深基坑工程信息化設計與施工技術探討研究
發(fā)布時間：2010-01-14 共1頁
基坑工程信息化施工，變化因素多，在目前設計中尚難做到全面、準確、合理。對于開挖深度較大、坑壁土質較差、周圍環(huán)境復雜的基坑工程，應在施工過程中加強對擋土結構位移、支撐錨拉系統應力、基坑周圍環(huán)境變化的嚴密監(jiān)測，以反饋的數據信息調整基坑工程的設計與施工，確保基坑安全。
信息化施工，要求對墻頂和墻后位移、墻后的土壓力、墻體應力、支撐軸力和立柱位移、周圍建筑和管線位移及地下水位等方面的進行監(jiān)測。運用數值方法,分析、擬合實測數據,提出符合基坑變形特點的計算模型和設計參數,提高基坑工程設計水平;施工中通過變形預測,避免基坑垮塌和環(huán)境效應,減少基坑支護造價。
信息化施工技術,為確保工程順利、安全進行做出了很大貢獻。2000年10月20日江澤民總書記為潤揚長江公路大橋奠基開工，標志著我們要承擔起在新世紀初期，也就是“十五”期間，高質量地建設這座我國跨徑最大的現代化橋梁的歷史重任。開工以來，已經過去了20個月，潤揚大橋工程取得了階段性的成果，對于潤揚大橋下部結構的基礎施工可以說取得了重大進展，體現在潤揚大橋北錨碇基坑開挖過程中，對地下連續(xù)墻垂直沉降、平面位移、縱向變形、墻體鋼筋應力、內支撐軸力、立柱樁內力、坑內外地下水位、坑外孔隙水壓力、坑外地基沉降、長江大堤及附近建筑物變形等進行監(jiān)測，共埋設測點1800多個，匯集了大量的數據，并建立現場信息分析小組，對監(jiān)測數據進行分析處理，做出了空間模型計算反演分析、神經網絡反演分析預測、結構安全復核計算(正演計算)等，可以說整個工程是數字工程。
近20年來，我國各大中城市萬幢高樓拔地而起，10層以上的建筑物已逾1億平方米；其中高度超過100m的建筑物已有約200座。上海金茂大廈高420.5m，深圳地王大廈高325m，廣州中天大廈高322m，它們躋身于當今世界20座超級巨廈之列，令人矚目。同時，這些已建和在建的高樓超高大樓，其基坑深度已逐漸由6m、8m發(fā)展至10m、20m以上。伴隨著這些工程大實施，深基坑工程的設計施工技術已取得了長足進步。
深基坑工程在國外稱為“深開挖工程”（Deep Excavation），這比稱之為“深基坑”更合適。因為為了設置建筑物的地下室需開挖深基坑，這只是深基坑開挖的一種類型。深開挖還包括為了埋設各種地下設施而必須進行的深層開挖。深基坑工程問題在我國隨著城市建設的迅猛發(fā)展而出現，并且曾造成人們困惑的一個技術熱點和難點。城市中深基坑工程常處于密集的既有建筑物、道路橋梁、地下管線、地鐵隧道或人防工程的近旁，雖屬臨時性工程，但其技術復雜性卻遠甚于永久性的基礎結構或上部結構，稍有不慎，不僅將危及基坑本身安全，而且會殃及臨近的建構筑物、道路橋梁和各種地下設施，造成巨大損失。從另一方面講，深基坑工程設計需以開挖施工時的諸多技術參數為依據，但開挖施工過程中往往會引起支護結構內力和位移以及基坑內外土體變形發(fā)生種種意外變化，傳統的設計方法難以事先設定或事后處理。有鑒于此，人們不斷總結實踐經驗，針對深基坑工程，萌發(fā)了信息化設計和動態(tài)設計的新思想，結合施工監(jiān)測、信息反饋、臨界報警、應變（或應急）措施設計等一系列理論和技術，制定相應的設計標準、安全等級、計算圖式、計算方法等。對開挖過程實施跟蹤監(jiān)測，并將信息及時反饋。這是為了掌握支護結構和基坑內外土體移動，隨時調整施工參數，優(yōu)化設計，或采取相應措施，以確保施工安全，順利進行。施工監(jiān)測的作用還在于檢驗設計的正確性，并有利于積累資料，為今后改進設計理論和施工技術提供依據。對深大基坑的監(jiān)測內容通常包括：
