基坑開挖的實測分析與短期預測方法探索

舒志樂， 吳海寬， 楊大雪， 李亨

(西華大學土木建筑與環境學院， 成都610039)

基坑開挖的實測分析與短期預測方法探索

舒志樂， 吳海寬， 楊大雪， 李亨

(西華大學土木建筑與環境學院， 成都610039)

為研究基坑開挖對周圍環境的影響和提高基坑監測分析的及時性，根據基坑工程的實際案例，通過使用測量儀器如水準儀、全站儀和軸力計等對沉降、水平位移和軸力等進行監測，得到冠梁，支護樁，周邊地表和臨近建筑的變形規律，并采用指數平滑法分析監測數據，預測基坑各項安全指標的變化趨勢，此方法只適用于短期預測。分析結果表明，基坑的開挖深度和基坑側面施工機械和大面積的堆載對于基坑的變形有很大影響，但鋼支撐的及時架設可以有效的控制基坑的變形。采用指數平滑法進行預測能夠彌補監控量測的滯后性，對于實際工程具有重要的指導意義。

指數平滑法；基坑監測；基坑開挖；水平位移

引言

隨著城市交通建設的快速發展，地上交通的空間越來越少，由此，人們就開始把交通建設從地上引入了地下，基坑在各項工程實際中的應用越來越多，并且基坑的深度也在逐漸加大，由此引發了很多問題。如基坑開挖引起的周邊地表的沉陷，對地下設施和周邊建筑帶來的不利影響，造成周邊路面和地下管線的開裂等[1-3]。為了適應基坑工程的快速發展，基坑的實時監測越發重要，但是目前的監控量測技術得出的監測數據具有一定的滯后性，基坑監測的預測方法就變得至關重要。基坑監測領域內有很多研究在預測數據的方法以及預測預警系統[4]等方面做出貢獻，提出了許多預測方法，比如回歸分析法、BP神經網絡法、小波神經網絡法和時間序列法等[5-10]，本文在前人研究的基礎上引入了時間序列法中的指數平滑法對監測數據進行預測，使得監測的數據能夠及時的指導施工。本文以太原鐵路樞紐新建西南環線東晉隧道明挖段為實例，對部分必測項目進行分析并采用指數平滑法對基坑數據進行預測，以確保工程的安全穩定[11]。實時監測和短期預測給施工設了兩道安全保障，對現場的施工和安全具有重要的意義。

1工程概況與地質條件

1.1工程概況

東晉隧道明挖段起點里程DK0+400，終點里程DK1+223，全長823 m。東晉隧道設計為單孔雙線結構，明挖段采用直墻拱頂形式，雙線之間線間距4 m～5 m，最大挖深20 m，覆土最大深度7 m(圖1)。基坑降水采用水泥攪拌樁+基坑內降水和基坑外降水兩種形式。基坑防護采取土釘墻、抗浮梁、護拱、鉆孔灌注樁+鋼支撐、倒撐等多種形式相結合。

圖1基坑立面示意圖

1.2地質條件

本標段所承建的范圍屬于山前洪積平原，地形寬廣平坦，起伏小，線路經過的地區分布既有鐵路、道路和地面建筑物又有河道及少許菜地園圃，地面高程794.85 m～837.46 m。地貌主要為丘陵緩坡、洪積平原及沖積平原，地形平坦開闊，略有起伏。該地區屬于典型的斷陷盆地，盆地內主要的斷層種類有南堰斷裂和交城斷層。隧道范圍內地層主要為第四系全新統洪積層(Q4pl)，地表覆蓋第四系全新統人工堆積層(Q4ml)。按照地質柱狀圖自上而下為：0.5 m～5.0 m雜填土、素填土；5 m～18 m新黃土；18 m～23 m粉質黏土；23 m～40 m粉土、砂土，個別地段夾雜圓礫或卵石。明挖段隧道基坑深度及埋深：挖深17 m～20 m，埋深2 m～10 m，圍巖等級為VI級。

