CN105696600B - 一种自动控制地下连续墙水平位移的基坑支护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动控制地下连续墙水平位移的基坑支护方法，该方法中：沿基坑长度方向布置一组水平支撑，所述水平支撑中设置有液压千斤顶；每组水平支撑均配置地下水位测量仪、水位监测器、前端控制器和压力监测器；水位监测器实时记录地下水位测量仪实时测得的地下水位深度，确定地下连续墙两侧地下水位深度的差值，并自动将地下水位深度的差值上传到中心控制装置；根据基坑工程条件进行数值模拟，确定关于地下水位变化引起需补偿支撑力值，利用地下水位测量仪自动监测地下水位变化，利用液压千斤顶对水平支撑自动进行支撑力补偿，从而减小基坑内潜水预降水引起的地下连续墙水平位移。

Description

一种自动控制地下连续墙水平位移的基坑支护方法

技术领域

本发明涉及的是一种建筑工程技术领域中的技术方法，具体是一种自动根据地下水位变化控制液压千斤顶以减小地下连续墙水平位移的基坑支护方法。

背景技术

我国沿海软土地区需开挖基坑的建筑工程日益增多。由于沿海地区地下水位普遍较高，在基坑开挖时一般都需进行基坑内潜水预降水。目前最常用的基坑降水方法是井点降水法：在基坑开挖前，预先在基坑周围埋设一定数量的滤水管(井)，并用抽水设备抽水，使基坑内地下水位下降，从而确保待开挖土体始终保持干燥。该方法简单成熟，效果明显且经济性较好。但是，基坑内潜水预降水会导致基坑内外地下水位产生差异，进而导致地下连续墙两侧土体的应力场发生改变。由于地下连续墙在软土中处于类似“悬臂梁”的状态，这种应力场的改变极易造成地下连续墙向基坑内产生水平位移。

地下连续墙的水平位移，对其自身的结构稳定性和基坑整体结构的稳定性都会产生较大的影响。较大的水平位移还会造成地下连续墙的弯曲变形，这种变形可能会引起地下连续墙的开裂，给基坑渗漏留下隐患。郑刚和曾超峰于2013年在《岩土工程学报》发表的《基坑开挖前潜水降水引起的地下连续墙侧移研究》一文中通过对天津3号线某车站基坑工程开挖前降水的试验观察，指出基坑开挖前的潜水预降水可导致显著的地下连续墙水平位移，引起基坑外地面及建(构)筑物沉降，从而影响基坑周围建(构)筑物的安全。此外，地下连续墙的水平位移会造成基坑周围土体的变形和土体内应力场的改变，造成基坑周围地下管线的侧向变形，对地下管线的安全性和使用寿命产生影响。

尽管基坑开挖前潜水预降水引起地下连续墙水平位移造成的基坑变形不容忽视，但目前相关的应对措施还比较缺乏。经对现有技术文献检索发现，申请专利号为：200710172543.1，公开号为：CN101463606A，专利名称为：基坑可控式液压钢支撑及其应用，该专利自述为“通过计算机控制的液压系统实现支撑轴力自动调节补偿”。然而，该专利在计算机控制的调节依据仍需人工搜集，并未真正实现自动根据施工条件变化进行支撑轴力补偿。而且潜水预降水造成的地下连续墙两侧地下水位差异是一个动态过程，所以由地下水位差异引起的地下连续墙水平位移也是一个动态过程，而通过人工搜集的方式肯定无法做到实时的动态调节。因此，上述专利提出的方法在支撑力补偿的自动化程度和控制精度上仍有进一步提高的空间。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种自动控制地下连续墙水平位移的基坑支护方法，根据基坑工程条件进行数值模拟，确定关于地下水位变化引起需补偿支撑力值的计算公式，利用地下水位测量仪自动监测地下水位变化，利用液压千斤顶对水平支撑自动进行支撑力补偿，从而减小基坑内潜水预降水引起的地下连续墙水平位移。

本发明方法是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：

第一步：沿基坑长度方向布置一组水平支撑，在每组水平支撑中点处布置竖向支撑，并在竖向支撑顶部固定钢板平台；所述水平支撑中设置有液压千斤顶；

优选地，所述一组水平支撑是指由2根钢支撑、2台液压千斤顶，1台配套的油泵和2个压力传感器组成的水平支撑；将2台液压千斤顶底部重合后沿水平支撑方向搁置于钢板平台中心处，2个液压千斤顶通过油管与对应的油泵组成同步顶，在液压千斤顶顶端水平放置压力传感器，压力传感器和地下连续墙之间水平放置钢支撑，钢支撑一端与地下连续墙固接，另一端搁置于钢板平台；钢支撑长度应确保液压千斤顶、压力传感器和钢支撑紧密接触。更优选地，钢支撑采用外径为160～200mm，厚度为6～10mm的圆形钢管支撑。

