靜力水準在超深基坑中間柱沉降實時遠程監測中的應用

馬召林，李元海，李 竹

(1.中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南 洛陽 471009;2.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008;3.天津城投建設有限公司，天津 300381)

0 引言

隨著城市高層建筑和地鐵的建設發展，出現了越來越多的超深基坑工程。超深基坑開挖引起周邊土體變形，對基坑圍護結構和環境產生影響，嚴重時將影響結構的正常使用，甚至導致結構本身或周邊環境的破壞，造成資金重大損失和人員傷亡，在工程建設中不乏慘重教訓［1］。因此，必須重視信息化施工在工程安全監控中的重要作用［2－4］。由于環境條件的限制，技術人員實地進行數據采集往往不夠全面，或存在不可避免的誤差。因此，在開挖過程實施跟蹤監測，并將信息及時反饋，及時掌握支護結構和基坑內外土體移動，隨時調整施工參數，優化設計，或采取相應措施，以確保施工安全順利進行。在超深基坑工程監測中，除了使用常規監測方法外，還根據工程特點及監測新方法的適用條件，針對深基坑的立柱沉降監測，選擇使用靜力水準儀測量等新技術。與采用全站儀、GPS等儀器的傳統監測方法相比，遠程自動化監測具有及時性、準確性和快速性。隨著近年來我國科技的攻關，其技術日趨成熟，并在工民建［5］、水利水電［6］、地鐵［7］等行業中得到成功運用。由于特殊的工作環境，導致地鐵工程對監測的精度、遠程控制和實時性要求將越來越高，因此，遠程自動化監測技術必然成為地鐵監測工作中的一項重要手段，具有廣泛的推廣價值。

本文基于自動化監測技術，建立靜力水準遠程實時監測系統，對天津站交通樞紐主基坑工程蓋挖結構施工過程中的中間柱［8］進行遠程實時監測，為工程安全施工提供信息技術服務。無論是從保證天津站交通樞紐主基坑工程的施工安全和風險控制，還是為后續類似工程積累經驗，以及提升信息化施工技術水平方面都具有重要意義。

1 工程概況

1.1 工程簡介

天津站交通樞紐工程是集普速鐵路、京津城際高速鐵路、城市軌道交通、公交和周邊市政道路于一體的特大型綜合項目。集中在以鐵路天津站前后廣場為核心，東至李公樓立交橋，西至五經路，南至海河，北至新開路區域范圍內。工程范圍包含站后交通廣場、站前景觀廣場和相關市政交通工程。其中，站后交通廣場集中了地鐵2，3，9號線天津站、京津城際高速鐵路天津站及站后公交樞紐、停車樓等市政配套工程。建設總面積為456 200 m2。

天津站交通樞紐工程的主基坑工程位于后廣場，主要由1—4標段組成，包括地鐵2，9號線天津站蓋挖逆作施工，地鐵3號線(含地鐵2，9號線結點部分)天津站工程，地鐵2，9號線天津站站后明挖區間與停車樓工程，1，2標采用蓋挖逆作施工，3，4標采用明挖施工。

土建2標位于擬建城際鐵路站房西側的地下，東西長約230 m，南北向寬30～150 m，占地面積約1.98萬m2，開挖深度25～30 m，采用蓋挖逆作法施工。圍護結構采用地下連續墻，墻深49～55 m，墻厚1.2 m。工程樁采用φ2 200 mm鉆孔灌注樁，孔深65～88 m，有效樁長50 m左右，此部分鉆孔灌注樁在施工期間為豎向支撐體系的一部分，在使用階段作為抗浮樁使用;樁上采用φ1 000 mm鋼管混凝土永久柱和φ800 mm鋼管柱作為豎向支撐結構，柱內灌C50微膨脹混凝土。2標段Z28～Z169中間樁柱監測點布置示意圖如圖1所示。

1.2 天津站基坑蓋挖法中間柱受力特點

天津站交通樞紐第2標段采用蓋挖逆作法施工。中間設多排中間立柱，它既是蓋挖逆作期間的臨時支柱，又是車站結構的重要承載傳力結構。中間立柱采用1 000 mm鋼管柱。中間立柱基礎采用C30、S10鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，設計樁徑2.2 m，樁最深達80 m。中間立柱與車站梁、板結構相接形成結點結構。確保中間樁基礎成孔質量、防止塌孔及中間柱的安裝精度，平面定位精度、垂直定位精度是決定能否安全優質完成天津站工程任務的關鍵。

