基坑工程監測項目初始值采集時間研究

徐國勇

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司 北京 100101)

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基坑工程監測項目初始值采集時間研究

徐國勇

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司 北京 100101)

基于多個基坑工程監測實例，通過對不同的施工階段監測數據變化量與現行規范規定的控制值進行對比，分析不同的監測項目初始值采集時間對監測結果的影響程度?？偨Y出圍護墻頂部水平位移、深層水平位移、鋼筋混凝土支撐內力、周邊建筑豎向位移等監測項目合理的初始值采集時間，為基坑工程監測結果的科學性、監測評價的準確性奠定基礎。

城市軌道交通；基坑監測；初始值；地下連續墻

20世紀80年代以來，我國高層建筑和地下工程得到了迅猛發展，基坑工程的重要性逐漸被人們所認識，基坑工程監測技術也不斷完善和發展。

為業主提供可靠的監測結果和評價，用以判斷基坑工程自身安全和周邊環境安全，是基坑監測的目的之一?；庸こ淌┕と^程(支護結構施工、基坑降水、基坑開挖、基坑使用、支撐拆除、地下水位恢復)均可引起支護體系和坑內外土體產生變形[1]。合理確定基坑工程監測初始值的采集時間，可以提高監測結果的科學性、監測評價的準確性。筆者通過統計相關監測數據并進行分析，結合基坑監測目的和監測效果，系統闡述了目前基坑工程監測項目合理的初始值采集時間，為準確、及時地評價基坑自身及周邊環境安全狀態奠定了基礎。

1 基坑工程監測初始值采集時間現狀

住房和城鄉建設部與國家質量監督檢驗檢疫總局相繼聯合發布了《建筑基坑工程監測技 術 規 范》和《城市軌道交通工程監測技術規范》。其中，在監測初始值采集時間方面，《建筑基坑工程監測技術規范》第6.1.5條規定，監測項目初始值應在相關施工工序之前測定，并取至少連續觀測3次穩定值的平均值[2]。《城市軌道交通工程監測技術規范》第7.1.6條規定，工程周邊環境與周圍巖土體監測點應在施工之前埋設，工程支護結構監測點應在支護結構施工工程中及時埋設。監測點埋設并穩定后，應至少連續獨立進行3次觀測，并取其穩定值的平均值作為初始值[3]。

目前，我國各城市主要參考現行相關規范并根據基坑工程施工時的幾個關鍵時間節點，對各監測項目初始值采集時間提出要求。初始值采集時間的節點主要有圍護結構施工前、基坑降水前和基坑開挖前。但筆者在搜集了北京、天津、廣州、上海、蘭州、南寧等6個城市基坑工程部分監測項目的初始值采集時間(見表1)后發現，各城市仍存在較明顯的差異。

經過考察發現，大部分城市基坑工程監測以基坑開挖為節點進行各監測項目的初始值采集。各城市周邊地表和周邊建筑物的豎向位移監測項目的初始值采集時間差異較大。需要說明的是，上海地區在基坑降水期間對周邊建筑豎向位移進行監測，但一般在基坑開挖前重新采集初始值且數據不連續累計，因此認為其各監測項目均在基坑開挖前采集初始值。

天津地區基坑工程的監測，在圍護結構施作期即對周邊地表豎向位移、周邊建筑豎向位移進行監測，且在基坑降水期間即對圍護墻頂部位移、深層水平位移、立柱豎向位移、支撐內力進行監測，初始值采集時間相對其他城市最早。

表1 初始值采集時間

注：圍護結構施工前● 基坑降水前▲ 基坑開挖前■

2 監測項目初始值采集時間影響分析

2.1 圍護墻頂部水平位移

國內一些學者鄭剛等[4]對基坑開挖前的預降水引起的地下連續墻向基坑內位移做過研究。研究結果表明，如果降水前基坑不施工墻頂側向支撐，地連墻將發生懸臂型側移，墻頂最大側移可達10 mm。

以地下連續墻的圍護結構形式、一級基坑的報警值為例，相關規范中規定圍護墻頂部水平位移的累計絕對值為25～30 mm。在基坑開挖前的預降水期間，如果墻頂向基坑內位移10 mm，則圍護結構發生的水平位移階段變化量將占最大報警值的33%，比例非?？捎^。由此可見，圍護墻頂部位移的初始值是否在基坑降水前采集，對其累計變形量影響顯著。