a.支護結構的位移和內力（彎矩）；
b.支撐軸力變化；立柱的水平位移、沉降或隆起；
c.坑周土體位移及土壓力變化；
d.坑底土體隆起；
e.地下水位及孔隙水壓力變化；
f.相鄰建構筑物、地下管線、地下工程等保護對象的沉降、水平位移與異常現象。
監(jiān)測手段常采用水準儀、經緯儀、測斜儀、分層沉降儀、土壓力盒、孔隙水壓力儀、水位觀測儀、鋼筋應力計等。目前在實際工作中，以水準儀量測墻頂和地面位移以及以測斜儀量測墻體和土體深層位移較為可靠而且特別重要。其他監(jiān)測手段常被用來進行綜合分析。用鋼筋應力計測支撐軸力時，尚應配以溫度計埋設在支撐中，以便計算溫度變化引起的應力。實測表明，由于溫度變化，支撐往往產生較大的附加軸力，對鋼筋砼支撐，可達15～20%。這說明設計時不能忽視。鋼支撐的溫度變化應力更大。但目前基坑工程的綜合監(jiān)測水平尚不夠理想。盡管有了計算機和遙控等先進設備，而測試元件的質量及其標定、埋設、保護和施工配合等方面存在不少問題，有待改進。監(jiān)測報警是一個極其嚴肅的問題。做好了，可化險為夷，避免損失；否則，留下隱患，釀成事故。有的工程雖作了報警，而有關當事人并不警覺，結果釀成“大禍”，實踐中不乏經驗和教訓。如沈陽故宮附近某工程處于回填土和含水量高的粘性土地層，基坑開挖過程中意外地測得了錨桿拉力（它反映土壓力）隨基坑暴露時間而明顯增長。由于及時報警，避免了一起事故。監(jiān)測和預報的作用，從許多起基坑工程事故的分析中，我們可以得出這樣一個結論，那就是任何一起基坑，工程事故無一例外的與監(jiān)測不力或險情預報不準確相關。換言之，如果基坑的環(huán)境監(jiān)測與險情預報準確而及時，就可以防止重大事故的發(fā)生。或者說，可以將事故所造成的損失減少到最小。
2004年12月10日，國家重點工程CCTV新臺址深基坑工程監(jiān)測項目啟動。
CCTV新臺址位于北京市中央商務區(qū)（CBD）核心區(qū)域，建筑用地面積總計178000m2，總建筑面積59.7萬m2，最高建筑高度234m，為北京市形象建設工程，是國家重點工程之一，得到北京市領導及社會各界人士的高度重視。
該工程地下結構工程基槽長約267m，寬約220m，基坑深度最深達27.3m，屬于超大深基坑。
深基坑監(jiān)測工作既是檢驗深基坑設計理論正確性和發(fā)展設計理論的重要手段，同時又是及時指導正確施工、避免基坑工程事故發(fā)生的必要措施。利用基坑開挖前期監(jiān)測成果來指導后繼工程施工的方法，已發(fā)展成為一種新的信息化施工技術。監(jiān)測工作因而也成為深基坑開挖工作的重要組成部分，在工程實踐種得到了高度重視。
根據本工程及科研需要，監(jiān)測項目布置了以下監(jiān)測工作：
（1）土釘墻監(jiān)測，包括面層土壓力監(jiān)測和土釘受力狀態(tài)監(jiān)測；
（2）基坑邊坡土體水平位移監(jiān)測；
