基于壓差傳感技術的坑底隆起監測方法及應用

葉俊能，尹鐵鋒，杜培貞

(寧波市軌道交通集團有限公司，浙江 寧波 315101)

基于壓差傳感技術的坑底隆起監測方法及應用

葉俊能，尹鐵鋒，杜培貞

(寧波市軌道交通集團有限公司，浙江 寧波 315101)

針對基坑坑底隆起監測問題，提出了一種基于壓差傳感技術的坑底隆起監測方法。首先分析了壓差傳感技術原理，其次介紹了監測系統中的壓差傳感系統及相應的輔助系統，然后通過模型試驗驗證了監測系統的溫度穩定性，最后將該監測系統應用于工程實踐，并對監測結果進行了分析。所得主要結論如下：基于壓差傳感技術的坑底隆起監測系統通過測點處的液面變化來反映豎向位移。基坑坑底隆起值隨著開挖深度的增加而增大；開挖深度較小時，坑底隆起隨基坑開挖同時發生和結束；當基坑開挖深度不斷增加，坑底隆起隨基坑開挖同時發生，并在該層開挖結束后持續增大。開挖相同厚度的土層，深度越深，所引起的坑底隆起越大，坑底土體重新穩定所需要的時間也越長。

坑底隆起；監測方法；壓差傳感技術

基坑開挖過程中坑底土體卸載回彈以及坑底土體負孔隙水壓力消散導致的吸水膨脹與軟化都將導致坑底隆起[1]。坑底隆起一方面會引起基坑工程本身的質量安全問題，如坑底受承壓水作用產生隆起破壞；另一方面會對附近建(構)筑物產生不利影響，如地鐵隧道上方基坑開挖產生坑底隆起引起隧道上浮、開裂、漏水，甚至影響地鐵運營安全。因此，坑底隆起監測是基坑監測中至關重要的一環，坑底隆起方面的研究也越來越受到學者及工程師們的重視。

喻軍等[2]通過杭州地區基坑監測數據的統計分析，得到基坑支護結構與地面沉降和坑底隆起的關系，并確定了基坑變形控制值。何玉紅[3]基于孔隙比和壓縮變形量的關系推導了塑性發展系數β的表達式，并建立了一種基于塑性發展系數β和卸荷比R的回彈量估算方法。陳立國等[4]基于極限分析法提出了基坑抗隆起穩定性分析的計算公式，并采用工程實例對可行性進行了驗證。竇華港等[5]對坑底回彈量的各種計算方法及適用性進行了分析，并給出了回彈量與開挖卸荷之間的經驗公式。周健華[6]重點分析了基坑內是否有樁、基底土是否加固、基坑開挖時間效應、空間效應、圍護結構插入深度以及坑內水位降深等因素對坑底回彈、隆起量的影響。吳傳波[7]以工程實例為依托，利用數值手段研究了基坑坑底隆起變形規律。結果表明隨基坑寬深比不斷增加，坑底最大隆起量也不斷增大。曹力橋等[8]建立了開挖與降水開挖的三維基坑模型，分析了軟土地區深基坑坑底隆起變形及其影響因素。得出了降水對基坑穩定有利的結論。田志杰[9]結合某明挖基坑臨時立柱沉降監測數據，提出了通過臨時立柱傳遞坑底豎向位移，利用全站儀測量深大基坑回彈量的新方法。

綜上所述，目前關于坑底隆起監測新方法方面的研究尚不多見，本文提出了一種基于壓差傳感技術的基坑坑底隆起監測方法，使坑底隆起監測具有良好的連續性和可靠性，對同類工程具有一定的參考價值。

1 壓差傳感技術原理

幾個底部互相連通的容器，注入同一種液體，在液體不流動時各容器的液面總是保持在同一水平面上稱為連通器原理。利用連通器內液面等高的原理，可將兩點間豎向相對位置變化轉換成連通器內液面的變化。如圖1所示，基于連通器原理的坑底隆起監測系統由水箱、通液管、基點傳感器、測點傳感器和通氣管構成；其中虛框內的2，3，4，5組成一個連通器；3設置在影響范圍外，以確保無沉降(或隆起)；1經過特別設計，當連通器內的液體有損失時，可及時向連通器內補充液體；5相對于大氣是封閉的，可避免液體揮發，但1，3，4內的氣壓相等(可不等于大氣壓)，防止因氣壓差引起液面變化。

圖1 基于連通器原理的坑底隆起監測系統平面示意圖Fig.1 Plane drawing of the monitoring system of bottom heave based on connected vessels theory1—水箱；2—通液管；3—基點傳感器；4—測點傳感器;5—通氣管