优选地，所述竖向支撑是指由4根角钢和若干缀板构成的格构柱，格构柱顶部标高较地下连续墙顶部标高低0～0.5m，格构柱底部标高与基坑底部标高相同，并满足承载力要求。

优选地，所述固定钢板平台是指：取一块边长为1000～1500mm、厚度为6～10mm的方形钢板，水平放置于竖向支撑顶部，钢板底面与竖向支撑用焊接固定。

优选地，沿基坑长度方向每隔5～7m布置一组水平支撑。

第二步：每组水平支撑均配置地下水位测量仪、水位监测器、前端控制器和压力监测器；其中：水位监测器实时记录地下水位测量仪实时测得的地下水位深度，确定地下连续墙两侧地下水位深度的差值，并自动将地下水位深度的差值上传到中心控制装置；

前端控制器接收中心控制装置下达的指令，控制液压千斤顶的油泵的启动与关闭；

压力监测器实时记录压力传感器监测到的压力值，并将压力差值上传至中心控制装置，其中压力差值是指压力传感器开始工作后某时刻的压力值与初始时刻压力值之差；

中心控制装置是一台计算机设备，该设备能接收水位监测器上传的地下水位深度差值，由计算公式确定需补偿支撑力值，并通过对压力监测器上传的压力差值与需要补偿支撑力值的自动比对，选择和下达操作指令；其中，计算公式是指：

式中：F为需补偿支撑力值，kN；a为由拟合得到的系数；h为地下水位深度差值，m；EI为地下连续墙刚度，kN·m²；γ为地下连续墙深度内土层的平均重度，kN/m³；H为地下连续墙埋深，m；

优选地，每组水平支撑对应配置4个地下水位测量仪，1个水位监测器，1个前端控制器，1个压力监测器；4个地下水位测量仪沿水平支撑方向分别布置于距2道地下连续墙内外两侧各3m处，埋置深度为基坑设计深度的1.5～2倍，并各自通过数据线与1个水位监测器连接；每组水平支撑中2台液压千斤顶对应的1台油泵与1个前端控制器用数据线连接；每组水平支撑中2个压力传感器分别与1个压力监测器用数据线连接；用数据线将各个水位监测器、前端控制器、压力监测器与中心控制装置连接。

需补偿支撑力值是指：为使地下连续墙在基坑内外地下水位深度存在差值时保证水平位移最小，水平支撑需要增加的水平支撑力值；

第三步：根据基坑工程条件，用有限元软件建立数值模型；利用数值模型，模拟地下水位深度差值每增加一定数值所需补偿支撑力值；根据模拟得到的地下水位数据和需补偿支撑力值，通过数据拟合，确定上述计算公式中的参数a；启动中心控制装置后输入计算公式；

所述基坑工程条件是指：基坑尺寸，地面至基坑设计深度3倍范围内的土层信息，地下水位深度，地下连续墙的深度、厚度和刚度。

其中，土层信息是指由钻孔取土法确定的各土层厚度及由室内密度试验、三轴试验、常规单向压缩试验、变水头渗透试验确定的各土层土体物理特性。

所述钻孔取土法是指：用厚壁取土设备，在基坑现场从地面至基坑设计深度的3倍取土，用于做室内常规土工试验，取土量根据试件量确定，以每层土不少于三个试件为宜。

所述室内密度试验是指：通过环刀法获取土样测得各土层的湿密度，并计算相应的重度；将土样烘干，测定各层土土样的干密度，通过测定的干密度和湿密度换算土体的孔隙比，确定土的饱和重度。

所述三轴试验是指：通过固结不排水试验确定砂土的有效粘聚力c和有效内摩擦角通过三轴剪力仪测定土的静止侧压力系数K₀，通过以下公式确定土的泊松比ν：

所述的常规单向压缩试验是指：通过常规单向压缩仪测得土体的压缩模量E_s，通过以下公式确定土体弹性模量E：

E＝(1-2K₀ν)E_s

所述的变水头渗透试验是指：将装有土样的环刀装入渗透容器，通过抽气饱和制成饱和试样，利用变水头装置改变水头高度，观察记录水头和时间变化，重复试验5～6次后确定土体的水平渗透率和竖向渗透率。