（3）樁錨支護體系監(jiān)測，包括對圈梁受力，樁體變形及鋼筋應力、錨桿拉力的監(jiān)測等。通過監(jiān)測工作及數據處理本次項目預期在以下方面取得突破性成果：1.土釘鋼筋直徑的選擇與土釘設計方案優(yōu)化；2. 面層鋼筋網的合理間距及面層厚度的優(yōu)化；3. 圈梁配筋優(yōu)化；
（4）土層錨桿的最優(yōu)長度、預應力損失及應力變化規(guī)律；
（5）護坡樁配筋率的大小及優(yōu)化布置；
（6）支護結構的整體受力及變形規(guī)律評價及預測等。
深基坑支護工程施工應按信息化施工方法進行變形監(jiān)測。監(jiān)測單位應根據工程和水文地質條件、基坑安全等級、基坑周邊環(huán)境和設計文件要求，制定科學合理、安全可靠的監(jiān)測方案，并嚴格按認可的方案組織實施。
發(fā)展基礎工程檢測技術，強化施工監(jiān)控過程及效果檢驗，積累工程實測數據，提高基礎工程的安全可靠性與經濟性。
方法：
（1）研究開發(fā)各種復合地基檢測方法與設備。
（2）研究開發(fā)成樁質量與承載力的動力、物理檢測方法，改進既有動測技術。
（3）完善基坑支護檢測技術，應用開挖過程測試數據的電子快速反饋處理技術，實現信息化施工。
（4）注重建筑物沉降觀測及其它工程實測資料的積累，發(fā)展反分析技術。
信息化施工技術應用于地下鐵道車站、高層房屋建筑基坑等需要圍護工程的領域，對施工現場周圍的舊有建筑的沉降變形計算控制有一定作用，使基坑施工始終處于受控狀態(tài)，及時發(fā)現問題，及時處理問題，掌握工程進展的主動權，做到了施工技術的科學化、信息化、標準化、規(guī)范化，并為施工過程中的科學決策提供了有力的支持。信息技術在大型工程施工中的應用和推廣是工程管理現代化的重要標志和必要途徑，也是確保工程質量和施工安全的關鍵性措施。
（巖土工程師）
信息化施工，要求對墻頂和墻后位移、墻后的土壓力、墻體應力、支撐軸力和立柱位移、周圍建筑和管線位移及地下水位等方面的進行監(jiān)測。運用數值方法,分析、擬合實測數據,提出符合基坑變形特點的計算模型和設計參數,提高基坑工程設計水平;施工中通過變形預測,避免基坑垮塌和環(huán)境效應,減少基坑支護造價。
信息化施工技術,為確保工程順利、安全進行做出了很大貢獻。2000年10月20日江澤民總書記為潤揚長江公路大橋奠基開工，標志著我們要承擔起在新世紀初期，也就是“十五”期間，高質量地建設這座我國跨徑最大的現代化橋梁的歷史重任。開工以來，已經過去了20個月，潤揚大橋工程取得了階段性的成果，對于潤揚大橋下部結構的基礎施工可以說取得了重大進展，體現在潤揚大橋北錨碇基坑開挖過程中，對地下連續(xù)墻垂直沉降、平面位移、縱向變形、墻體鋼筋應力、內支撐軸力、立柱樁內力、坑內外地下水位、坑外孔隙水壓力、坑外地基沉降、長江大堤及附近建筑物變形等進行監(jiān)測，共埋設測點1800多個，匯集了大量的數據，并建立現場信息分析小組，對監(jiān)測數據進行分析處理，做出了空間模型計算反演分析、神經網絡反演分析預測、結構安全復核計算(正演計算)等，可以說整個工程是數字工程。