圖1 Z28～Z169中間柱監測點布置示意圖Fig.1 Layout of monitoring points of Z28～Z169 intermediate columns

蓋挖逆作法中間樁柱主要承受豎向荷載，施工階段豎向荷載在中間柱和邊墻之間分配，結構封底后，豎向荷載在中間柱、邊墻和底板之間分配。在基坑開挖和形成結構的過程中，由于垂直荷載增加和土體卸載的影響，將會引起中間柱之間、邊墻和中間柱之間的差異沉降，由此而產生的對結構體系的影響比明挖順筑法嚴重得多。豎向支撐體系過大的差異沉降，不僅會在頂、中板等水平構件中產生過大的附加應力，而且給節點連接帶來困難［5］。設計對中間柱的總沉降值要求不大于20 mm，差異沉降不大于15 mm，需要在施工中對中間樁柱的沉降進行適時監控，動態控制差異沉降。

2 靜力水準遠程自動化安全監測技術原理及特點

2.1 原理

靜力水準測量是按照流體在重力作用下總是保持同一水平這一基本原理來實現的。全套設備主要包括測高儀、多用途可調電源、連通管和蓄水罐等部件。測高儀工作核心部分是測量探頭，當水面停止在某一水平面時，探針跟蹤到水平面即停止動作，從測高儀豎尺及測微表盤上即可得出讀數。它是根據固定在監測點上眾多單元的內液面相對變化來確定監測點的相對沉降或隆起，將待測區域的沉降隆起與基準點相比較即可得到施工影響區內的測點的絕對沉降隆起量。測試原理如圖2所示。

圖2 靜力水準儀原理示意圖Fig.2 Principle of hydrostatic leveling

儀器由主體容器、連通管、電容傳感器等部分組成。當儀器主體安裝墩發生高程變化時，主體容器相對該位置產生液面變化，引起裝有中間極的浮子與固定在容器頂的一組電容極板間的相對位置發生變化，通過測量裝置測出電容比的變化即可計算得到測點的相對沉降。

2.2 靜力水準測量的主要特點

1)靜力水準裝置具有良好的精度。即使用于野外作業，只要將各觀測頭間的溫差控制在±2℃，并采取一定的防風措施，該裝置完全能夠達到±0.1 mm的精度。

2)結構簡單、監測點多、測量范圍大、實時監測、遠程控制、施工和維護工作量少。

3)靜力水準遠程自動化監測技術具有數據采集自動化、實時監測、遠程控制、防電及防干擾能力強、測量精度高等常規監測技術無法比擬的優點。

3 靜力水準遠程自動化安全監測實施方案

靜力水準遠程自動化監測技術滿足中間柱沉隆控制高標準的要求。對于蓋挖法基坑工程來說，測點布設及監測可在蓋挖頂板施作完成后，下部開挖施工開始并具備測點埋設工作空間后開始，將儀器及線路布設于中間柱上并采取保護措施后與主控電腦連接，隨之結合工況進行日常監測數據的采集工作。

本技術作為蓋挖法結構的中間柱沉隆監測技術，首次應用于超大基坑工程，無成功先例可以借鑒，實施過程中存在測點數量多、安裝復雜、施工影響大等困難。對此，應在實施過程中進行周密地部署、組織，通過業主、施工單位的協調、配合，積極進行新技術創新研究，從而確保本技術在實踐中得以成功應用。

3.1 靜力水準監測系統

根據天津站交通樞紐主基坑工程的特點及相應監測經驗，采用DAMS－5Ⅳ型智能分布式工程安全監測系統來實現遠程監測的目的，此系統在北京相關地鐵穿越工程施工中有過成功使用的先例，系統由沉降觀測的數據自動化采集系統和工程安全監控管理系統2部分組成，如圖3所示。

