明挖地鐵車站深基坑開挖監測研究

李楠楠 馬筠杰

(大連財經學院 工商管理學院 遼寧 大連 116622)

明挖地鐵車站深基坑開挖監測研究

李楠楠 馬筠杰

(大連財經學院 工商管理學院 遼寧 大連 116622)

本文從地鐵車站深基坑開挖施工的必要性出發，對深基坑開挖監測的特點、適用范圍、工藝原理、工藝流程、監測方式與方法等幾個方面進行了系統研究。研究成果可為類似工程提供依據。

深基坑開挖；監測；測斜管；鋼筋計

地鐵工程中，明挖車站由于結構受力合理，使用功能好，施工方法簡單、技術成熟、工期短、造價低而被廣泛應用。明挖車站施工過程中，為了掌握基坑穩定性情況，基坑監測工作至關重要。本文從地鐵車站深基坑開挖施工的必要性出發，對深基坑開挖監測的特點、適用范圍、工藝原理、工藝流程、監測方式與方法等幾個方面進行系統研究，以期為類似工程提供借鑒。

1.地鐵車站深基坑開挖監測的必要性

在車站深基坑的設計施工過程中，由于地質條件、荷載條件、材料性質、施工條件和外界其它條件的影響，而且基于當前土壓力計算理論和邊坡計算模型的局限性，很難單純從理論上預測工程中可能遇到的問題。所以在基坑的開挖施工中，對支護結構、臨近建筑物、地下管線以及周圍土體等在理論分析指導下有計劃的監測，利用其反饋的信息和數據，對基坑支護進行動態設計，是十分必要的。一方面可及時采取技術措施防止發生重大工程事故，另一方面亦可為完善計算理論提供依據。

2.地鐵車站深基坑開挖監測的特點

（1）監測對象的代表性、針對性

由于監測儀器的昂貴，監測數據的測讀、處理的繁瑣，布置測點不可能面面俱到，因此，測點一定有代表性和針對性。選擇監測的點、施工段基本上能反映整個結構的受力和變形情況，同時要盡可能監測到整個結構受力或變形的最大值，能起到監測的預警作用。

（2）監測項目的全面性

對基坑進行一項或很少的幾項原體監測往往是不夠的，如有人為誤差，便無法對監測數據進行檢驗，因此，監測項目要做到全面性，使其監測結果可以互相驗證。

（3）監測的時效性

不同于普通測量，基坑監測通常是配合降水和開挖過程，有鮮明的時間性。測量結果是動態變化的，一天以前（甚至幾小時以前）的測量結果都會失去直接的意義，因此，地鐵深基坑開挖監測應隨時進行。

基坑監測的時效性要求對應的方法和設備具有采集數據快、全天候工作的能力，甚至適應夜晚和大霧天氣等嚴酷的環境條件。

（4）監測的高精度要求

普通測量的誤差限值通常在數毫米，而正常情況下，基坑施工中的變形速率可能在0.1mm/d以下，要測到這樣的變形精度，普通測量儀器和方法是不能勝任的，因此深基坑監測過程中測量通常采用一些高精度的特殊儀器。

（5）監測的等精度要求

基坑施工中的監測通常只要求測得相對變化值，而不要求測量絕對值。因此，基坑監測要求盡可能做到等精度。使用相同的儀器，在相同的位置上，由同一觀測者按同一方案施測。

3.深基坑開挖監測的適用范圍

基坑監測一般適用于深度超過10米、復雜的大中型工程，或環境要求嚴格的基坑施工。

圖 1 基坑監測原理示意圖

5.地鐵車站深基坑開挖監測施工工藝流程

4.地鐵車站深基坑開挖施工監測的工藝原理

基坑監測是通過對基坑圍護結構、支撐或周圍土體、建筑物布置測點、埋設測斜儀器進行監測，每一測試項目都應根據實際情況的客觀環境和計算說明書，事先確定相應的警戒值。在基坑開挖過程中，對各監測項目進行數據測讀，以判斷受力或位移是否會超過允許的范圍，判斷工程是否安全可靠，是否需要調整施工方案或優化原設計方案。基坑開挖監測原理如圖1所示

圖2 基坑監測施工工藝流程圖

6.監測項目

基坑開挖過程中，圍護結構位移、內力、支撐軸力等都有變化，采用多項監測手段，其結果可以互相驗證。監測項目及方法見表1。

表 1 監測項目及監測儀器

7.監測方式與方法

7.1基坑周圍地表、地下管線、臨近建筑物構筑物沉降及周圍建筑物、地下管線水平位移的監測

沉降觀測使用儀器是精密水準儀，水平位移觀測使用經緯儀。在監測過程中要注意的是：a.要使用相同的儀器在相同的位置上，由同一觀測者按照同一方案施測；b.測量控制點要安全，其位置不要設在變形、位移區內。

7.2圍護樁的變位（側向位移）的監測

圍護結構的側向位移監測使用的儀器是測斜儀。

（1）測斜管的安裝（見圖3）

測斜管在吊放鋼筋籠之前，接長到設計長度，綁扎在鋼筋上，隨鋼筋籠一起放入樁孔內。測斜管的頂部與底部要用蓋子封住，防止泥漿、砂漿、雜物入孔內。

圖 3 測斜管安裝示意圖

（1）測斜管工作原理

測斜管上下各有一對滑輪，上下輪距500mm，其工作原理是利用重力擺錘始終保持鉛直方向的性質，測得儀器中軸線與擺錘垂直線間的夾角，傾角的變化可由電信號轉換而得，從而可以知道被測結構的位移變化值。

