大型市政基坑變形監(jiān)測(cè)技術(shù)與應(yīng)用研究

張玉華

(中鐵二十三局集團(tuán)第一工程有限公司,山東日照 276826)

隨著現(xiàn)代城市規(guī)模與建設(shè)工藝的發(fā)展,以大型深基坑開(kāi)挖工程為代表的施工項(xiàng)目日益增多,然而基坑降水、土體開(kāi)挖與工程建設(shè)過(guò)程中,受復(fù)雜的地質(zhì)條件影響,勢(shì)必對(duì)周邊建筑物、地下管線與周?chē)乇碓斐梢欢ㄓ绊憽Ｒ蚨诨邮┕で昂蟛捎矛F(xiàn)代測(cè)量?jī)x器與技術(shù)方法,通過(guò)測(cè)定開(kāi)挖主體支護(hù)、周邊監(jiān)測(cè)對(duì)象的平面位移與高程變化數(shù)據(jù),及時(shí)反饋施工異常情況并采取有效應(yīng)對(duì)措施,科學(xué)合理的判定施工對(duì)象的穩(wěn)定性。

1 基坑監(jiān)測(cè)內(nèi)容與數(shù)據(jù)處理方法

從工程實(shí)踐分析,深基坑工程一般臨時(shí)性構(gòu)筑物多、抗風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)低,地質(zhì)條件與土地結(jié)構(gòu)區(qū)域性明顯,加之周邊構(gòu)筑物、地下管線等環(huán)境復(fù)雜,須根據(jù)土體變形規(guī)律與應(yīng)力變化趨勢(shì),事先擬定最佳監(jiān)測(cè)方案。

基坑變形監(jiān)測(cè)中基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目為基坑坡頂水平位移、豎向位移監(jiān)測(cè)、周邊建筑物沉降監(jiān)測(cè),其次根據(jù)基坑規(guī)模與分級(jí)程度的差異,增加地下管線監(jiān)測(cè)、地下水監(jiān)測(cè)、深層土地位移監(jiān)測(cè)、支護(hù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)、裂隙監(jiān)測(cè)等。同時(shí)由于監(jiān)測(cè)項(xiàng)目類(lèi)型的差異,數(shù)據(jù)采集設(shè)備從高精度全站儀、水準(zhǔn)儀、測(cè)斜儀到應(yīng)力計(jì)、地下水位監(jiān)測(cè)儀不等,數(shù)據(jù)類(lèi)型與表現(xiàn)形式多樣化;數(shù)據(jù)處理與信息挖掘方面,多采用回歸分析、曲線擬合、灰色模型理論等進(jìn)行數(shù)據(jù)建模分析,數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的精度也相對(duì)較高。

2 變形監(jiān)測(cè)精度分析

從基坑監(jiān)測(cè)精度的影響因素分析,其數(shù)據(jù)成果誤差主要來(lái)源于觀測(cè)誤差、儀器系統(tǒng)誤差與環(huán)境因素引起的誤差3方面,因此變形監(jiān)測(cè)施測(cè)過(guò)程中,多采用定人員、定路線、定時(shí)段的方法,盡量減少人為因素與系統(tǒng)誤差的影響,提升數(shù)據(jù)觀測(cè)的可靠性。根據(jù)誤差傳播定律,來(lái)分析基坑坡頂豎向位移與水平位移的方法與成果精度如下：

(1)豎向位移監(jiān)測(cè)。基坑支護(hù)豎向位移監(jiān)測(cè),即采用S1以上精密水準(zhǔn)儀周期性的測(cè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程變化量,來(lái)客觀標(biāo)定基坑沉降速率變化的指標(biāo)。其誤差來(lái)源于i角誤差、水準(zhǔn)尺誤差、觀測(cè)與讀數(shù)誤差、地球曲率變化與設(shè)備升降誤差等,全中誤差為：其中W為閉合差,L為閉合環(huán)路路線長(zhǎng)度,N為閉合環(huán)數(shù)量。

(2)水平位移監(jiān)測(cè)。在數(shù)據(jù)采集方面,多采用經(jīng)緯儀小角法、全站儀極坐標(biāo)法等手段,其中小角法為利用基坑邊線構(gòu)建基準(zhǔn)坐標(biāo)系,通過(guò)周期性的測(cè)定測(cè)站與帶測(cè)點(diǎn)間夾角、距離,來(lái)計(jì)算點(diǎn)位水平偏移量的方法,其測(cè)量中誤差表示為：

而極坐標(biāo)法為按照前方交會(huì)原理,直接測(cè)定點(diǎn)位水平坐標(biāo)的方法,其測(cè)量中誤為：

3 大型市政基坑變形監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用分析

現(xiàn)有某地下人行通道與配套設(shè)施工程包含3部分,即A道路口頂管始發(fā)井與出入口、地下頂管人行通道和B道路頂管接收井與出入口配套工程。其中兩井基坑深度12.5米,頂管截面頂距離路面5米,現(xiàn)以頂管施工專(zhuān)項(xiàng)監(jiān)測(cè)為例進(jìn)行研究分析。