當3產生沉降(或隆起)時，3，4內的液面均會產生變化，導致3，4處壓強隨之改變，根據式(1)即可求得3相對于4的相對沉降(或隆起)量：

式中：Δh——沉降變化值；

pR0——基準傳感器初始值；

pi0——測點傳感器初始值；

ρ——測量系統使用的液體(一般為水)密度；

g——重力加速度。

2 坑底隆起監測系統

2.1壓差傳感系統

壓差傳感系統平面圖如圖2所示。由圖2可知，基點傳感器設在冠梁上，測點傳感器固定在鍍鋅管頂部，鍍鋅管通過三角支架固定在支撐上。為避免因冠梁和混凝土支撐上升導致坑底隆起測量誤差，在測量基點附近，布設了校核測點(一般以支護樁/墻頂豎向和水平位移測點替代)，以定期復核基點傳感器的高程。

圖2 壓差傳感系統平面圖Fig.2 Plane drawing of the pressure difference sensing system

為保證壓差傳感系統的穩定性，通液管必須在同一水平面內，采取的走線方式是從鍍鋅管預留的缺口中引出，然后固定在混凝土支撐上部，最后接入水箱，以確保通液管處于同一水平面上(圖3)。

圖3 壓差傳感系統立面圖Fig.3 Elevation drawing of the pressure difference sensing system

圖4 基坑坑底隆起監測輔助系統示意圖Fig.4 Diagram of the monitoring assistance system of bottom heave

2.2輔助系統

針對現場復雜的施工環境，以盡量不影響施工為基本原則，搭建坑底隆起監測輔助系統(圖4)。本系統取消鍍鋅管的豎向約束，使鍍鋅管能夠準確傳遞土體豎向位移。

由圖4(a)可知，每個監測斷面的2根鍍鋅管埋設在混凝土支撐的同側，管內澆筑混凝土，以增大鍍鋅管剛度抵施工振動等影響。用抱箍將鍍鋅管固定在混凝土支撐上，以約束鍍鋅管，使之僅能傳遞豎向位移。

由圖4(b)可知，鍍鋅管由3種管節構成。1號管節位于最底部，在下端開若干小圓孔，以增加和土體的粘結力，使土體和管一起運動，以得到更準確的坑底隆起值；2號管節位于中部，不做特殊處理；3號管節位于頂部，壓力傳感器布設在3號管節內，頂端開一小口以方便走線。

3 溫度穩定性驗證

監測系統穩定性影響因素主要有振動和溫度，振動影響是指外界振源產生的振動波傳遞至監測系統使其所測壓強產生波動，通過優化安裝方式、控制施工工藝等可以實現有效規避；溫度影響是指監測系統內液/氣體受溫度作用膨脹系數不一致導致壓強差。現通過模型試驗對監測系統進行夏季高溫條件下的溫度穩定性驗證。

3.1模型試驗介紹

圖5為監測系統溫度穩定性分析的模型試驗圖，如圖5所示在一小型建筑物四周搭建監測系統，其中基點處于陰面，受溫度影響相對較小；基點與測點1，2處于同一高度，若忽略溫度等影響，系統所測沉降差應該為零。

圖5 模型試驗示意圖Fig.5 Diagram of the model test

3.2試驗結果分析

圖6橫坐標為日期，縱坐標為測點1，2相對于基點每日的最大沉降差平均值。由圖6可知，溫度引起的最大誤差約為0.5 mm，說明監測系統具有較好的溫度穩定性，即使在夏季高溫條件也能基坑監測精度的要求。

圖6 溫度影響的最大沉降差平均值Fig.6 Curves of the average of the maximum settlement difference with time when considering temperature effect

4 工程應用

基于上述坑底隆起監測系統，以寧波軌道交通3號線一期工程高塘橋站—句章路站明挖區間(高句區間)基坑工程為依托，開展坑底隆起現場監測。

4.1工程概況

高句區間基坑長565 m，寬10.55～19.75 m，開挖深度13.9～16.4 m。該基坑由封堵墻分為3個小基坑，從左到右依次編號為A、B和C(圖7)。根據現場情況選擇A基坑進行坑底隆起監測。A基坑圍護結果為800 mm地下連續墻，支撐結構為1道混凝土支撐+4道鋼支撐。

圖7 高句區間基坑平面圖Fig.7 Plan of the pit in Gao-Ju

4.2監測系統布設

基坑第一道混凝土支撐架設完畢后，進行坑底隆起監測系統的安裝(安裝完成后的監測系統如圖8所示)。監測系統安裝調試完成后，進行基坑土體分層開挖；第1層土開挖完成后，拆除底部在第一道鋼支撐以下1 m處的鍍鋅管，相應的測點退出工作；依次類推，直至第5層土開挖完成，拆除坑底加固土層上的鍍鋅管，基坑隆起監測系統隨即退出工作。