第四步，基坑内潜水预降水开始后，地下水位监测器自动监测地下连续墙内外两侧地下水位深度变化，并将地下水位深度差值上传到中心控制装置；中心控制装置根据水位监测器上传的地下水位深度差值，确定需补偿支撑力值，并对前端控制器下达启动指令；前端控制器启动与需进行补偿的液压千斤顶对应的油泵；同时，中心控制装置实时对比与该液压千斤顶对应的压力监测器上传的压力差值和需补偿支撑力值；当压力差值与需补偿支撑力值相同时，中心控制装置对前端控制器下达关闭指令，前端控制器控制对应的油泵停止工作。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的自动控制地下连续墙水平位移的基坑支护方法，精确性高、使用方便、系统简单可靠。根据监测信息和数值模拟确定的计算公式，确定需补偿支撑力值，利用液压千斤顶进行支撑力自动补偿，实现对地下连续墙水平位移的精确控制，有效减小地下连续墙在基坑内潜水预降水阶段的水平位移，显著降低由地下连续墙水平位移引起基坑变形的风险，确保基坑周围建筑物和地下管线的安全。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一较优实施例中一组水平支撑中心点处示意图；

图2为本发明一较优实施例中压力式水位计连接示意图；

图3为本发明一较优实施例中计算公式数据拟合图；

图中，1-钢支撑，2-电动液压千斤顶，3-轮辐式压力称重传感器，4-钢板平台，5-格构柱，6-压力监测器，7-RS485数据线，8-油管，9-中心控制装置，10-油泵，11-前端控制器，12-压力式水位计，13-水位监测器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例：

某基坑位于软土地区，地下水位为0.000m。基坑尺寸为50m×10m，基坑底部标高为-5m。基坑围护采用地下连续墙，地下连续墙厚度为0.5m，单位长度地下连续墙刚度为120000kN·m²，地下连续墙顶部和底部的标高分别为0.000m和-8.0m。基坑在开挖前采用井点降水法，进行基坑内潜水预降水。

第一步：由基坑尺寸确定，需在基坑沿长度方向每隔5m布置一组水平支撑，共9组；

在每组水平支撑中点处布置由4根100mm×100mm×7mm角钢和若干400mm×70mm×7mm缀条焊接成的截面尺寸为400mm×400mm的格构柱，格构柱顶部标高为-0.5m，格构柱底部标高为-5m；

在格构柱顶部水平放置一块1500mm×1500mm×7mm的方形钢板，钢板中心与格构柱横截面中心重合，钢板底面和格构柱顶部由焊接固定；

取2台型号为TDYG100-125的电动液压千斤顶，该电动液压千斤顶最低高度为275mm，油缸外径为180mm，吨位为100t，将2台液压千斤顶底部重合后沿水平支撑方向搁置于钢板平台中心处，液压千斤顶通过油管与对应的油泵组成同步顶；2台液压千斤顶顶部各水平放置1个轮辐式压力称重传感器，该轮辐式压力称重传感器的量程为0～60t，外径为174mm，厚度为70mm；取2根长度为4.1m、截面尺寸为A180×d7的钢支撑，分别沿水平支撑方向放置于压力传感器和地下连续墙之间，钢支撑与地下连续墙接触端采用固接，钢支撑与压力传感器接触端搁置于钢板平台上，如图1所示。

第二步：取4个型号为CHR-WYZ-1的压力式水位计作为地下水位测量仪，采用RS485数字输出方式，将4个CHR-WYZ-1压力式水位计沿水平支撑方向分别布置于距2道地下连续墙内外两侧各3m处，埋置深度为8m，并各自通过RS485数据线与1个水位监测器连接；每台油泵通过RS485数据线和1个前端控制器连接；每组水平支撑中2个轮辐式压力称重传感器分别与1个压力监测器用RS485数据线连接；再用RS485数据线分别将各个水位监测器、前端控制器、压力监测器与中心控制装置连接，连接完成后压力式水位计连接示意图如图2所示。

