CN112854235B - 一种深基坑支护结构及其稳定性监测预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深基坑支护结构，包括贴合基坑设置的支护挡板以及顺序设置在所述支护挡板外侧的竖直验证板和基坑支柱，所述支护挡板通过多个锚定桩固定基坑侧壁上，所述支护挡板和所述竖直验证板之间通过一级侧向支撑机构连接实现弹性可恢复的支撑，并且在所述竖直验证板和所述基坑支柱之间设置有二级侧向支撑机构以实现刚性支撑；还包括监测预警系统。本发明通过一级侧向支撑机构和二级侧向支撑机构的相互配合在保证支护效果的前提下实现对基坑负载压力的自动适应，并且可以消除基坑剪切力对支护结构的损坏，并且通过设置竖直验证板配合不同类型的传感器实现对基坑支护结构的离散和整体监测，可以准确把握基坑的支护情况以进行及时的预警。

Description

一种深基坑支护结构及其稳定性监测预警系统

技术领域

本发明涉及基坑支护技术领域，具体涉及一种深基坑支护结构及其稳定性监测预警系统。

背景技术

基坑支护，是为保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁及周边环境采用的支挡、加固与保护措施。现有技术中，基坑支护通常使用排桩支护、地下连续墙支护、水泥挡土墙支护等支护方式进行支护。上述的支护方式适应于浅基坑的支护，对于深基坑的支护上述方式均不适应，主要是因为深基坑的坑深较大，由下至上的设置支护结构难以对上部实现可靠的支护，而且跨度较大的支护结构也难以实现可靠的支护。

当前为了解决上述问题，一般在基坑的侧面进一步设置其它的辅助支护结构，从而实现对深基坑侧壁的支护，但是这种支护方式对占用较大的体积，从而可能会影响基坑内的正常作业，而且这类的支护结构不允许在基坑支护结构附近施工以防止对基坑侧壁产生扰动。进一步，支护结构并不是百分百可靠的，因此需要在支护的过程中对支护机构进行监测，并根据监测的结果提前发出预警信息以避免不必要的损失。但是现有的监测系统只能实现对离散位置的监测，并不能够实现对支护结构的整体监测，也不能实现对支护结构差异性变化的监测，因此难以得到准确可靠的预警信息，使得整个支护结构存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深基坑支护结构及其稳定性监测预警系统，以解决现有技术中的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

一种深基坑支护结构，包括贴合基坑设置的支护挡板以及顺序设置在所述支护挡板外侧的竖直验证板和基坑支柱，所述支护挡板通过多个锚定桩固定基坑侧壁上，所述支护挡板和所述竖直验证板之间通过一级侧向支撑机构连接实现弹性可恢复的支撑，并且在所述竖直验证板和所述基坑支柱之间设置有二级侧向支撑机构以实现刚性支撑；

所述一级侧向支撑机构以弹性可恢复的支撑将深基坑的负载压力横向传递至所述二级侧向支撑机构，所述二级侧向支撑机构以刚性支撑将横向的负载压力传递至所述基坑支柱。

进一步地，所述一级侧向支撑机构包括多个设置在所述支护挡板外侧并垂直于所述支护挡板的支护主筒，在每个所述支护主筒内安装有自动液压伸缩机构，所述自动液压伸缩机构的另一端与所述竖直验证板固定连接。

进一步地，所述支护主筒内部呈中空结构，且在所述支护主筒内固定安装有应力罩板，所述自动液压伸缩机构固定安装在所述应力罩板一侧，位于所述应力罩板另一侧的所述支护主筒内表面固定安装有内应力环，在所述支护主筒外表面对应所述内应力环的位置固定安装有外应力环，所述支护主筒在所述内应力环和所述外应力环的相互作用下抵消所述支护主筒的剪应力。