圖8 安裝完成后的坑底隆起監測系統Fig.8 Monitoring system of the bottom heave after installation

圖9所示為測點布置圖，由圖9可知，每個監測斷面的2個坑底隆起測點和1個基準點構成1個小型監測系統，5個小型監測系統構成整個基坑的坑底隆起監測大系統。

圖9 測點布置平面圖Fig.9 Plane drawing of measuring point arrangement

為了盡可能地監測開挖面隆起值，鍍鋅管分5種長度從基坑一端到另一端呈遞增/遞減布置，布置位置分別位于第1，2，3道鋼支撐、坑底設計標高20～30 cm和連續墻底處(圖10)。這樣布置不僅可以適應基坑普遍開挖模式，還能更好的反應深層土體位移變化規律。

4.3結果分析

因各測點監測曲線變化規律基本一致，故選取土體分層開挖過程中1#斷面南側監測點和5#斷面北側測點所測坑底隆起值隨時間變化曲線(圖11)進行分析。

由圖11可知，坑底隆起值隨著基坑開挖深度的增加而增大；在開挖深度較小時，坑底隆起隨基坑開挖同時發生，同時結束；隨著基坑開挖深度不斷增加，坑底隆起隨基坑開挖同時發生，并在該層開挖結束后坑底隆起值持續增加；開挖相同厚度的土層，深度越深，所引起的坑底隆起越大，坑底土體重新穩定所需要的時間也越長。

圖11(a)表明在第1，2，3，4層土開挖后，1#斷面南側監測點穩定后的隆起值依次為8，15，47，88 mm；開挖至第5層土時，測點傳感器達到預期工作壽命，退出工作。

圖10 鍍鋅管布設立面圖Fig.10 Elevation drawing of the galvanized pipe setting

圖11 土體分層開挖1#、5#斷面測點隆起值時程曲線Fig.11 Curves of measuring point of 1 #, 5 # section when soil stratified excavation

圖11(b)表明在第2，3，4層土開挖后，5#斷面北側監測點隆起值穩定后的坑底隆起值依次為12，49，81 mm；開挖至第5層土時，測點傳感器達到預期工作壽命，退出工作。

5 結論

(1)基于壓差傳感技術的坑底隆起監測系統可描述為使水箱、基點傳感器、測點傳感器和連接水管成為在底部和開口分別相通的連通器，即通過測點處液面變化來反應豎向位移。

(2)在夏季高溫條件下，坑底隆起監測系統受溫度引起的最大誤差約為0.5 mm，監測系統具有良好的溫度穩定性，滿足基坑監測精度的要求。

(3)基坑坑底隆起值隨著開挖深度的增加而增大；在開挖深度較小時，坑底隆起隨基坑開挖同時發生，同時結束；當基坑開挖深度不斷增加，坑底隆起隨基坑開挖同時發生，并在該層開挖結束后持續增大。開挖相同厚度的土層，深度越深，所引起的坑底隆起越大，坑底土體重新穩定所需要的時間也越長。

(4)基于壓差傳感技術的坑底隆起監測方法具有良好監測連續性和穩定性，是一種可靠實用的基坑坑底隆起監測方法。

[1] 鄭剛,焦瑩,李竹.軟土地區深基坑工程存在的變形與穩定問題及其控制——軟土地區深基坑坑底隆起變形問題[J]. 施工技術,2011,40(10):10-15. [ZHENG G, JIAO Y, LI Z. Stability and deformation problems during deep foundation excavation in soft soil area and their control measures: heave deformation due to deep foundation excavation in soft soil area[J]. Construction Technology,2011,40(10):10-15.(in Chinese)]

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責任編輯

：張明霞

Monitoringmethodofbottomheavebasedonpressuredifferencesensingtechniqueanditsapplication

YE Junneng, YIN Tiefeng, DU Peizhen

(NingboRailTransitCo.Ltd,Ningbo,Zhejiang315101,China)

A monitoring method of bottom heave based on pressure difference sensing technique was proposed for the monitoring of foundation pit. Firstly, the principle of pressure difference sensing technique was analyzed. Secondly, the pressure difference sensing system and corresponding auxiliary system were introduced. Thirdly, the temperature stability of the monitoring system was verified by the model test. Finally, the monitoring system was applied to the engineering practice, and the monitoring results were analyzed. The results show that the bottom heave increases with increasing of the excavation depth. When the excavation depth is small, bottom heave starts with the beginning of excavation, and ends with the end of excavation. When the excavation depth is large, bottom heave starts with the beginning of excavation, but continued to increases at the end of excavation. When excavating the same thickness of soil layer, the deeper the soil, the greater the heave, and the longer the time of bottom soil stable.

bottom heave; monitoring method; pressure difference sensing technique

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.06.15

TU433

A

1000-3665(2017)06-0096-06

2017-05-15;

2017-08-25

葉俊能(1975-)，男，博士，教授級高工，主要從事城市軌道交通研究與管理工作。E-mail: yzn75@139.com