用，阻止基坑发生较大的变形。7 m位置处测斜仪的水平位移出现突变，而其他监测位置点的水平位移比较稳定，一方面是因为当地连墙受到周围土压作用时逐渐发生变形，第二道支撑开始发挥作用，导致7 m位置处的地连墙位移发生突变；另一方面是基坑土方开挖过程中基坑底部挖掘机器产生的动荷载，会影响混凝土内部的受力状况，使混凝土地连墙产生位移突变。当开挖到基坑下方设计深度时，由于基坑下部土体未开挖，基底下部地连墙的嵌固作用导致基坑底部地连墙水平位移不明显。

图4 地连墙15 h内测斜孔各层水平位移Fig.4 Horizontal displacement of each layer of the inclined hole in the ground wall

图5为整个基坑开挖过程中地连墙的总体水平位移监测情况。整体来看，随着基坑开挖深度的增加，蓄水池地下连续墙围护结构的水平位移呈增大趋势。

图5 地连墙水平位移监测Fig.5 Horizontal displacement monitoring of the ground wall

由图5可知，1号测斜孔10.5 m深处时，地下连续墙水平位移已经达到23 mm，2号测斜孔7.0 m深处时的最大水平位移达到28 mm，两处测点最大水平位移均在基坑中部，但未超过支护结构最大容许水平位移一级标准[7]0.002 5h(其中h为基坑开挖深度，mm).基坑下部17.0 m深处时围护结构的水平位移曲线变化幅度较小，最大位移值较小，处于安全范围内但还应该加强监测，防止基坑围护结构出现突发状况。

3.2 数值模拟与监测数据对比研究

利用FLAC3D对火车站基坑进行数值模拟，由于基坑左右对称，因此在模拟过程中取实际基坑长度的一半进行建模，模型中基坑开挖尺寸长度77 m，宽度30 m，基坑深度17.9 m.根据圣维南原理边界条件[8]，土方开挖对周围土层变形的影响范围约为开挖尺寸的3～5倍，数值模拟过程中模型的尺寸应当大于开挖土体3倍以上，因此整体模型的尺寸为220 m×90 m×40 m，网格划分的原则为基坑附近密集，远处稀疏。基坑模型如图6(a)所示，图6(b)为基坑开挖模拟水平位移云图。

图6 基坑开挖模拟图Fig.6 Simulation of excavation of foundation pits

图7为FLAC3D数值模拟基坑开挖结束后，地连墙水平位移预测值与实测数据的对比图。由模拟曲线可以看出，地连墙的水平位移先增大而后达到位移峰值点，之后地连墙水平位移逐渐减小，到基坑底部水平位移接近于0 mm.模拟曲线的峰值点大约为基坑埋深11 m的位置处。从图中可以看出模拟数据略小于实测数据，分析其原因是蓄水池基坑周围施工车辆行进过程中产生的动荷载施加到基坑地连墙上，使地连墙产生了一定的附加水平位移。从模拟结果中可以看出，在基坑开挖到顶部时，水平位移为负值，此时基坑顶部地连墙受到拉应力与扭转力矩的作用，因此在设置横撑时基坑第一道横撑只能采用钢筋混凝土支撑。

图7 地连墙模拟与实测数据对比Fig.7 Comparison of ground wall simulation and measured data

3.3 蓄水池竖向位移分析

由于温度对液位计测量结果影响较大[9-11]，在测量基坑沉降过程中必须消除1 d内不同时间段气温变化对基坑沉降测量结果的影响，因此使用参考光栅法。参考光栅法是在应变测量的光栅旁放置另一只光栅，测量光栅与参考光栅串联起来，参考光栅处于自由状态且与被测结构处于相同的温度场中，只感受温度的变化，不受应变的影响[12]。剔除了温度对测量点液位计读数值的影响，即可得到准确的基坑沉降值。选取基坑开挖过程中五月中旬1 d内的监测数据进行分析，取1 d内的波长测量数据，结合光纤光栅液位计的标定公式进行数据分析，通过下式可以计算出温度影响下液位计的地连墙沉降值[13]：

t=Kt(P-P0) .

(1)

S=KP((P-P0)-KT(t-t0)) .

(2)

式中：S为沉降值，mm；t为温度值，℃；KP为液位计应力与波长变化量的比例系数；KT为液位计波长变化量与温度的比例系数；Kt为温度传感器测量值与波长的比例系数；P为某一温度下液位计测量波长，nm；P0为初始温度下液体计测量波长，nm.