圖3 遠程自動化監控系統構成圖Fig.3 Remote and automatic monitoring system

數據自動采集系統由電容感應式靜力水準儀、電容感應式位移計、電水平梁式傾斜儀、數據采集智能模塊、監控主機和計算機等構成。數據自動采集系統具有監測、顯示、操作、數據存儲、綜合信息管理、系統自檢、遠程控制、安全管理和防電等功能，并具有抗干擾能力強、測量精度高的優點。同時，數據采集智能模塊的數據采集單元具有實時時鐘管理、參數及數據掉電保護、電源備用、自診斷、抗電、選測和單測等功能。

3.2 靜力水準監測系統安裝

現場安裝前對數據采集模塊進行拷機及相關試驗，對模塊進行篩選，確保其達到規定技術指標。數據采集單元DAU 2000的安裝位置按安裝圖施工，要考慮儀器接入，DAU維護方便，一般在觀測站高度不宜超過1.6 m，用4個地腳螺栓連接，安裝后機箱平整，儀器進線整齊、標識明確，信號線、通訊線、電源線與DAU接線端子的接頭均用鍍銀冷壓接頭，以保證可靠性。將機箱的接地端子連接到觀測站地線上。DAU 2000安裝如圖4所示，現場水準斷面與采集單元設置如圖5所示。

4 靜力水準監測結果及分析

4.1 中間柱累計沉降分析

根據2標段靜力水準數據分析，Z28～Z169中間柱隆起變化如圖6所示。

圖6 Z28～Z169中間柱隆起變化圖Fig.6 Uplifting of Z28～Z169 intermediate columns

由圖6分析可知，2標自2008年9月負二層土方開始開挖，開挖深度約6.60 m，到11月初開挖完成，該階段中間柱隆起值為7.03～14.75 mm，結合1標靜力水準分析，1標負二層開挖中間柱隆起12 mm左右，2標隆起值要比1標偏大，但相差不大，其隆起范圍都在10～15 mm。

在負二層層板施作階段，中間柱沉降比較穩定，沉降變化為－1.46～0.23 mm，平均都有小于1 mm的下沉量。2標負三層自2009年3月開挖至今，開挖深度在7.04 m左右，基本開挖完成，該階段隆起最大值為19.41 mm(Z157)，最大累計隆起量已達到34.94 mm。根據1標數據分析(1標負三層開挖隆起15 mm左右)，2標負三層開挖隆起量與所預測的15～20 mm基本相符合，隨著負三層底板施作，預計沉降變化值在1 mm左右，隆起將開始趨于穩定。

Z52至東側邊墻中間柱隆起變化數據分析如圖7所示。

圖7 Z52～東側邊墻中間柱隆起變化圖Fig.7 Uplifting of Z52～Z57 intermediate columns and the east wall

2標短軸方向中間柱隆起，在負二層開挖期間，隆起量為7.72～10.28 mm，在負二層層板施作階段，沉降變化較小，為 －1.12～0.26 mm;負三層開挖至今，已基本開挖完畢，累計隆起量為13.67～25.63 mm，平均在21 mm左右，最大值為25.63 mm(Z54)，與長軸方向隆起值相比偏小，負三層開挖階段，隆起量為7.97～15.84 mm，與前期隆起預測值相接近。但大部分已超過中間柱隆起控制值(中間樁柱隆起控制值為20 mm)。

4.2 中間柱差異沉降分析

中間柱隆起的差異沉降是控制主體結構產生裂縫進而發生破壞的重要參數，因此應在施工過程中嚴格控制其發展趨勢。在此研究相鄰柱差異沉降的影響，對于相鄰柱差異沉降控制值按設計為10 mm。

長軸方向選取比較典型的幾組相鄰柱進行比較分析，差異沉降變化圖如圖8和圖9所示。

圖8 Z28～Z169中間柱差異沉降變化圖Fig.8 Differential settlement of Z28～Z169 intermediate columns

南北向中間相鄰柱差異沉降最大值為3.78 mm(Z85～Z68)。Z28～Z169中間柱差異沉降為1.02～3.78 mm。

由圖8可知，目前在基坑開挖和主體結構施工過程中，中間柱隆沉未產生較大的差異值，主體結構暫時處于相對穩定狀態。但是，由于累計隆起值相對較大，仍需施工單位能夠及時采取有效的措施，抑制中間柱的持續隆起趨勢，控制其累計隆起值，保證結構安全可控。

圖9 Z52至東側邊墻中間柱差異沉降變化圖Fig.9 Differential settlement of Z52～Z57 intermediate columns and the east wall