（2）操作要點

①埋入測斜管應保持垂直，在樁體內測斜管與鋼筋籠應綁牢。

②測斜管有兩對方向互相垂直的定向槽，其中一對要與基坑邊線垂直。

③測量時，必須保證測斜管與管內溫度基本一致，顯示儀讀數穩定才開始測量。

④由于測斜管測得的是兩滑輪之間（500mm）的相對位移，所以必須選擇測斜管中的不動點作為基準點，一般以管底端點為基準點，各點的實際位移是測點到基準點相對位移的累加。

⑤測斜管埋入開挖面以下：巖層不少于1m,土層不少于4m。

7.3圍護結構彎曲應力、鋼支撐軸力、圍檁彎曲應力的監測

此三項的監測儀器選用鋼筋計。

（1）鋼筋計的安裝

圍護樁內的鋼筋計焊接在鋼筋籠主筋上，當作主筋的一段，焊接面積不應小于鋼筋的有效面積。在焊接鋼筋計時，為避免熱傳導使鋼筋計零漂增加，需采取冷卻措施，可用濕毛巾或流水冷卻。

在開挖側和擋土側的主筋對應位置都安裝鋼筋計，鋼筋計布置的間距一般為2000～4000mm,視結構的重要性和監測需求而定。

鋼支撐的鋼筋計是焊接在端頭附近，兩側對稱各布置一個。

圖 4 鋼筋計、土壓力計安裝示意圖

（2）鋼筋計的工作原理

鋼筋計有振弦式和電阻應變式兩種。

振弦式鋼筋計的工作原理：當鋼筋計受軸力時，引起彈性鋼弦的張拉變化，改變鋼弦的振動頻率，通過頻率儀測得鋼弦的頻率變化即可測出鋼筋所受作用力的大小，換算而得混凝土結構或鋼支撐所受的力。

電阻應變式鋼筋計的工作原理：利用鋼筋受力后產生的變形，粘貼在鋼筋上的電阻片產生變形，從而得出應變值，得出鋼筋所受作用力的大小。

（3）鋼筋計操作要點

①做好鋼筋計傳感部分和信號線的防水處理。

②儀器安裝前必須做好信號線與鋼筋計的編號，做到一一對應。

③鋼筋計焊接必須保證質量。

④鋼筋計安裝好后，澆混凝土前測一次初值，基坑開挖前測一次初值。

⑤測數時，同時用溫度計測量氣溫，考慮溫度補償。

7.4圍護結構側土壓力的監測

圍護結構側土壓力的監測儀器選用土壓力計。

（1）土壓力計的安裝

土壓力計的安裝如圖4所示。要求土壓力盒綁扎于鋼筋上，接觸面緊貼土體一側。但是根據以往的施工經驗，這種安裝方式的成功機會不是很大，因為在澆筑混凝土時，難以保證混凝土不包裹土壓力計。最好的安裝方法還是在圍護結構的外面鉆孔埋設土壓力盒，并在孔中注入與土體性質基本一致的物質，填實空隙。

（2）土壓力計的工作原理

同鋼筋計，土壓力計也有電阻式和鋼弦式兩種，其中，鋼弦式最常用，工作原理亦同鋼筋計。

鋼弦式土壓力計有單膜和雙膜兩種，單膜式土壓力計受接觸介質的影響較大，而使用前的標定要與實際土壤介質一致往往做不到，故測試誤差較大。使用較廣的是雙膜式，其工作原理為：接觸面對變化不大的土壓力較為敏感，受力時引起鋼弦振動或應變片變形，弦的自振頻率也發生變化。利用脈沖激勵，使鋼弦起振，并接收其頻率。按事先標定的“壓力-頻率”關系曲線，即可得出作用在土壓力計上的壓力值。

7.5地下水孔隙水壓的監測

地下水孔隙水壓的監測儀器采用孔隙水壓計。

（1）孔隙水壓計的安裝

安裝儀器前，在選定的位置（一般離基坑外側3m-5m）鉆孔至所需測的深度，再將用砂網、中砂裹好的孔隙水壓計放到測點位置，然后孔內注入中砂，以高出孔隙水位計0.2m-0.5m為宜，最后在孔內埋入粘土，即可將孔封堵好。

（2）孔隙水壓計的工作原理

振弦式孔隙水壓力計的構造和工作原理同土壓力計的很相似，只是孔隙水壓計多了一塊透水石，土體中的土壓力、水壓力作用于接觸面上，經過透水石后，只有孔隙水壓力能傳到彈性元件上，彈性元件的變形引起鋼弦張力的變化，從而根據鋼弦頻率的變化可測得孔隙水壓力。

8.監測資料整理

監測資料按照圖表格式進行整理，凡在當天監測得到的數據，必須當天處理完畢，并將數據和分析結果在計算機上當天公布。

公布的數據分為幾種等級，實測結果在安全范圍內的用綠色表示；當天數據超過安全域或有一定異常情況的，用黃色表示；有傾向性偏離，而且偏離比較大的，用紅色表示，并加上不安全的警示標記。

9.結論

地鐵車站深基坑開挖監測需要投入一定的資金購置、安裝監測儀器，其社會效益及經濟效益非常明顯。在基坑施工中，采用一定的監測手段，可以有效減少施工的盲目性，及時發現施工過程中的異常并預警，有效保證施工現場及周圍環境的安全。

[1]JGJ 120-99 建筑基坑支護技術規程

[2]王付州，顧峰. 基坑工程監測探討. 山西建筑，2007.33（19）：80-81

[3]GB50010-2002混凝土結構設計規范. 北京.中國建筑工業出版社，2002：24.

[4]高華東，孫家樂，張欽喜.深基坑變形控制設計.地質科技動態，1997（增）：90-97.

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