2周邊環境和氣候特征

本工程周邊環境復雜，安全管理和環境保護要求高，沿線周邊建(構)筑物密集，地下管線眾多。施工前必須對管線或構筑物進行細致探測，采取周密的保護和疏解方案；全過程加大周邊建(構)筑物和管線的監控量測的頻率，實施信息化動態施工；采用可靠系統的環境保護措施，

確保管線和建(構)筑物安全。工程所在地冬

季干冷漫長，夏季濕熱多雨。需制定夏季施工明挖基坑防水及結構物工程的養護，冬季施工防寒保溫等措施，并嚴格落實。

3監測方案

3.1監測意義

在深基坑開挖的施工過程中，基坑內外的土體將由原來的靜止土壓力狀態向被動和主動土壓力狀態轉變，應力狀態的改變引起圍護結構承受荷載并導致圍護結構和土體的變形，圍護結構的內力(圍護樁和墻的內力、支撐軸力或土錨拉力等)和變形(深基坑坑內土體的隆起、基坑支護結構及其周圍土體的沉降和側向位移等)中的任一量值超過容許的范圍，將造成基坑的失穩破壞或對周圍環境造成不利影響，因此，在深基坑施工過程中，需要對基坑支護結構、基坑周圍的土體和相鄰的構筑物進行全面、系統的監測，以確保工程的順利進行。

3.2監測內容

基坑監測主要分為兩類，即應力監測與變形監測。應力監測儀器主要采用軸力計、鋼筋計、壓力傳感器和孔隙水壓力計等，變形監測主要儀器采用全站儀、水準儀和測斜儀等。監測項目主要有：(1)樁頂水平位移；(2)樁頂豎向位移；(3)周邊地表豎向位移；(4)深層水平位移；(5)鄰近建筑豎向位移；(6)鋼支撐軸力。其中樁頂水平位移測點數24個；樁頂豎向位移測點數24個；周邊地表豎向位移測點數36個；深層水平位移3根，測點數133個；鄰近建筑豎向位移測點數16個；鋼支撐軸力測點4個。監測布點示意圖如圖2所示。

圖2監測布點示意圖

3.3監測頻率

基坑開挖過程是從大里程到小里程進行分層開挖，最后向小里程出口收縮取土，并且分塊進行底板和頂板的施工。基坑監測頻率根據基坑變形情況與基坑施工進程進行調整。樁頂沉降和水平位移監測頻率為基坑開挖時，1次/天，主體結構施工時，1次/2～3天；支撐軸力監測頻率為開挖初期1次/天，挖至基底2～3次/天；基坑回彈監測頻率為埋設后、基坑開挖完成、地板澆筑前測量。地表沉降為1次/天。

4監測結果分析

本工程明挖段正處于施工階段，監測項目見表1，利用已有的監測數據對部分項目進行分析。

4.1沉降監測

沉降監測主要針對樁頂豎向位移、周邊地表的豎向位移以及鄰近建筑的豎向位移進行分析。分析過程中發現問題并給予現場施工一定的指導。

4.1.1樁頂與周邊地表沉降

選取DK0+994橫斷面的樁頂和周邊地表的監測點，通過使用水準儀測量高程得到的數據，繪制了該橫斷面樁頂與周邊地表沉降的變形曲線圖(圖3)。圖3中，縱坐標累計變化量正值表示下沉，負值表示上升。由圖3可知，在開挖的前幾天，突變比較明顯，但都沒有超過控制值，而后曲線趨于平緩。面向大里程左側點沉降變形更加接近，而右側點變形現階段普遍上抬，主要原因是現場施工過程中，大型機械、鋼筋、鋼支撐等主要放置在了基坑右側，導致基坑右側承受的力過大，導致基坑邊變形上抬。