第三步：用厚壁取土设备在地面至地下15m范围内取土通过室内密度试验、三轴试验、常规单向压缩试验、变水头渗透试验确定基坑所在处的土层信息为：0～0.5m粉质粘土γ_sat＝19.5kN/m³，γ_usat＝18.0kN/m³，弹性模量E＝800kN/m²，泊松比v＝0.3，水平渗透率0.001m/day竖向渗透率0.0009m/dayc＝5kN/m²，0.5～4.5m，淤泥质粘土γ_sat＝17.0kN/m³，γ_usat＝16.0kN/m³，弹性模量E＝800kN/m²，泊松比v＝0.3，水平渗透率0.0009m/day竖向渗透率0.0007m/dayc＝12kN/m²，4.5～15m淤泥质粉质粘土γ_sat＝18.0kN/m³，γ_usat＝17.0kN/m³，弹性模量E＝800kN/m²，泊松比v＝0.3，水平渗透率0.001m/day竖向渗透率0.0008m/dayc＝15kN/m²，地下连续墙深度内土层的平均重度γ＝18kN/m³；根据土层参数、地下连续墙参数、地下水位深度用有限元软件plaxis建立基坑横截面的二维模型；通过模拟降水过程确定各地下水位深度差值对应的需补偿支撑力为：h＝0.5mF＝8kN；h＝1.0mF＝10kN；h＝1.5mF＝17kN；h＝2.0F＝22kN；h＝2.5mF＝23kN；h＝3.0mF＝25kN；h＝3.5mF＝32kN；h＝4.0mF＝35kN；h＝4.5mF＝36kN；h＝5.0mF＝40kN；用数据处理软件origin对十组数据进行线性拟合得到计算公式中的参数a＝1.5×10⁸回归参数R＝0.988。将计算公式输入中心控制装置。

第四步：基坑内潜水预降水开始后，CHR-WYZ-1压力式水位计自动监测地下连续墙两侧地下水位变化；水位监测器实时记录地下水位深度并将地下连续墙两侧地下水位深度差值h通过RS485数据线上传至中心控制装置；中心控制装置根据计算公式确定需补偿支撑力，通过RS485数据线对前端控制器下达启动指令；前端控制器接收到启动指令后立即启动与对应的TDYG100-125电动液压千斤顶相连的油泵；同时，中心控制装置实时对比与该液压千斤顶对应的压力监测器上传的压力差值和需补偿支撑力值，当压力差值与需补偿支撑力相同时，中心控制装置通过RS485数据线对前端控制器下达关闭指令，前端控制器控制对应的油泵停止工作。

本实施例可以根据监测到的地下连续墙两侧地下水位变化，自动调整水平支撑对地下连续墙的支撑力，从而达到减小基坑内潜水预降水引起的地下连续墙水平位移的目的。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种自动控制地下连续墙水平位移的基坑支护方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：沿基坑长度方向布置一组水平支撑，在每组水平支撑中点处布置竖向支撑，并在竖向支撑顶部固定钢板平台；所述水平支撑中设置有液压千斤顶；

第二步：每组水平支撑均配置地下水位测量仪、水位监测器、前端控制器和压力监测器；其中：水位监测器实时记录地下水位测量仪实时测得的地下水位深度，确定地下连续墙两侧地下水位深度的差值，并自动将地下水位深度的差值上传到中心控制装置；

前端控制器接收中心控制装置下达的指令，控制液压千斤顶的油泵的启动与关闭；

压力监测器实时记录压力传感器监测到的压力值，并将压力差值上传至中心控制装置，其中压力差值是指压力传感器开始工作后某时刻的压力值与初始时刻压力值之差；

中心控制装置是一台计算机设备，该设备能接收水位监测器上传的地下水位深度差值，由计算公式确定需补偿支撑力值，并通过对压力监测器上传的压力差值与需要补偿支撑力值的自动比对，选择和下达操作指令；其中，计算公式是指：

式中：F为需补偿支撑力值，kN；a为由拟合得到的系数；h为地下水位深度差值，m；EI为地下连续墙刚度，kN˙m²；γ为地下连续墙深度内土层的平均重度，kN/m³；H为地下连续墙埋深，m；

第三步：根据基坑工程条件，用有限元软件建立数值模型；利用数值模型，模拟地下水位深度差值每增加一定数值所需补偿支撑力值；根据模拟得到的地下水位数据和需补偿支撑力值，通过数据拟合，确定上述计算公式中的参数a；启动中心控制装置后输入计算公式；