近20年來，我國各大中城市萬幢高樓拔地而起，10層以上的建筑物已逾1億平方米；其中高度超過100m的建筑物已有約200座。上海金茂大廈高420.5m，深圳地王大廈高325m，廣州中天大廈高322m，它們躋身于當今世界20座超級巨廈之列，令人矚目。同時，這些已建和在建的高樓超高大樓，其基坑深度已逐漸由6m、8m發(fā)展至10m、20m以上。伴隨著這些工程大實施，深基坑工程的設計施工技術已取得了長足進步。
深基坑工程在國外稱為“深開挖工程”（Deep Excavation），這比稱之為“深基坑”更合適。因為為了設置建筑物的地下室需開挖深基坑，這只是深基坑開挖的一種類型。深開挖還包括為了埋設各種地下設施而必須進行的深層開挖。深基坑工程問題在我國隨著城市建設的迅猛發(fā)展而出現，并且曾造成人們困惑的一個技術熱點和難點。城市中深基坑工程常處于密集的既有建筑物、道路橋梁、地下管線、地鐵隧道或人防工程的近旁，雖屬臨時性工程，但其技術復雜性卻遠甚于永久性的基礎結構或上部結構，稍有不慎，不僅將危及基坑本身安全，而且會殃及臨近的建構筑物、道路橋梁和各種地下設施，造成巨大損失。從另一方面講，深基坑工程設計需以開挖施工時的諸多技術參數為依據，但開挖施工過程中往往會引起支護結構內力和位移以及基坑內外土體變形發(fā)生種種意外變化，傳統的設計方法難以事先設定或事后處理。有鑒于此，人們不斷總結實踐經驗，針對深基坑工程，萌發(fā)了信息化設計和動態(tài)設計的新思想，結合施工監(jiān)測、信息反饋、臨界報警、應變（或應急）措施設計等一系列理論和技術，制定相應的設計標準、安全等級、計算圖式、計算方法等。對開挖過程實施跟蹤監(jiān)測，并將信息及時反饋。這是為了掌握支護結構和基坑內外土體移動，隨時調整施工參數，優(yōu)化設計，或采取相應措施，以確保施工安全，順利進行。施工監(jiān)測的作用還在于檢驗設計的正確性，并有利于積累資料，為今后改進設計理論和施工技術提供依據。對深大基坑的監(jiān)測內容通常包括：
a.支護結構的位移和內力（彎矩）；
b.支撐軸力變化；立柱的水平位移、沉降或隆起；
c.坑周土體位移及土壓力變化；
d.坑底土體隆起；
e.地下水位及孔隙水壓力變化；
f.相鄰建構筑物、地下管線、地下工程等保護對象的沉降、水平位移與異常現象。
監(jiān)測手段常采用水準儀、經緯儀、測斜儀、分層沉降儀、土壓力盒、孔隙水壓力儀、水位觀測儀、鋼筋應力計等。目前在實際工作中，以水準儀量測墻頂和地面位移以及以測斜儀量測墻體和土體深層位移較為可靠而且特別重要。其他監(jiān)測手段常被用來進行綜合分析。用鋼筋應力計測支撐軸力時，尚應配以溫度計埋設在支撐中，以便計算溫度變化引起的應力。實測表明，由于溫度變化，支撐往往產生較大的附加軸力，對鋼筋砼支撐，可達15～20%。這說明設計時不能忽視。鋼支撐的溫度變化應力更大。但目前基坑工程的綜合監(jiān)測水平尚不夠理想。盡管有了計算機和遙控等先進設備，而測試元件的質量及其標定、埋設、保護和施工配合等方面存在不少問題，有待改進。監(jiān)測報警是一個極其嚴肅的問題。做好了，可化險為夷，避免損失；否則，留下隱患，釀成事故。有的工程雖作了報警，而有關當事人并不警覺，結果釀成“大禍”，實踐中不乏經驗和教訓。如沈陽故宮附近某工程處于回填土和含水量高的粘性土地層，基坑開挖過程中意外地測得了錨桿拉力（它反映土壓力）隨基坑暴露時間而明顯增長。由于及時報警，避免了一起事故。監(jiān)測和預報的作用，從許多起基坑工程事故的分析中，我們可以得出這樣一個結論，那就是任何一起基坑，工程事故無一例外的與監(jiān)測不力或險情預報不準確相關。換言之，如果基坑的環(huán)境監(jiān)測與險情預報準確而及時，就可以防止重大事故的發(fā)生。或者說，可以將事故所造成的損失減少到最小。