表1監控量測項目、方法和精度

圖3DK0+994橫斷面沉降變化曲線圖

4.1.2周邊建筑沉降監測

面向大里程基坑右側有居民小區建筑，由于其距離基坑小于三倍基坑開挖深度，應進行監測。由于基坑開挖深度和樁頂沉降，鄰近建筑物會發生明顯不均勻沉降[12]。選取里程DK1+018位置的三個監測點進行分析，曲線圖如圖4所示。由圖4可知，監測點所在位置的沉降變化趨勢基本一致，其中F9距離基坑最近，受基坑開挖的影響也較大，沉降更明顯。

圖4DK1+018鄰近建筑沉降變化曲線圖 (+下沉；-上抬)

4.2樁頂水平位移監測

樁頂水平位移能夠反映基坑支護樁頂的變形情況，這里選取了四個監測點進行對比(圖5)。其中DR6與DL7在一個橫斷面上，DR7和DL8在一個橫斷面上，縱坐標正向表示向基坑內偏移，負向表示向基坑外偏移。從監測結果分析可知，樁頂的水平位移不僅與基坑的位置有關，還與基坑的周邊堆載相關[13]。基坑左側的樁頂向基坑內偏移，右側的樁頂向基坑外偏移，這是由于在基坑左側沒有堆載，開挖后，排樁只受側面土的土壓力作用，導致左側樁頂水平位移向基坑內偏移；基坑右側有堆載，附加荷載的作用使得樁頂水平位移出現了向基坑外偏移的現象。在開挖初期，樁頂水平位移有輕微波動，但變形量隨著基坑的開挖逐漸增大，主要表現在7月6日至7月23日，在7月23日之后，隨著鋼支撐的架設，變形量逐漸趨于穩定，鋼支撐的架設有效的抑制了樁頂水平位移的增加。

圖5樁頂水平位移累計變化曲線圖

4.3深層水平位移監測

深層水平位移能夠較好的反映灌注樁和基坑側面土體的整體變形情況，是基坑的重要安全指標。測點ZQT-01的有效測量深度為14.5 m，測點ZQT-01的深層水平位移累計變化曲線和大面積堆載作用下深層水平位移累計變化曲線分別如圖6和圖7所示，其中，正號表示位移向基坑內側，負號表示位移向基坑外側。由圖6可知，在鋼支撐架設之前(7月7日)，基坑深層水平位移最大值發生在地表，這是因為在土壓力的作用下，支護樁類似于懸臂梁，最大水平位移發生在支護樁頂[14]。隨著開挖的進行，深層水平位移逐漸增大，這是由于在開挖的過程中，破壞了土體原有的應力平衡，使得該位置的變形逐漸變大。在深度為1.5 m的位置，水平位移變化最大，向基坑內側偏移達到2.200 mm，這是由于基坑架設了兩道鋼支撐，對該處基坑支護產生了約束，使得深層水平位移最大值發生在支護中間位置。由圖7可知，此時基坑側面有大面積堆載包括施工機械和鋼筋，并且基坑底板也已經施工完畢，深層水平位移變形曲線前半段現凸起形狀，后面逐漸趨向于零，說明基坑底部趨于穩定，簡化的力學模型如圖8所示，能夠很直觀的反映基坑側面受到大面積臨時堆載時的變形情況。

圖6ZQT-01(1#)測點深層水平位移累計變化曲線圖

圖7ZQT-01(1#)測點大面積堆載作用下深層水平位移累計變化曲線

4.4支撐軸力監測

支撐軸力的變化趨勢與基坑現場施工的情況有著密切的聯系，施工階段的變化、鋼支撐的架設、基坑開挖后土體的暴露時間都會影響鋼支撐軸力的變化。由軸力監測結果可知(圖9)，在基坑開挖初期，支撐軸力不斷加大，處于上升階段，7月21日至8月22日期間，支撐軸力每天的變化量有微小的波動，但是整體上比較平穩；8月22日至9月1日，鋼支撐軸力快速增加，9月1號往后，支撐軸力趨于平穩，此時軸力基本維持在750 KN～850 KN之間，超過了600 KN的控制值，這是由于支撐周圍大量堆放鋼筋和停放吊車[15]，此時建議施工隊立即清理基坑周邊堆放鋼筋并停止停放吊車等大型機械，以免鋼支撐壓屈，出現基坑整體失穩破壞。