第四步，基坑内潜水预降水开始后，地下水位监测器自动监测地下连续墙内外两侧地下水位深度变化，并将地下水位深度差值上传到中心控制装置；中心控制装置根据水位监测器上传的地下水位深度差值，确定需补偿支撑力值，并对前端控制器下达启动指令；前端控制器启动与需进行补偿的液压千斤顶对应的油泵；同时，中心控制装置实时对比与该液压千斤顶对应的压力监测器上传的压力差值和需补偿支撑力值；当压力差值与需补偿支撑力值相同时，中心控制装置对前端控制器下达关闭指令，前端控制器控制对应的油泵停止工作。

2.根据权利要求1所述的自动控制地下连续墙水平位移的基坑支护方法，其特征在于，所述一组水平支撑是指由2根钢支撑、2台液压千斤顶、1台配套的油泵和2个压力传感器组成的水平支撑；2台液压千斤顶底部重合后沿水平支撑方向搁置于钢板平台中心处，2个液压千斤顶通过油管与对应的油泵组成同步顶，在液压千斤顶顶端水平放置压力传感器，压力传感器和地下连续墙之间水平放置钢支撑，钢支撑一端与地下连续墙固接，另一端搁置于钢板平台，钢支撑长度应确保液压千斤顶、压力传感器和钢支撑紧密接触。

3.根据权利要求2所述的自动控制地下连续墙水平位移的基坑支护方法，其特征在于，每组水平支撑对应配置4个地下水位测量仪、1个水位监测器、1个前端控制器和1个压力监测器；4个地下水位测量仪沿水平支撑方向分别布置于距两道地下连续墙内外两侧各3m处，埋置深度为基坑设计深度的1.5～2倍，并各自与1个水位监测器连接；每组水平支撑中2台液压千斤顶对应的1台油泵与1个前端控制器连接；每组水平支撑中2个压力传感器分别与1个压力监测器连接；各个水位监测器、前端控制器、压力监测器与中心控制装置连接。

4.根据权利要求1所述的自动控制地下连续墙水平位移的基坑支护方法，其特征在于，所述竖向支撑是指由4根角钢和若干缀板构成的格构柱，格构柱顶部标高较地下连续墙顶部标高低0～0.5m，格构柱底部标高与基坑底部标高相同，并满足承载力要求。

5.根据权利要求1所述的自动控制地下连续墙水平位移的基坑支护方法，其特征在于，所述固定钢板平台是指：取一块方形钢板，水平放置于竖向支撑顶部，钢板底面与竖向支撑用焊接固定。

6.根据权利要求1-5任一项所述的自动控制地下连续墙水平位移的基坑支护方法，其特征在于，第一步中，沿基坑长度方向每隔5～7m布置一组水平支撑。

7.根据权利要求2或3所述的自动控制地下连续墙水平位移的基坑支护方法，其特征在于，第一步中，所述钢支撑采用外径为160～200mm，厚度为6～10mm的圆形钢管支撑。

8.根据权利要求1-5任一项所述的自动控制地下连续墙水平位移的基坑支护方法，其特征在于，所述基坑工程条件是指：基坑尺寸，地面至基坑设计深度3倍范围内的土层信息，地下水位深度，地下连续墙的深度、厚度和刚度。

9.根据权利要求8所述的自动控制地下连续墙水平位移的基坑支护方法，其特征在于，土层信息是指由钻孔取土法确定的各土层厚度及由室内密度试验、三轴试验、常规单向压缩试验、变水头渗透试验确定的各土层土体物理特性。

10.根据权利要求9所述的自动控制地下连续墙水平位移的基坑支护方法，其特征在于，所述钻孔取土法是指：用厚壁取土设备，在基坑现场从地面至基坑设计深度的3倍取土，用于做室内常规土工试验，取土量根据试件量确定，每层土不少于三个试件；

所述室内密度试验是指：通过环刀法获取土样测得各土层的湿密度，并计算相应的重度；将土样烘干，测定各层土土样的干密度，通过测定的干密度和湿密度换算土体的孔隙比，确定土的饱和重度；

所述三轴试验是指：通过固结不排水试验确定砂土的有效粘聚力c和有效内摩擦角通过三轴剪力仪测定土的静止侧压力系数K₀，通过以下公式确定土的泊松比ν：

$v=\frac{K_0}{1+K_0}$

所述的常规单向压缩试验是指：通过常规单向压缩仪测得土体的压缩模量E_s，通过以下公式确定土体弹性模量E：

E＝(1-2K₀ν)E_s

所述的变水头渗透试验是指：将装有土样的环刀装入渗透容器，通过抽气饱和制成饱和试样，利用变水头装置改变水头高度，观察记录水头和时间变化，重复试验5～6次后确定土体的水平渗透率和竖向渗透率。