由于在基坑開挖期間，圍護墻頂部水平位移會隨時間(開挖深度)的增加而不斷增大[5]，且與開挖前預降水期間變形方向一致。如果圍護墻頂部水平位移在預降水前采集初始值，則必然導致實測值累計變形量大于受基坑開挖影響的累計變形量，可能出現危險報警時間提前的情況，施工單位將因此采取應急處理措施，增加了施工單位不必要的時間和資金成本。

基坑開挖前的預降水期間，圍護結構頂部水平位移不會對未開挖的基坑穩定性產生影響，在基坑開挖前的預降水期間，擬開挖的基坑自身顯然是安全穩定的。如果圍護墻頂部水平位移采集時間過早，將會影響通過監測數據對基坑自身安全及穩定性的判定。

綜合考慮，筆者認為圍護墻水平位移的初始值在基坑開挖前采集較為合理。

2.2 圍護墻深層水平位移

國內學者對基坑開挖前的預降水引起地下連續墻體深層水平位移做過研究。研究表明，如果降水前不施工墻頂側向支撐，墻體最大側移會發生在墻頂處，可達10 mm左右；如果降水前施工墻頂側向支撐，墻體會發生內凸型側移，最大側移發生在墻頂以下一定深度，向基坑內位移值可達4 mm左右[4]。

以巖土類型為堅硬或中硬土，圍護結構形式為地下連續墻，工程監測等級為一級的基坑控制值為例，相關規范中規定墻體水平位移的累計絕對值為20～30 mm?；谏鲜鲅芯拷Y果分析，在基坑開挖前的預降水期間，墻體水平位移階段變化量將占上述最大控制值的13%～33%。由此可見，深層水平位移的初始值是否在基坑降水前采集，對其累計變形量影響顯著。

墻體水平位移在基坑開挖期間一般表現為向坑內位移，且與開挖前預降水期間變形方向一致。然而，圍護結構墻體在基坑未開挖時可能產生少量變形，但基坑自身仍然是安全穩定的。將基坑未開挖的前期預降水階段圍護結構墻體變形量計入基坑開挖階段圍護結構墻體變形量，缺乏合理性且必然導致實測值累計變形量明顯大于受基坑開挖影響的累計變形量，可能出現預警時間提前的情況，將會增加施工單位不必要的時間和資金成本。

此外，圍護結構墻體水平位移監測在現行相關規范中也沒有考慮圍護結構成槽時傾斜度的影響，從另一方面印證了圍護結構墻體水平位移監測初始值在基坑降水前采集的不合理性。

筆者認為，圍護結構墻體水平位移監測初始值在基坑開挖前采集較為合理。

2.3 鋼筋混凝土支撐內力

一般情況下，鋼筋混凝土支撐達到設計強度的90%以上，才能進行基坑的下一層土方開挖[6]。在開挖過程中，鋼筋混凝土支撐內力監測通常采用埋設鋼筋應力計的測試方法，將鋼筋應力計截面受力換算成鋼筋混凝土支撐截面的受力[7]。受混凝土收縮徐變、環境溫度、鋼筋混凝土支撐自重等多方面因素影響，通過此種監測方法計算出的鋼筋混凝土支撐內力會有偏大的現象。通過統計天津地區基坑監測相關數據表明，在基坑土方開挖深度小于5 m時，出現首層鋼筋混凝土支撐內力報警的情況約占所統計鋼筋混凝土支撐總數量的70%左右。

天津地區大量監測數據表明，在基坑土方開挖前1 d至其正下方土體開挖(開挖深度小于5 m)且支撐整體處于懸臂狀態后1 d內，鋼筋混凝土支撐內力迅速增大。在此階段，支撐內力約1～2 d的階段變化量約占支撐內力歷史最大值的30%～60%?？梢姡穗A段其內力增長較為異常。在基坑開挖初期，鋼筋混凝土支撐由基坑開挖前基本不受力狀態轉換為懸臂狀態，且考慮到此時開挖深度相對較小，推斷其內力的異常增長主要由鋼筋混凝土支撐自身重量引起。

