中央电视台新台址深基坑工程监测与优化设计研究.doc

中央电视台新台址深基坑工程监测与优化设计研究中科院地质与地球物理研究所2004年12月11中央电视台新台址深基坑工程监测与优化设计研究1 现场监测与信息化施工深基坑工程是土体与围护结构体相互共同作用的一个动态的复杂系统，仅依靠理论分析和经验估计是难以把握在复杂的开挖和降雨等条件下基坑支护结构与土体的变形破坏，也难以完成可靠而经济的基坑设计，因为这里存在着许多不确定的因素。通过施工时对整个基坑工程系统的监测，可以了解其变化的趋势，利用监测信息的反馈分析，就能较好地预测系统的变化趋势。当出现险情预兆时，可以做出预警，及时采取措施，保证施工和环境安全；当安全储备过大时，可以及时修改设计方案，削减围护措施，通过反分析，可修正计算模型，调整计算参数，总结经验，提高设计与施工水平。在施工过程需要依靠现场监测，及时采集桩体变形、土压力、孔隙水压力、钢筋压力等支护参数，加以整理分析，便会对实际支护结构的工程状况有一个较准确的认识，从而保证施工顺利进行。这种以施工过程中采集的信息为纽带，通过分析、整理、反馈等环节，不断地优化设计方案，及时地采取措施，确保施工安全可靠地进行的方法，即为信息化施工方法。由此可见，通过现场监测与信息化施工，可以确保工程施工顺利安全进行，并可优化设计方案。与此同时，也为设计理论研究提供了第一手原始数据。2 监测项目本次深基坑工程监测内容可分为三部分：即土钉墙监测、土体水平位移监测和桩锚支护体系监测。土钉墙监测主要是对土钉受力及面层所受土压力的监测。土体水平位移监测的主要内容为基坑土体水平位移监测。桩锚支护体系的监测主要是对圈梁受力，桩体变形及钢筋应力、锚杆拉力的监测。1）土钉墙监测（1） 土钉受力状态监测监测目的：土钉长度、间距及布置、孔径、钢筋直径与面层等是土钉墙工程设计的重要内容。土钉的受力状态对土钉墙的稳定性有至关重要的作用。土钉受力状态监测主要是监测土钉钢筋受力的大小及其分布，以评估土钉墙稳定性、评价土钉设计的合理性及优化土钉墙设计。监测方法：在每一层土钉中选取靠近中部的35根土钉，在土钉长度方向上每隔1M3M安装钢筋计（如图 1 所示）。钢筋计可采用与土钉钢筋串联的方式连接，钢筋计在靠近滑面附近适当加密。钢筋计与土钉钢筋之间可采用搭接焊或绑条焊，但无论那种焊接方式，都必须保证焊接处抗拉强度大于土钉钢筋标准抗拉强度值。通过测定钢筋计应力大小，就可以确定土钉全长受力情况。监测仪器: 钢筋计（2） 面层土压力监测监测目的:面层的工作机理是土钉设计中最不清楚的问题之一。面层的实际设计方法有很多种，但差别极为悬殊。面层在土压力作用下受弯，其计算模型可取以土钉为支点的连续板进行内力分析并验算抗弯强度和所需配筋。因此被测面层上的土压力大小对面层厚度和面层钢筋配筋及网格大小设计至关重要。监测方法：用土压力计来监测面层受力大小。土压力的分布与空间位置有关，因此应在土钉墙不同位置，不同高程的面层内侧安装土压力计（如图1所示）。具体为在所选监测剖面上沿基坑深度方向每隔25M布设一支土压力计，并使承压膜朝向土一侧，为了提高测试精度，在承压膜与岩土之间可以预埋一装满细砂的砂袋。每只压力盒埋完后，其周边覆土须夯实。监测仪器：土压力计图 1 钢筋计及面层上的土压力计布置2） 桩锚监测（1） 桩内力监测监测目的：在深基坑支护中，桩支护是一种常见的形式，但桩支护的花费很大，而且在设计中很容易造成浪费，或桩承受能力不足，由于现行的土压力理论计算结果与实际通常不一致，因此理论与实际相结合，也就是理论与试验相结合，来研究桩实际所受的内力，对以后的基坑支护起借鉴作用。桩在基坑支护中的作用主要受弯，在设计时，要分别考虑桩的抗拉强度和抗压强度。因此，要通过桩身内力监测并与理论相结合以确定其真实的受力状况，用来指导设计。