进一步地，所述自动液压伸缩机构包括安装在所述应力罩板上的液压基座，在所述液压基座上套设有液压杆，且在所述液压杆的另一端安装有与所述竖直验证板连接的锁扣贴板；

所述液压基座和所述应力罩板之间以及所述锁扣贴板和所述竖直验证板之间均为铰接，所述液压杆在液压和负载压力的相互作用下可发生径向的伸缩。

进一步地，所述二级侧向支撑机构包括梯形板，所述梯形板的宽底面与所述竖直验证板接触，且所述梯形板的窄底面与所述基坑支柱接触，在所述梯形板的宽底面上设置有与所述液压杆对应的受力桩，多个所述受力桩之间通过多层的网状支架连接起来形成一体化的蛛网结构，所述梯形板的侧面固定安装有垂直于所述梯形板任意一个底面的托梁，所述托梁顺次将多层的网状支架连接起来形成一体化结构。

进一步地，所述竖直验证板上安装有多组相互交叉的加强棱，每组所述位加强棱均呈直线排列在所述竖直验证板上。

为解决上述技术问题，本发明还进一步提供下述技术方案，一种深基坑支护结构的稳定性监测预警系统，包括：

剪应力位移传感器，设置在支护主筒内壁和外表面，用于监测支护主筒所受剪应力导致支护主筒发生的形变；

伸缩位移传感器，设置在自动液压伸缩机构上，用于监测自动液压伸缩机构的伸缩位移；

角度偏离传感器，设置在竖直验证板上，用于监测竖直验证板在竖直方向上的角度偏转量；

数据分析模块，用于接收所述剪应力位移传感器、伸缩位移传感器和角度偏离传感器的传感信号，并基于接收的所述传感信号分析获得各个被监测位置的形变或位移量；

三维建模模块，基于深基坑支护结构建立三维立体模型，并将所述数据分析模块计算的形变或位移量编入所述三维立体模型，并将所述三维立体模型传输至其它远程终端。

进一步地，所述角度偏离传感器的数量为多组，每组所述角度偏离传感器的数量为多个，且每组多个所述角度偏离传感器呈多个同心圆环状分布在所述自动液压伸缩机构与所述竖直验证板的连接处；

所述角度偏离传感器获得传感信号为多个离散值，将多个离散值按照所述角度偏离传感器的分布位置进行拟合得到径向延伸的目标值，

对获得的多个目标值进行误差修正后确定所述竖直验证板的角度偏转量。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明通过一级侧向支撑机构和二级侧向支撑机构的相互配合在保证支护效果的前提下实现对基坑负载压力的自动适应，并且可以消除基坑剪切力对支护结构的损坏，并且通过设置竖直验证板配合不同类型的传感器实现对基坑支护结构的离散和整体监测，可以准确把握基坑的支护情况以进行及时的预警。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明监测系统的结构框图；

图中的标号分别表示如下：

1-支护挡板；2-竖直验证板；3-基坑支柱；4-锚定桩；5-一级侧向支撑机构；6-二级侧向支撑机构；7-剪应力位移传感器；8-伸缩位移传感器；9-角度偏离传感器；10-数据分析模块；11-三维建模模块；

501-支护主筒；502-自动液压伸缩机构；503-应力罩板；504-内应力环；505-外应力环；506-液压基座；507-液压杆；508-锁扣贴板；

601-梯形板；602-受力桩；603-网状支架；604-托梁。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种深基坑支护结构，包括贴合基坑设置的支护挡板1以及顺序设置在所述支护挡板1外侧的竖直验证板2和基坑支柱3，所述支护挡板1通过多个锚定桩4固定基坑侧壁上，所述支护挡板1和所述竖直验证板2之间通过一级侧向支撑机构5连接实现弹性可恢复的支撑，并且在所述竖直验证板2和所述基坑支柱3之间设置有二级侧向支撑机构6以实现刚性支撑。

在本发明中，所述竖直验证板2上安装有多组相互交叉的加强棱，每组所述位加强棱均呈直线排列在所述竖直验证板2上。竖直验证板2包括两个作用：

第一，竖直验证板2是一块具有刚性结构的平面板，但是其自身并无法支撑能力，竖直验证板2在初始状态时表面是平整的，当深基坑传递压力负载时通过一级侧向支撑机构5将作用力传递至竖直验证板2，从而使得竖直验证板2受到不均衡的作用下发生形变，进而通过设置在竖直验证板2上的传感器监测形变量，从而通过分析获得深基坑负载压力的变化。