圖9100248鋼支撐軸力變化曲線圖

5指數平滑法對監測數據的預測分析

每次監控量測工作從監測到出數據和結果的過程比較長，導致監測結果相比于現場實際有一定的滯后性，基坑監測的超前預測就很重要。本文認為時間序列的態勢具有穩定性或規則性，所以，可以合理地順推時間序列，最近的過去態勢在某種程度上會延續到未來，由此提出了指數平滑法來預測監測數據的變化趨勢，為安全施工打下基礎[16]。

指數平滑法[17]的基本原理是任一次的指數平滑值等于本次實際觀測值與上一次指數平滑值的加權平均。包括一次指數平滑法、二次指數平滑法和三次指數平滑法。本文僅用到了一次指數平滑法。

設時間序列為y1，y2，…，yt…，則一次指數平滑公式為：

(1)

為了理解指數平滑的實質，將公式(1)依次展開，可得：

(2)由于0<α<1，當t→∞，(1-α)t→0，于是式(2)變為

(3)

(4)

由于加權系數契合指數規律，且又具有圓滑數據的功能，所以稱為指數平滑。

用平滑值進行預測，就是一次指數平滑法。其預測模型為：

(5)

即以第t期的一次指數平滑值作為第t+1期預測值。

指數平滑系數[18]的確定包括：(1)當時間序列顯現較穩定的平緩趨勢時，應選較小的值，一般可在0.05～0.20之間取值；(2)當時間序列有起伏波動，但長期趨勢變化不大時，可選稍微大的值，常在0.1～0.4之間取值；(3)當時間序列波動很大，長期趨勢變化幅度較大，呈現明顯且迅速的上升或下降趨勢時，宜選擇較大的值，如可在0.6～0.8間選值，這樣可以使預測模型靈敏度更高，能迅速跟上數據的變化。

圖10和圖11分別為樁頂沉降和樁頂水平位移預測與實測對比圖，圖10中，取平滑系數分別為0.2、0.5、0.8，生成的預測曲線與實際曲線比較，通過計算最后得出取不同平滑系數的誤差，其中平滑系數為0.8的誤差最小為0.1778 mm，平滑系數0.5和0.2的誤差分別為0.2238 mm和0.5038 mm，所以平滑系數為0.8的預測曲線能夠很好的反映實際曲線的變化趨勢。

圖10樁頂沉降預測與實測對比圖

圖11樁頂水平位移預測與實測對比圖

6結論

(1)在基坑工程中，監控量測對于基坑施工是至關重要的一環，它能夠有效的指導基坑的施工，提高基坑施工的安全性。

(2)使用時間序列法的指數平滑法能夠預測基坑短期內各數據的變化趨勢，彌補了監控量測的滯后性，使得基坑施工更加高效和安全。

(3)基坑開挖過程中，不宜將挖出的土方和施工機械、鋼筋等建筑材料放在基坑周邊，否則，地面荷載和車輛荷載對基坑支護結構會產生很大影響。

[1] 劉紅巖,秦四清,李厚恩,等.深基坑工程開挖安全性的數值分析[J].巖土工程學報,2006,28(增刊1):1441-1444.

[2] 李大勇,龔曉南,張士喬.軟土地基深基坑周圍地下管線保護措施的數值模擬[J].巖土工程學報,2001,23(6):736-740.

[3] 張文慧,田軍,王寶田,等.基坑圍護結構上的土壓力與土體位移關系分析[J].河海大學學報:自然科學版,2005,33(5):575-579.

[4] 徐楊青,程琳.基坑監測數據分析處理及預測預警系統研究[J].巖土工程學報,2014,36(增刊1):219-224.