為印證以上推斷，在某工程首層鋼筋混凝土中部布設沉降觀測點，繪制基坑內開始降水至土方開挖1 d后，沉降觀測點變化的時程曲線(見圖1)。其中，沉降觀測點ZCC9、ZCC8、ZCC10所在鋼筋混凝土支撐跨度分別為35.4、32.0、21 m?？梢钥闯?，在基坑內降水中期和土方開挖初期，鋼筋混凝土支撐沉降速率最大；鋼筋混凝土支撐中部在基坑內降水至土方開挖1 d后的期間內分別產生了約47、27、24 mm的沉降量，且沉降量與支撐跨度正相關。由此推斷，鋼筋混凝土支撐受自重下沉影響，內力變化顯著。

圖1 鋼筋混凝土支撐沉降時程曲線

綜上所述，鋼筋混凝土支撐內力初始值采集時間的選取宜盡量同時滿足以下條件：

1) 在混凝土達到齡期后進行初始值采集，以減少混凝土收縮、徐變對支撐內力的影響；

2) 應避開特殊天氣(如雨雪等)，并選擇上午光照前溫差相對較小時采集為宜，從而減小溫度對內力的影響；

3) 在鋼筋混凝土支撐下方土體開挖，并在其處于懸臂狀態1 d后采集初始值，從而最大限度消除支撐自重對其內力的影響。

通過實踐表明，在遵循上述鋼筋混凝土支撐初始值采集時間的條件后，可以有效減少鋼筋混凝土支撐內力過早報警的情況，顯著改善鋼筋混凝土支撐內力測值偏大的現象[8]，可以更加真實地反映支撐體系的受力狀態。

2.4 周邊建筑物豎向位移

基坑圍護結構在施工階段可能對周邊建筑物沉降產生較大影響。以某基坑工程為例，其圍護結構采用800 mm厚地下連續墻并截斷第2層承壓水。地下連續墻槽段距建筑物(建造年代為70年代，為地上5層砌體結構，筏板基礎)最近處約5 m。臨近地下連續墻施工槽段附近建筑物有第三方監測單位布設的沉降觀測點JGC-15、JGC-16、JGC-17(見圖2)。

圖2 基坑與建筑物位置關系

在施工地下連續墻時，周邊建筑物豎向位移監測點即產生了約8 mm的沉降，地下連續墻施工完成后建筑物沉降趨于平穩(見圖3)。

圖3 建筑物豎向位移變化時程曲線

監測數據表明，在圍護結構施工階段，此建筑物產生了8 mm的沉降，占此建筑物沉降控制值20 mm的40%?？梢?，建筑物豎向位移在基坑圍護結構施工前采集初始值的必要性。

此外，即使基坑土方未開挖，基坑坑內降水引起的土層壓密也會導致鄰近建筑物沉降[9]。筆者以基坑為對象，對基坑周邊建筑物在基坑開挖預降水階段的最大沉降值進行了統計。在參與統計的18個基坑中，14個基坑工程在開挖前的預降水階段，其周邊建筑物最大沉降值在3 mm以內，沒有出現明顯異常，占所統計基坑數量的77.8%；有3個基坑工程在開挖前預降水階段，周邊建筑物沉降最大值在6～10 mm，占所統計基坑數量的16.7%；個別基坑工程周邊建筑物沉降最大值達到了10 mm以上，占所統計基坑數量的5.5%?？梢?，基坑工程在開挖前的預降水階段，其周邊建筑物沉降出現異常的可能性不容忽視。

以某基坑工程為例，其圍護結構采用800 mm厚地下連續墻并截斷第二層承壓水。周邊建筑物(建造年代為70年代，為地上6層砌體結構，筏板基礎)距基坑圍護結構邊緣最近處約10.5 m。理論上，基坑內降水不會對周邊環境造成較大影響，但在基坑開挖前的降水階段，由于未預見因素的影響，周邊建筑物出現了明顯的下沉趨勢(見圖4)。

圖4 建筑物豎向位移時程曲線

此外，基坑工程一般在坑內施工降水井的同時，還在坑外進行觀測井施工，某些工序可能對地下水位產生影響，進而影響到周邊建筑物。因此，在基坑內外降水相關施工活動開始前，應對周邊建筑物進行豎向位移的初始值采集。

綜合考慮，認為基坑周邊建筑物豎向位移初始值在圍護結構施工前采集較為合理。

2.5 其他監測項目

通過多種方法和途徑對基坑自身和其周邊環境各對象進行監測，各監測項目監測數據互相印證，才能更準確地對基坑自身和周邊環境安全做出準確判定。對上述監測項目外的其他監測項目，適時進行初始值采集同樣十分重要，例如周邊地表豎向位移、立柱豎向位移等。