第二，由于一级侧向支撑机构5具有弹性能力，且通过内部的铰接结构抵消负载压力的剪应力，因此需要扶正能力确保一级侧向支撑机构5和二级侧向支撑机构6的压力平稳过渡。

正是基于竖直验证板2的上述作用，在本发明中，所述一级侧向支撑机构5以弹性可恢复的支撑将深基坑的负载压力横向传递至所述二级侧向支撑机构6，所述二级侧向支撑机构6以刚性支撑将横向的负载压力传递至所述基坑支柱3。

其中，所述一级侧向支撑机构5包括多个设置在所述支护挡板1外侧并垂直于所述支护挡板1的支护主筒501，在每个所述支护主筒501内安装有自动液压伸缩机构502，所述自动液压伸缩机构502的另一端与所述竖直验证板2固定连接。

所述支护主筒501内部呈中空结构，且在所述支护主筒501内固定安装有应力罩板503，所述自动液压伸缩机构502固定安装在所述应力罩板503一侧。

位于所述应力罩板503另一侧的所述支护主筒501内表面固定安装有内应力环504，在所述支护主筒501外表面对应所述内应力环504的位置固定安装有外应力环505，所述支护主筒501在所述内应力环504和所述外应力环505的相互作用下抵消所述支护主筒501的剪应力。

由于支护主筒501是垂直于支护挡板1安装的，因此在支护的过程中必然会受到剪切力的作用，而根据常识可知，支护主筒501具有强大的轴向支撑能力，然而却不具备对等的抗剪切作用力，即所谓的“抗压不抗剪”。

支护挡板1作用在支护主筒501上剪切力通过分解形成两个方向的作用力，即垂直于支护主筒501作用力和沿支护主筒501轴向的作用力，沿支护主筒501轴向的作用力同样为压应力，暂不考虑，而垂直于支护主筒501作用力需要通过支护主筒501自身的结构来抵消这部分的作用力来消除剪应力的影响。而抵消的方式即在支护主筒501上设置具有相反方向应力。因此，在支护主筒501上设置内应力环504和外应力环505，进一步地，内应力环504和外应力环505可以是错位设置，也可以是在支护主筒501的内、外表面相对设置，内应力环504具有张应力，而外应力环505具有压应力，通过两者的相互配合以实现对支护主筒501剪应力的抵消。

进一步地，所述自动液压伸缩机构502包括安装在所述应力罩板503上的液压基座506，在所述液压基座506上套设有液压杆507，且在所述液压杆507的另一端安装有与所述竖直验证板2连接的锁扣贴板508，所述液压基座506和所述应力罩板503之间以及所述锁扣贴板508和所述竖直验证板2之间均为铰接，所述液压杆507在液压和负载压力的相互作用下可发生径向的伸缩。

该自动液压伸缩机构502还包括液压控制系统，液压基座506和液压杆507均受到液压控制系统的控制，因此设置一个压力阈值，当超过该压力阈值时不再发生伸缩，此时将成为刚性结构将负载压力传递至竖直验证板2上，而当没有超过该压力阈值时可以发生弹性伸缩，即通过自动液压伸缩机构502的自动伸缩功能来适应小范围负载压力的变化，当负载压力变大时液压杆507发生收缩，当负载压力消失或者变小时，此时液压杆507发生伸张。基于自动液压伸缩机构502的动态支撑能力，克服现有刚性支撑结构不能适应负载压力变化的缺陷。

所述二级侧向支撑机构6包括梯形板601，所述梯形板601的宽底面与所述竖直验证板2接触，且所述梯形板601的窄底面与所述基坑支柱3接触，在所述梯形板601的宽底面上设置有与所述液压杆507对应的受力桩602，多个所述受力桩602之间通过多层的网状支架603连接起来形成一体化的蛛网结构，所述梯形板601的侧面固定安装有垂直于所述梯形板601任意一个底面的托梁604，所述托梁604顺次将多层的网状支架603连接起来形成一体化结构。