监测方法：用钢筋计来测受拉钢筋的拉力， 根据桩的长度来决定安设钢筋计的个数，大约1.5M3M布置一钢筋计，需要的时候可以适当加密。选择的测点位置在每边的中部。根据桩的长度来确定安设钢筋计的个数。具体方法为选取测试桩后，在其钢筋笼绑扎过程中将最里面及最外面主筋在预安装钢筋计的地方切断，然后将钢筋应力计串联焊接到主筋上，焊接时可根据实际情况采用搭接焊或绑条焊，然后将导线沿主筋引出地面并加以保护。）监测仪器：钢筋计（2） 圈梁内力监测监测目的:圈梁主要起连接各个护坡桩的作用，使桩内力充分发挥，协调变形。因此圈梁在基坑支护中的作用主要是抗弯。对圈梁内钢筋进行内力监测，将实测数据与理论数据做比较，修正理论数据并指导设计、优化设计。监测方法: 钢筋计一般布置在圈梁内钢筋上，找几个比较危险的地方布置。具体方法为将钢筋应力计串联焊接到圈梁一根或多根主筋上，焊接时可根据实际情况采用搭接焊或绑条焊，然后将导线沿连接筋引出并加以保护。监测仪器：钢筋计（3） 锚杆拉力监测监测目的：在深基坑支护中，单凭桩支护已达不到设计要求，所以现在常用桩锚结合的支护方法。但锚杆的设计涉及到锚杆的抗拉强度及锚固力大小问题，往往在工程设计中对此无法确定。因此对锚杆内力进行监测研究是有必要的。通过实测内力可以指导锚杆强度大小、锚固长度的设计。监测方法: 测锚杆应力用应变片，由于锚杆一般较长，而滑面一般离基坑比较近，因此应在离基坑近的地方应变片安放的比较密集，大约2-3M一个，在大约滑面位置更要密集，一般2M一个，再往内可以3M-5M一个,甚至可以更大间距。一般试验选择2个至4个剖面。同时，在锚头位置安装锚杆测力计以便长期对锚杆进行监测。监测仪器：应变片、锚杆测力计3）土体水平位移监测监测目的:基坑土体水平位移监测是了解基坑在开挖支护过程中稳定性的一项较为直观和有效的方法。基坑水平位移直接反映了基坑的稳定情况。监测基坑边缘一定范围内的土体的水平位移，就可以预测基坑土体变形的演化趋势，分析基坑的稳定性。并且土体水平位移的大小与支护体系上受力的大小息息相关。监测方法: 在距基坑边一定范围内，沿一个剖面设13个测斜孔（剖面垂直坑边）。每危险基坑边布设至少一个监测剖面， 23个为宜。离基坑最近的一个测斜孔可以安装在围护体中，如果安装不便，也可以安装在离围护体较近的土体内。如图 2 所示。监测仪器：测斜管图 2 土体侧向位移监测点的布设3 监测数据整理分析在深基坑监测过程中获得的数据，其中有不能直接反映出位移场和应力场变化的情况，必须对其进行综合整理加以分类，制成一定形式的表格或图形曲线，才能形象地反映各种变化。对这些图表进行综合分析，寻找其变化规律，判断监测数据是否正常、结构是否遭受损坏或破坏。因此对测试数据应及时分析整理；沉降、位移等观测项目尚应绘制时间变化的关系曲线，分析内力和变形的变化情况，并对其发展趋势做出预测。1） 观测数据处理（1） 原始数据的平滑处理由于数据采集过程中，由于观测误差和其它因素的影响，原始数据常出现局部的波动，因此需要将所得数据曲线进行平滑处理。三点移动法是常用的数据平滑处理方法。假设相邻三点的时间相应为，观测的数据为，的修正值为，假定曲线上相邻三点观测数据的修正值与时间呈线性关系，根据最小二乘法原理，有式中，；，1，2，3，；。（2） 趋势预测分析任何一个单变量的连续函数，总可以用Talor展式表示为式中，为时间；为观测值；为待确定的常数。根据观测数据系列，用上式拟合，建立回归方程。然后可根据建立的方程预测未来的数据值。由于支护结构及土质结构的复杂性，力学机制的不清晰及受周围环境等诸多因素的影响，观测数据具有明显的模糊性，随机性和信息不完全性，亦称灰色性。用灰色理论通过观测数据进行累加，可弱化数据的随机性，从中提取真正有用的信息，使建立的模型具有较高的可信度和精度。这种方法为灰色模型预测。