2004年12月10日，國家重點工程CCTV新臺址深基坑工程監(jiān)測項目啟動。
CCTV新臺址位于北京市中央商務區(qū)（CBD）核心區(qū)域，建筑用地面積總計178000m2，總建筑面積59.7萬m2，最高建筑高度234m，為北京市形象建設工程，是國家重點工程之一，得到北京市領導及社會各界人士的高度重視。
該工程地下結構工程基槽長約267m，寬約220m，基坑深度最深達27.3m，屬于超大深基坑。
深基坑監(jiān)測工作既是檢驗深基坑設計理論正確性和發(fā)展設計理論的重要手段，同時又是及時指導正確施工、避免基坑工程事故發(fā)生的必要措施。利用基坑開挖前期監(jiān)測成果來指導后繼工程施工的方法，已發(fā)展成為一種新的信息化施工技術。監(jiān)測工作因而也成為深基坑開挖工作的重要組成部分，在工程實踐種得到了高度重視。
根據本工程及科研需要，監(jiān)測項目布置了以下監(jiān)測工作：
（1）土釘墻監(jiān)測，包括面層土壓力監(jiān)測和土釘受力狀態(tài)監(jiān)測；
（2）基坑邊坡土體水平位移監(jiān)測；
（3）樁錨支護體系監(jiān)測，包括對圈梁受力，樁體變形及鋼筋應力、錨桿拉力的監(jiān)測等。通過監(jiān)測工作及數據處理本次項目預期在以下方面取得突破性成果：1.土釘鋼筋直徑的選擇與土釘設計方案優(yōu)化；2. 面層鋼筋網的合理間距及面層厚度的優(yōu)化；3. 圈梁配筋優(yōu)化；
（4）土層錨桿的最優(yōu)長度、預應力損失及應力變化規(guī)律；
（5）護坡樁配筋率的大小及優(yōu)化布置；
（6）支護結構的整體受力及變形規(guī)律評價及預測等。
深基坑支護工程施工應按信息化施工方法進行變形監(jiān)測。監(jiān)測單位應根據工程和水文地質條件、基坑安全等級、基坑周邊環(huán)境和設計文件要求，制定科學合理、安全可靠的監(jiān)測方案，并嚴格按認可的方案組織實施。
發(fā)展基礎工程檢測技術，強化施工監(jiān)控過程及效果檢驗，積累工程實測數據，提高基礎工程的安全可靠性與經濟性。
方法：
（1）研究開發(fā)各種復合地基檢測方法與設備。
（2）研究開發(fā)成樁質量與承載力的動力、物理檢測方法，改進既有動測技術。
（3）完善基坑支護檢測技術，應用開挖過程測試數據的電子快速反饋處理技術，實現信息化施工。
（4）注重建筑物沉降觀測及其它工程實測資料的積累，發(fā)展反分析技術。
信息化施工技術應用于地下鐵道車站、高層房屋建筑基坑等需要圍護工程的領域，對施工現場周圍的舊有建筑的沉降變形計算控制有一定作用，使基坑施工始終處于受控狀態(tài)，及時發(fā)現問題，及時處理問題，掌握工程進展的主動權，做到了施工技術的科學化、信息化、標準化、規(guī)范化，并為施工過程中的科學決策提供了有力的支持。信息技術在大型工程施工中的應用和推廣是工程管理現代化的重要標志和必要途徑，也是確保工程質量和施工安全的關鍵性措施。
（巖土工程師）