本实施方式中的二级侧向支撑机构6为刚性支撑结构，其中的梯形板601以形状渐变的形式缩小支撑结构在基坑内所占的体积，从而便于基坑作用，常规的支护结构对于基坑的支护，特别是对于深基坑的支护由于应力支撑的需求往往会占用较大的体积，从而可能影响基坑内的正常作业。本发明中基于一级侧向支撑机构5和二级侧向支撑机构6的相互作用从而可以实现支护结构的体积收缩。

另外，基于前述的深基坑支护结构，还需要考虑到一旦基坑发生情况时需要及时的监测并发出预警信息，以避免造成不必要的生命财产损失。因此，本发明还进一步提供了一种稳定性监测预警系统，如图2所示。

在本发明中，其监测的方式基于三维立体模型将深基坑内的所有的形变或者位移信息均体现出来，并且进一步地可以实现对非均衡变化的监测。在常规的检测预警系统中往往只能是实现对某个特定位置的离散检测，并不能对整体进行检测，更不能实现对整个基坑非均衡变化的检测。然而基坑的支护结构发生意外时往往给出的预警信息就在于非均衡的变化，因此实现对基坑整体的检测才能更及时的进行预警。

具体包括：

①剪应力位移传感器7，设置在支护主筒501内壁和外表面，用于监测支护主筒所受剪应力导致支护主筒501发生的形变。

②伸缩位移传感器8，设置在自动液压伸缩机构502上，用于监测自动液压伸缩机构502的伸缩位移。

对于上述的剪应力位移传感器7和伸缩位移传感器8本质上实现对支护主筒501和自动液压伸缩机构502的离散点监测。

③角度偏离传感器9，设置在竖直验证板2上，用于监测竖直验证板2在竖直方向上的角度偏转量。

其中，需要进一步说明的是，所述角度偏离传感器9的数量为多组，每组所述角度偏离传感器9的数量为多个，且每组多个所述角度偏离传感器9呈多个同心圆环状分布在所述自动液压伸缩机构502与所述竖直验证板2的连接处；

所述角度偏离传感器9获得传感信号为多个离散值，将多个离散值按照所述角度偏离传感器9的分布位置进行拟合得到径向延伸的目标值。

由于角度偏离传感器9是呈同心圆设置的，因此获得了多个离散值后均能够汇聚到圆心中，而圆心的位置的位移量才是自动液压伸缩机构502的真实位移量。

对获得的多个目标值进行误差修正后确定所述竖直验证板2的角度偏转量。在本发明中的误差修正基于拟合的相关系数进行人为的插值修正。

在本发明中由于设置了竖直验证板2，因此可以将多个离散点的变化最终汇聚在竖直验证板2上，通过对竖直验证板2的整体监测从而体现整个基坑的不均衡变化，为预警人员提供参考。

④数据分析模块10，用于接收所述剪应力位移传感器7、伸缩位移传感器8和角度偏离传感器9的传感信号，并基于接收的所述传感信号分析获得各个被监测位置的形变或位移量。

⑤三维建模模块11，基于深基坑支护结构建立三维立体模型，并将所述数据分析模块计算的形变或位移量编入所述三维立体模型，并将所述三维立体模型传输至其它远程终端。

在本发明中由于上述各个传感器均为本领域的常规传感器，在此不对其做进一步的说明和型号选择。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (5)

1.一种深基坑支护结构，其特征在于，包括贴合基坑设置的支护挡板（1）以及顺序设置在所述支护挡板（1）外侧的竖直验证板（2）和基坑支柱（3），所述支护挡板（1）通过多个锚定桩（4）固定基坑侧壁上，所述支护挡板（1）和所述竖直验证板（2）之间通过一级侧向支撑机构（5）连接实现弹性可恢复的支撑，并且在所述竖直验证板（2）和所述基坑支柱（3）之间设置有二级侧向支撑机构（6）以实现刚性支撑；