光纤光栅液位计安装于蓄水池南、西、北三侧的冠梁上，依次为1号、2号、3号液位计。以当天解调仪所测得的第一个温度波长作为初始波长，按照公式(1)得出1 d内温差变化曲线如图8(a)所示。图8(b)为当天受温度影响的液位计沉降值变化曲线，从液位计沉降监测值中剔除此温度影响值即可得到准确的地连墙沉降值。

图8 液位计温度补偿曲线Fig.8 Temperature compensation curve of level gauge

以此方法对基坑开挖过程中地连墙的竖向沉降进行长期监测，1号、2号和3号液位计的监测数据结果曲线如图9所示。

图9 基坑竖向累计沉降量Fig.9 Vertical cumulative settlement of foundation pit

从图9中可以看出，随着基坑的开挖，蓄水池三侧冠梁上各监测点竖向位移均呈缓慢增大的趋势。由于基坑开挖过程是基坑内土体卸载的过程，随着开挖深度的增加，基坑内外的土面高差不断增大，地连墙的竖向位移整体呈现上升趋势。在图9的沉降曲线中，基坑开挖15 d之前的沉降曲线斜率明显小于20 d之后的沉降曲线斜率，其原因是基坑前期开挖完毕后，基坑内土体与地连墙接触面减小，造成土体与地连墙之间的摩阻力降低，故基坑开挖后期地连墙的竖向沉降速率较前期加快。

4 混凝土支撑应力监测

基坑正式开挖之前对太原火车站蓄水池基坑第一层钢筋混凝土支撑所布设的温度光缆和应变光缆进行了测试，作为初始数据计算得到基坑未开挖时钢筋混凝土支撑的应力变化，应力曲线中剔除温度对混凝土内部应力的影响，从而得到基坑开挖前钢筋混凝土支撑的初始应力曲线如图10(a)所示。结合实际工况可以发现，蓄水池横撑左侧和中部初始应力较小，主要是由于蓄水池开挖顺序为从东到西，初始波长测试时基坑开挖至蓄水池中部位置，该应力曲线近似呈正态分布。从图10(a)初始应力曲线中可以看出，蓄水池右侧水平应力大于左侧水平应力，主要是因为右侧钢筋混凝土支撑上部有较大的荷载。混凝土支撑上部的竖向荷载导致支撑右侧混凝土产生较大的变形，从而导致混凝土内部应力增大。

图10 钢筋混凝土应力曲线Fig.10 Stress curve of reinforced concrete

从图10(a)中可以看出，钢筋混凝土支撑初始应力变化较小，主要是因为钢筋混凝土支撑强度较大，同时与基坑周围的地连墙共同作用使得整体性好，基坑中土方未开挖，基坑围护结构受力稳定。图10(b)是基坑开挖10 m钢筋混凝土应力变化曲线，从图中可以看出，曲线波动幅度较大，相比于初始应力曲线应力值有小幅度的增长，其最大应力值在15 000 Pa左右，随着蓄水池基坑开挖深度的增加，钢筋混凝土支撑应力有一定增加，但增加幅度不大。随着基坑开挖深度的增加，基坑围护结构的变形增大，混凝土支撑的内部应力也随之增大，应加强对其应力变化的监测。

5 结论

1) 通过对基坑围护结构地下连续墙墙体的监测发现，由于受到基坑内部土体开挖卸载，地连墙内外土面高差增大的影响，随着基坑开挖深度的增加，基坑四周地下连续墙水平位移逐渐增大，在基坑深度中部位置处水平位移达到最大值。继续开挖到接近基坑底部时，由于地下连续墙在基底下方土体中的嵌固作用，水平位移值较小。

2) 温度对于传感器的影响较大。在地下连续墙监测过程中为了消除温度对传感器的影响，采取温度补偿的措施来消除外界温度对传感器的影响，从而得到更准确的混凝土变形监测结果。光纤传感器在考虑温度补偿后监测精度较高，通过光纤传感器监测地连墙的水平位移结果与模拟结果吻合度较高。

3) 根据模拟及监测结果可以得出，在基坑开挖中部位置处，地连墙水平位移达到最大，在该处应加强横撑支护，以保证基坑围护结构的整体稳定性。从模拟结果中可以看出，基坑开挖到顶部时，地连墙水平位移为负值，此时横撑受到拉应力以及扭转力矩的作用，故一般情况下基坑第一道横撑尽量采用钢筋混凝土支撑避免采用钢管支撑。

4) 基坑开挖过程中地下连续墙的竖向位移整体呈上升趋势。由于基坑开挖后期基坑内部土体与地下连续墙之间的摩阻力降低，地下连续墙基坑开挖后期的竖向沉降速率较前期加快。