2） 基于观测数据的支护体系稳定性预测分析基于观测数据来判断支护体系稳定性时，鉴于采用位移或位移速度的绝对值作为基坑边坡破坏准则比较困难，具显著的不确定性，我们采用位移速度角的概念，即 （为位移值），当逼近90时为边坡破坏的准则。这种方法同Saito方法采用位移速率倒数逼近于零的做法很类似。为此，将观测曲线转化为，即在曲线上，取若干等间隔，求，并计算出，最后做出曲线。除位移速度角方法外，还可用突变理论对监测变形资料进行分析，建立尖点突变预测模型，以根据观测资料判断基坑的稳定性及预测失稳时间。3） 支护体系参数反分析自1976年 Kirstan提出反分析方法以来，在工程应用中取得了许多重要的进展。这种基于现场量测和计算机分析为主的方法，在地下工程、边坡稳定、桩基及基础工程，甚至地质勘探中，发挥着不可替代的作用。所谓“反分析方法”是指相对于用已知各种参数条件求解结构位移、应力或其它力学量的正分析法而言，反过来从现场实测的各种物理量（如位移、应力、孔隙水压力等），基于材料的结构关系，通过数值计算，来推断确定实际工程中各种土或其它结构材料的设计参数值。该参数值显然比室内试验所得的参数值更接近实际。用这些参数再进行设计，必然使设计的结果更符合实际，既确保工程安全，又节省工程造价。在反分析中，常用的是位移反分析法，借助于平面有限元或弹性抗力有限元法实施。由于影响基坑设计施工的因素较多，待反分析的数据也很多，因此应根据现场工程地质条件和环境因素，结合具体工程和反分析方法，抓住主要影响因素，反分析主要参数。用平面有限元法反分析时，应主要反算土体弹模，内聚力与内摩擦角；用弹性抗力有限元法反分析时，主要反算地基土水平抗力系数、内聚力与内摩擦角。4 信息化优化设计信息化施工技术是运用系统工程的一种现代化施工管理方法，它包括信息采集信息分析处理信息反馈控制与决策（调整实际与施工方案及采取相应措施）。实践证明，采用信息化施工的基坑工程，即使出现临时问题，由于监测预报及时准确、及时迅速地采取对应的措施，均未造成大的事故。在此基坑方案选定后，先按照预定的施工过程进行预测分析，再与施工时通过监测系统采集到的信息加以对比，优化设计，做到经济合理、安全可行。1） 信息采集信息采集系统是通过设置于锚桩支护结构体系及其相互作用的土体和相邻建筑物中的监测系统进行工作，以便获得如下信息：土体变形的侧向位移与沉降；桩锚受力与钢筋应力；土体与土钉墙面板接触压力。为此，应进行下列项目监测工作：（1） 变形监测：包括桩墙的侧向位移、桩顶沉降及位移，基坑附近地面沉降及位移。（2） 围护结构应力监测：包括锚杆、土钉、圈梁等的钢筋应力及混凝土应力监测。（3） 土钉墙面板压力监测。信息的采集应根据施工进展情况确定每一监测项目的信息采集时间、频率与周期，还应注意各项目信息采集的同步，以便于资料的对比分析。2） 信息处理与反馈各种信息采集后，应及时输入计算机进行数据处理，并绘制各种曲线，以便随时分析与掌握支护结构的工作状态及土体状态，同时对测试失误的数据加以分析，找出原因并及时改进或修正。（1）在信息处理过程中所绘制的曲线应是能反映支护结构的工作状态特征的曲线：包括围护桩墙的位移曲线；桩墙顶位移时程线；位移速率时程线；土钉墙面板土压力分布曲线与时程线；土钉与桩墙体及支撑的钢筋应力分布曲线；钢筋应力时程线；重要地面监测点的水平位移与沉降曲线等。（2）支护体系与土体监测反分析：根据监测所得到的数据进行反分析，通过计算来推断实际的土体与支护结构材料的设计参数值，该值比室内实验所得参数值更接近实际，有利于指导和优化设计。3） 控制与决策信息处理后，及时反馈给设计、施工单位及开发商，用以调整优化设计，并定期发布监测简报。若发现异常现象，预示潜在危险就及时发布警报，以便开发商组织设计、施工及监测部门进行会诊，对可能出现的各种情况做出估计和决策，并采取有效措施，不断完善与优化下一步的设计与施工。