所述一级侧向支撑机构（5）以弹性可恢复的支撑将深基坑的负载压力横向传递至所述二级侧向支撑机构（6），所述二级侧向支撑机构（6）以刚性支撑将横向的负载压力传递至所述基坑支柱（3）；

所述一级侧向支撑机构（5）包括多个设置在所述支护挡板（1）外侧并垂直于所述支护挡板（1）的支护主筒（501），在每个所述支护主筒（501）内安装有自动液压伸缩机构（502），所述自动液压伸缩机构（502）的另一端与所述竖直验证板（2）固定连接；

所述二级侧向支撑机构（6）包括梯形板（601），所述梯形板（601）的宽底面与所述竖直验证板（2）接触，且所述梯形板（601）的窄底面与所述基坑支柱（3）接触，在所述梯形板（601）的宽底面上设置有与所述自动液压伸缩机构（502）对应的受力桩（602），多个所述受力桩（602）之间通过多层的网状支架（603）连接起来形成一体化的蛛网结构，所述梯形板（601）的侧面固定安装有垂直于所述梯形板（601）任意一个底面的托梁（604），所述托梁（604）顺次将多层的网状支架（603）连接起来形成一体化结构；

所述支护主筒（501）内部呈中空结构，且在所述支护主筒（501）内固定安装有应力罩板（503），所述自动液压伸缩机构（502）固定安装在所述应力罩板（503）一侧，位于所述应力罩板（503）另一侧的所述支护主筒（501）内表面固定安装有内应力环（504），在所述支护主筒（501）外表面对应所述内应力环（504）的位置固定安装有外应力环（505），所述支护主筒（501）在所述内应力环（504）和所述外应力环（505）的相互作用下抵消所述支护主筒（501）的剪应力。

2.根据权利要求1所述的一种深基坑支护结构，其特征在于，所述自动液压伸缩机构（502）包括安装在所述应力罩板（503）上的液压基座（506），在所述液压基座（506）上套设有液压杆（507），且在所述液压杆（507）的另一端安装有与所述竖直验证板（2）连接的锁扣贴板（508）；

所述液压基座（506）和所述应力罩板（503）之间以及所述锁扣贴板（508）和所述竖直验证板（2）之间均为铰接，所述液压杆（507）在液压和负载压力的相互作用下可发生径向的伸缩。

3.根据权利要求1所述的一种深基坑支护结构，其特征在于，所述竖直验证板（2）上安装有多组相互交叉的加强棱，每组所述加强棱均呈直线排列在所述竖直验证板（2）上。

4.一种基于权利要求1-3任一项所述深基坑支护结构的稳定性监测预警系统，其特征在于，包括：

剪应力位移传感器（7），设置在支护主筒（501）内壁和外表面，用于监测支护主筒所受剪应力导致支护主筒（501）发生的形变；

伸缩位移传感器（8），设置在自动液压伸缩机构（502）上，用于监测自动液压伸缩机构（502）的伸缩位移；

角度偏离传感器（9），设置在竖直验证板（2）上，用于监测竖直验证板（2）在竖直方向上的角度偏转量；

数据分析模块（10），用于接收所述剪应力位移传感器（7）、伸缩位移传感器（8）和角度偏离传感器（9）的传感信号，并基于接收的所述传感信号分析获得各个被监测位置的形变或位移量；

三维建模模块（11），基于深基坑支护结构建立三维立体模型，并将所述数据分析模块计算的形变或位移量编入所述三维立体模型，并将所述三维立体模型传输至其它远程终端。

5.根据权利要求4所述的一种深基坑支护结构的稳定性监测预警系统，其特征在于，所述角度偏离传感器（9）的数量为多组，每组所述角度偏离传感器（9）的数量为多个，且每组多个所述角度偏离传感器（9）呈多个同心圆环状分布在所述自动液压伸缩机构（502）与所述竖直验证板（2）的连接处；

所述角度偏离传感器（9）获得传感信号为多个离散值，将多个离散值按照所述角度偏离传感器（9）的分布位置进行拟合得到径向延伸的目标值，

对获得的多个目标值进行误差修正后确定所述竖直验证板（2）的角度偏转量。

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