由圖9可以看出，東西向中間相鄰柱差異沉降最大值為5.65 mm(Z56～Z57)，整體差異沉降值為0.79～5.65 mm，也未產生較大的沉降差異值，所有相鄰柱差異沉降量均在控制值范圍內，整體能夠保證結構的安全可控與穩定。

綜上分析，2標基坑中間柱表現出隆起的趨勢，且累計隆起值相對都較大，目前基坑中間柱最大累計隆起值達到了34.94 mm(Z157)，中間樁柱隆起控制值為20 mm。通過對監測數據整理分析可知，基坑土方開挖過程中，中間柱主要呈現隆起趨勢，在層板澆筑階段，柱的沉降變化不大，并有一定下沉量，說明層板澆筑對中間柱隆起有一定抑制作用，因此，為控制中間柱隆起值過大，應盡量加快土方開挖和層板施作等措施。

對于超深基坑，大面積開挖所帶來的隆起影響程度和范圍要遠遠超過普通基坑，但從目前主體結構狀態來看，并未出現明顯異常，結構本身并未因為隆起量超過控制值而產生破壞，因此，在隆起量控制上一方面施工本身應根據監測情況采取積極措施加強控制，另一方面應根據實際情況適當放寬控制值，期間繼續加強觀測，并對結構狀態進行觀察，最終制定合適的控制量來指導施工，做到既不讓理論數據約束手腳，又能保證結構安全，特殊情況特殊處理。

4.3 中間柱隆起控制分析

雖然隆起量超標，但由于其較為均勻，目前結構本身并未發現明顯異常，仍處于安全狀態。所以，在基坑開挖過程中，可適當放寬中間柱累計隆起控制值。考慮開挖面積和開挖深度的影響，對中間柱隆起應確定合適的安全控制值，嚴格控制差異沉降。開挖深度對中間柱隆起影響變化如圖10所示。

圖10 典型柱隆起隨深度變化圖Fig.10 Relationship between uplifting and excavation depth

由圖10可知:至2009年5月15日負三層開挖完成，Z52東側邊墻軸線方向，開挖長度約為57 m，中間柱隆起最大值發生在 Z55鋼管柱，最大隆起值為25.63 mm;Z28～Z169軸線方向，開挖長度122 m，中間柱隆起最大值發生在Z157鋼管柱，為34.94 mm。

根據靜力水準對中間柱隆起監測數據以及擬合分析，表1給出了基坑開挖過程中對中間柱累計隆起值的控制標準，并且可以根據開挖深度的不同及分層開挖不同階段制定不同的控制標準。2標段負三層開挖完成后，在差異沉降控制值不超過10 mm的情況下，可將累計沉降控制值在Z28～Z169軸線方向調整為35～40 mm，在 Z52～Z57軸線方向調整為25～30 mm，既能夠保證結構安全可控，又能夠保證施工順利進行。

表1 基坑開挖深度與長度對中間柱最大隆起值Table 1 Relationship among maximum intermediate column uplifting，excavation depth and excavation length

5 結論及建議

本文詳細介紹了靜力水準遠程自動化安全遠程實時監測技術的原理、特點、功能以及實際監測實施方案，同時，對天津站交通樞紐主基坑工程采用該監測技術得到的數據結果進行了分析。通過靜力水準監測技術的實際應用及對中間柱隆沉監測結果分析，得出如下結論與建議。

1)靜力水準遠程自動化監測技術具有數據采集自動化、實時監測、遠程控制、測量精度高等優點，滿足超深基坑蓋挖法的中間柱沉隆控制的自動化遠程實時監測要求。

2)天津站蓋挖法中間樁柱在施工過程中絕對沉降值為 13.82 ～45.17 mm，隆起值為 1.42 ～34.94 mm，差異沉降為1.02 ～14.65 mm(滿足規范0.000 2L要求)。

3)天津站部分中間樁柱最大沉隆值超過控制標準，但實際支撐結構均處于安全狀態，因此，建議其控制基準值可根據開挖深度及開挖階段適當增大，以保證結構安全可控和施工的順利進行。

4)蓋挖法中間柱靜力水準遠程實時監測技術應用存在的主要問題表現在實施過程中測點數量多、安裝復雜、施工影響較大等問題，在后續應用中有待改進或研究解決。

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