5 基坑监测系统设计中央电视台新址深基坑工程监测系统主要包括四个方面的内容：监测项目确定；监测点位的布置；测试方法；监测工作计划安排。5.1 监测项目确定中央电视台新址基坑工程是国家级重大工程，影响系数大，安全等级高。综合考虑该基坑工程复杂程度、周围环境状况、地质、基坑支护形式、基坑开挖方案、地下结构方案等多种因素，本设计选取2个剖面进行监测分析（监测的具体项目见本研究方案第二节内容）：HI段中点位置，AB段中点位置。（具体位置见基坑支护平面布置示意图）5.2 监测点位布置 在所选的2剖面上，对土钉墙系统、土体变形和桩锚支护体系等布置监测点如下。（1） HI段中点位置：该处基坑深度达21.25米，支护结构长度达15米，各项数据是本次基坑工程中最大的。设计包括测斜管的布置，土钉、锚杆、腰梁、桩内力和土压力等测点布置。详细测点布置见附图（剖面1监测点布置图）。（2） AB段中点位置：设计包括测斜管的布置，土钉、锚杆、腰梁、桩内力和土压力等测点布置。详细测点布置见附图（剖面2监测点布置图）。5.3 监测方法深基坑工程的现场监测以仪器为主，仪器监测和目测调查相结合。位移监测方法，内力监测方法等见上文第二节内容。5.4监测工作计划安排基坑监测工作基本上伴随基坑开挖和地下结构施工的全过程，基坑越大，监测期限越长。 1)土体侧向位移监测期限，从基坑开挖至主体结构施工到0.00，监测频率为：从基坑开挖到浇筑完主体结构底板，每天监测1次；从浇筑完主体结构底板至主体结构施工到 0.00，每周监测23次； 2)锚杆拉力，从锚杆施工到主体结构施工到 0.00，每天监测1次。3)土钉受力、面层土压力、桩内力及圈梁内力监测贯穿基坑开挖至主体结构施工到 0.00的全过程，监测频率为：基坑每开挖其深度的l5一l4，测读23次，必要时每周监测l一2次；基坑开挖至设计深度到浇筑完主体结构底板，每周监测34次；浇筑完主体结构底板到主体结构施工到 0.00，每周监测1次。 监测频率并非一成不变，在施工过程中尚需根据基坑开挖和围护施筑情况、所测物理量的变化速率等作适当调整。例如，当土体变形速率明显增大时，应加密观测次数。反之，可适当减少观测次数。当有事故征兆时，如持续降雨，则进行连续监测。6 基坑监测系统的实施深基坑监测系统实施的工艺过程：选定测试传感器及相应的数据采集仪器，埋设传感器及相关设备，确定传感器的初始值，定期观测数据并及时进行整理分析，监测结束并提交完整的监测报告。监测仪器的选用遵循如下原则：满足深基坑监测精度要求；监测仪器量程和所测物理量的变化范围匹配；选用仪器适用基坑现场环境。7 预期成果与工程效益通过现场监测与信息化施工，可以确保本工程施工安全进行，并可优化设计方案，提高以后基坑工程的设计与施工水平。本项目预在以下方面能取得实用性成果:1) 土钉钢筋直径的选择与土钉设计方案优化；土钉长度、间距及布置、孔径、钢筋直径与面层等是土钉墙工程设计的重要内容。土钉设计中土钉的长度一般采用约为坡面垂直高度的6070。这种设计方法是在统计和经验的基础上来做的。而土钉钢筋直径一般也是根据经验来取1632，一般采用25。通过对土钉受力的监测，可以确定土钉钢筋直径大小是否满足强度要求，还可以验算土钉墙的稳定性。根据土钉受力大小来确定土钉长度，优化设计方案。2) 面层钢筋网的合理间距及面层厚度的确定；土钉面层设计中，钢筋网间距通常双向均为200300mm,钢筋直径为610。这只是经验设计。据说现在还没有发现面层出现破坏的工程事故。就此而言，面层设计过于保守。面层在土压力作用下受弯，其计算模型可取以土钉为支点的连续板进行内力分析并验算抗弯强度和所需配筋。因此，监测面层上的土压力大小对面层厚度和面层钢筋配筋及网格大小设计至关重要。通过面层上的土压力监测与计算模型分析，就可以优化面层设计。3) 圈梁配筋的多少及合理配置；圈梁主要起连接各个护坡桩的作用，使桩内力充分发挥，协调变形。对