[5] 王勝濤,梁小勇,周亦濤.隧道監控量測的數據回歸分析探討[J].隧道建設,2009.29(6):629-632.

[6] 胡斌,王新剛,馮曉臘,等.武漢地鐵某深基坑開挖對周邊高架橋影響的分析預測與數值模擬研究[J].巖土工程學報,2014,36(增刊2):368-373.

[7] 潘國榮,谷川.變形監測數據的小波神經網絡預測方法[J].大地測量與地球動力學,2007,27(4):47-50.

[8] 臧妻斌,黃騰.時間序列分析在地鐵變形監測中的應用[J].測繪科學,2014,39(7):155-157.

[9] 馬晨陽,吳立,周玉純,等.基于粗糙集理論BP網絡的地鐵深基坑監控預測分析與優化[J].施工技術,2016,45(13):50-54.

[10] 趙敏,厲廣廣,孟令冬.黃土地區深基坑土壓力監測與分析[J].四川理工學院學報:自然科學版,2016,29(5):81-84.

[11] 王超,朱勇,張強勇,等.深基坑樁錨支護體系的監測分析與穩定性評價[J].巖石力學與工程學報,2014,33(增1):2918-2923.

[12] 康志軍,譚勇,李想,等.基坑圍護結構最大側移深度對周邊環境的影響[J].巖土力學,2016,37(10):2909-2914.

[13] 陳昆,閆澍旺,孫立強,等.開挖卸荷狀態下深基坑變形特性研究[J].巖土力學,2016,37(4):1075-1082.

[14] 趙瑜,申奇發,代紅偉.城市淺埋隧道基坑監測[J].華北水利水電學院學報,2011,32(6):97-100.

[15] 丁智,王達,虞興福,等.杭州地鐵新塘路、景芳路交叉口工程深基坑監測分析[J].巖土工程學報,2013,35(增刊2):445-451.

[16] 胡巍,常金源,李祥龍,等.指數平滑法預測滑坡變形的適用性探討[J].人民長江,2015,46(14):28-31.

[17] 尹光志,張衛中,張東明,等.基于指數平滑法與回歸分析相結合的滑坡預測[J].巖土力學,2007,28(8):1725-1728.

[18] 王長江.指數平滑法中平滑系數的選擇研究[J].中北大學學報:自然科學版,2006,27(6):558-561.

Experimental Analysis and Short Term Prediction Method of Foundation Pit Excavation

SHUZhile,WUHaikuan,YANGDaxue,LIHeng

(School of Civil Engineering and Architecture, Xihua University, Chengdu 610039, China)

In order to study the influence of excavation on the surrounding environment and improve the timeliness of the analysis and analysis of the foundation pit, according to the actual case of foundation pit engineering, the deformation law of crown beam, supporting pile, surrounding surface and adjacent building are obtained through measuring instruments such as leveling, total station and axial force meter, Axial force and so on. And the monitoring data are analyzed by exponential smoothing method to predict the change trend of safety index of foundation pit only in the case of Short-term forecast. The results show that the excavation depth of the foundation pit, the construction machinery and the large area of the foundation pit have great influence on the deformation of the foundation pit, but the timely construction of the steel support can effectively control the deformation of the foundation pit. The use of exponential smoothing method to predict can be a good remedy for the measurement of the lag, and has important guiding significance for the actual project.

exponential smoothing method; Pit monitoring; excavation of foundation pit; horizontal displacement

2017-02-24

國家自然科學基金創新群體基金(50621403)；教育部春暉計劃項目(14206503)；西華大學重點基金項目(z1120635)；西華大學研究生創新基金(ycjj2016080)

舒志樂(1976-)，男，湖南洞口人，副教授，博士，主要從事巖土工程和地下工程方面的研究，(E-mail) 377830956@qq.com

1673-1549(2017)03-0056-06

10.11863/j.suse.2017.03.12

TU753

A