通常，地下連續墻施工階段施工場地內硬化條件并不十分完善，大型施工機械較多，基坑周邊地表受施工機械擾動情況突出，測點保護困難，地表豎向位移監測很難順利、連續地實施。筆者認為，地表豎向位移作為間接反映基坑自身及周邊環境安全狀態的一種手段，其初始值在基坑降水施工前采集為宜。

立柱豎向位移是體現基坑安全狀態的重要指標之一。在基坑工程中，立柱常與支撐體系連接，承擔支撐的重量，作為支撐體系承重結構的一部分。立柱豎向位移變形會影響水平支撐的豎向撓度[10]，進而影響支撐體系安全。顯然，影響基坑支撐體系安全的施工階段主要在基坑開挖階段，因此立柱豎向位移的初始值在基坑開挖前采集較為合理。

圍護墻頂部豎向位移初始值在基坑開挖前采集較為合理，原因與立柱豎向位移相似，這里不再贅述。

3 結論

本文通過統計分析相關監測數據，并結合基坑監測目的和監測效果，對基坑工程部分監測項目的初始值采集時間進行了總結和分析，得出以下結論：

1) 圍護墻頂部水平位移和豎向位移、深層水平位移、周邊地表豎向位移、立柱豎向位移的初始值應在基坑開挖前采集；

2) 鋼筋混凝土支撐內力初始值在其下方土體開挖，并在其處于懸臂狀態1 d后采集；

3) 周邊建筑物豎向位移初始值在圍護結構施工前采集。

隨著新的監測設備和傳感器的開發與應用，基坑工程監測技術也將得到不斷發展，不斷探索合理的監測初始值采集時間，才能夠系統、準確地反映基坑及周邊環境的受力與變形的重要變化過程。

[1] 李光照，鄭剛.軟土地區深基坑工程存在的變形與穩定問題及其控制[J].施工技術，2011，40(7)： 5-9.

[2] 建筑基坑工程監測技術規范：GB 50497—2009[S].北京：中國計劃出版社，2009：16.

[3] 城市軌道交通工程監測技術規范：GB 50911—2013[S].北京：中國建筑工業出版社，2014：33.

[4] 鄭剛，曾超峰.基坑開挖前潛水降水引起的地下連續墻側移研究[J] .巖土工程學報，2013，35(12)：2153-2163.

[5] 葉強，吳慶令.某深基坑工程的監測分析與變形特征 [J].巖土工程學報，2010，32 (S2)：541-544.

[6] 逯登軍，楊大利.鋼支撐與混凝土支撐施工分析[J].天津建設科技，2015，25(1)：19-21.

[7] 方大勇，周輝.圍護結構混凝土支撐軸力計算中的徐變分析研究[J].廣東水利水電，2006，8(4)：11-13.

[8] 胡正亮.基坑工程中混凝土支撐內力監測結果異常分析[J] .西部探礦工程，2007，19(2)：2-3.

[9] 鄭剛.天津市地下工程中地下水的影響及控制 [J] .施工技術，2010，39(9)：1-12.

[10] 樓曉明，楊晶，李德寧.立柱樁在深基坑分布開挖過程中的上拔位移分析[J].巖土工程學報，2013，35(1)：193-198.

(編輯：郝京紅)

Acquisition Time of Initial Value for Excavation Engineering Monitoring

Xu Guoyong

(Beijing Urban Construction Exploration & Surveying Design Research Institute Co., Ltd., Beijing 100101)

The article is based on a number of foundation pits engineering monitoring examples by comparing the monitoring data to the controlled value of the current code in different construction stages. Analysis results on the influence of initial value acquisition time of different monitoring projects are carried out. The reasonable acquisition time for initial monitoring values is concluded for the wall top horizontal displacement, deep horizontal displacement, internal force of reinforced concrete support and vertical displacement for surrounding buildings etc., which laid a foundation for scientific monitoring and evaluation and the accuracy of monitoring results of the foundation pit engineering.

urban rail transit; monitoring of excavation; initial displacements; underground continuous wall

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.021

2015-07-14

2015-08-15

徐國勇，男，本科，學士學位，分院副院長，工程師，從事軌道交通工程監測工作，17192040@qq.com

U231.1

A

1672-6073(2016)04-0093-05