(1)工程地質(zhì)與周邊環(huán)境情況。施工場(chǎng)區(qū)涉及的A、B道路均為城市主干道、瀝青材質(zhì),沿線有地鐵2#線通過(guò)、同時(shí)涉及高架橋墩等設(shè)施,且地下有燃?xì)狻㈦娏Α⒂晡鄣裙芫€設(shè)施,道路與周邊環(huán)境情況相對(duì)復(fù)雜。

(2)監(jiān)測(cè)依據(jù)。依照《工程測(cè)量規(guī)范》、《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》與《精密水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)文件。

(3)監(jiān)測(cè)內(nèi)容與項(xiàng)目。包含道路地表路面沉降監(jiān)測(cè)、地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)、基坑變形監(jiān)測(cè)與地下管線監(jiān)測(cè)等內(nèi)容;監(jiān)測(cè)方式采用測(cè)量?jī)x器數(shù)據(jù)采集與外業(yè)巡視檢查互補(bǔ)結(jié)合的方式開(kāi)展。

(4)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)。基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置于遠(yuǎn)離沉降監(jiān)測(cè)區(qū)的穩(wěn)固地區(qū)(一般為3-5倍開(kāi)挖深度),按照監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)嶋H情況,共布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)構(gòu)成閉合環(huán)路;路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)則按照設(shè)計(jì)要求,沿頂管施工區(qū)域,在地表以3點(diǎn)為一橫向斷面,布設(shè)8條監(jiān)測(cè)線共計(jì)24點(diǎn);基坑監(jiān)測(cè)則采用鋼筋應(yīng)力計(jì)采集應(yīng)力信息,對(duì)于支護(hù)頂部平面與豎向位移則選擇凸出主體的頂點(diǎn)進(jìn)行布點(diǎn)觀測(cè);地下管線則采用與地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)共用的方式布設(shè),針對(duì)部分剛性材料管道則采用鉆機(jī)引孔的方式固定安置。

(5)施測(cè)流程與監(jiān)測(cè)精度指標(biāo)要求：采用Topcon MS05A高精度全站儀、A T-G 2電子水準(zhǔn)儀等進(jìn)行平面與高程數(shù)據(jù)的采集,其中豎向高程信息采集時(shí)按照二級(jí)水準(zhǔn)的要求施測(cè),精度指標(biāo)如表1所示。

本工程豎向位移監(jiān)測(cè)時(shí),采用統(tǒng)一高程基準(zhǔn),周期性觀測(cè)均采用閉合環(huán)路測(cè)量,初始數(shù)據(jù)值采用兩次起始數(shù)據(jù)均值,且高程差值控制低于0.5 m m;針對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)的可靠性,每隔1個(gè)月定期進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)閉合環(huán)復(fù)測(cè),以檢定是否存在基準(zhǔn)點(diǎn)沉降變動(dòng)異常情況。

(6)施測(cè)頻率：頂管施工期間(土體開(kāi)挖)按照1次/d的頻率,土建施工與竣工期間,按照1次/2d的頻率施測(cè),報(bào)警值為累積變形量30 mm或2m m/d,針對(duì)特殊情況予以加密觀測(cè)。

表1 一二級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量指標(biāo)參數(shù)表

圖1 部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)S-T沉降曲線圖

(7)監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)分析：針對(duì)工程監(jiān)測(cè)實(shí)施中所采集的周期性坐標(biāo)與高程數(shù)據(jù),采用Excel電子表格進(jìn)行分類(lèi)匯總與圖表生成,以S-T、V-T曲線圖等形式進(jìn)行直觀表示,如圖1所示。

同時(shí)為開(kāi)展監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)應(yīng)用研究的目標(biāo),針對(duì)部分基坑與道路地表沉降數(shù)據(jù),利用M A T L A B數(shù)值分析軟件進(jìn)行GM(1,1)灰色系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模預(yù)測(cè)分析,經(jīng)過(guò)樣本預(yù)測(cè)成果與標(biāo)本數(shù)據(jù)的對(duì)比,實(shí)際精度良好,可滿足短期變形監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的需求。

4 結(jié)語(yǔ)

基坑開(kāi)挖具有區(qū)域性強(qiáng)、綜合性高與環(huán)境效應(yīng)顯著等特點(diǎn),伴隨土體應(yīng)力與地下水條件的變化,土體強(qiáng)度降低、穩(wěn)定性較差,優(yōu)化基坑施工中的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)工作,具有重要安全意義。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中盡量降低外界因素的影響,從固定觀測(cè)人員與儀器、固定觀測(cè)路線與方法,以及固定觀測(cè)氣象條件等方面入手,減弱系統(tǒng)觀測(cè)誤差影響,提高變形監(jiān)測(cè)的觀測(cè)數(shù)據(jù)精度;數(shù)據(jù)成果預(yù)報(bào)方面,可采用GM(1,1)灰色模型開(kāi)展數(shù)據(jù)預(yù)報(bào),原始數(shù)據(jù)呈非等間隔時(shí)采用時(shí)間加權(quán)的方式進(jìn)行預(yù)處理,同時(shí)若出現(xiàn)預(yù)測(cè)效果較差的情況,可構(gòu)建基于殘差修正的灰色模型,提升數(shù)據(jù)處理與預(yù)測(cè)的可靠性。

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