深基坑監測技術在工程實施中的應用分析

萬金濤

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

1 概述

由于巖土體性質復雜多變和理論計算的局限性，基坑監測技術在基坑實施過程中成為一項必不可少的重要工作[1-3]。目前，許多學者對深基坑監測技術的應用進行了研究，如黃僑文針對基坑監測技術在深基坑施工中的應用進行了分析，認為可以通過基坑監測報警值分析基坑變形的原因[4]。裴建坡等通過對超大型深基坑變形監測方案與實施的研究分析，認為通過監測手段可以及時發現位移突變[5]。以下以長江一級階地某深大基坑為例，分析基坑實施過程中監測技術的應用情況。

2 工程概況

2.1 工程簡介

本工程為單體建筑，地上19層，建筑高度為83.8 m，地下2層，其基坑深約11 m，開挖面積約9 400 m2，開挖周長約430 m。基坑距離長江約700 m，周邊緊臨多個既有建筑物和管線，距離最近建筑物僅4.0 m。采用單排圍護樁結合一道鋼筋混凝土內支撐及三軸攪拌樁止水帷幕的基坑設計形式。根據湖北省地方標準《基坑工程技術規程》的相關規定[7]，本基坑重要性等級為一級。因此，基坑開挖支撐體系的選用和深基坑變形及周邊環境變化監測尤為關鍵。基坑周邊環境及監測點平面布置如圖1所示。

圖1 基坑周邊環境及監測點平面布置

2.2 工程地質及水文地質條件

(1)工程地質條件

基坑場地地層二元結構較為明顯，上部土層主要為粉質黏土，局部夾淤泥質粉質黏土、薄層粉土，厚2.6～10.0 m；下部依次為粉砂、細砂，局部夾中砂、礫砂、圓礫土層，飽和，松散-密實，厚36.1～42.1 m。

(2)水文地質條件

根據勘察資料，上層滯水主要賦存于填土層及粉質黏土層中，水位埋深0.7～2.0 m。粉質黏土水平滲透系數為0.436×10-7～1.686×10-7cm/s(極微透水)。主要受地表水與降雨補給，水位和水量隨季節和周邊環境變化。

承壓水賦存于第四系全新統砂類土中，含水層巖性(由上至下)為粉砂、細砂，局部夾中砂、圓礫土，隔水層頂板為黏性土，底板為基巖。該層水廣泛分布于長江一級階地，與長江水有密切的水力聯系，地下水位埋深一般為0.1～5.0 m，年變幅為3～4 m。

2.3 基坑變形監測報警值

根據《建筑地基基礎設計規范》、《建筑基坑工程監測技術規范》及設計要求，確定了相應監測項目、監測警戒值和報警值，如表1所示[8]。

表1 基坑監測警戒值和報警值

3 水平位移監測

按設計要求，在支護結構頂部每隔20～30 m布設一個監測點，共布設17個水平及垂直位移(同點觀測)監測點，編號分別為ZD1～ZD17。監測點擬采用預埋件形式，配合小棱鏡直接觀測。

為保證自由設站的觀測精度，設站點與兩基線點之間的距離不應過大(間距100 m左右)，一般應選在穩定地區，且所選基線應大致與基坑的主軸線平行。為消除觀測時儀器的系統誤差，每期設站點的位置應大致固定。

各監測點累積位移量如圖2所示，根據監測結果，將其位移量矢量示意，如圖3所示。

圖2 支護結構頂部水平累計位移量

圖3 基坑平面累積位移矢量示意

從監測數據可知，在整個水平位移監測過程中，所有水平位移監測點位移速率均未達到警戒值，各水平位移監測點累積位移量也均未達到警戒值。

4 沉降監測

基坑沉降觀測采用精密水準儀，按照國家二等水準要求觀測。以附合或閉合水準路線方式聯測各監測點，以水準控制點為基準，測算出各監測點高程[9-10]。沉降監測項目如表2所示。

表2 基坑監測項目

共布設環境監測點13個。其中，航測樓為HC1、HC2、HC3、HC4；圖文中心為TW1、TW2、TW3、TW4、TW5；檔案館為DA1、DA2、DA3、DA4。

支護結構頂部豎直位移監測結果如圖4所示，臨近建(構)筑物豎向位移監測結果如表3所示，管線沉降位移監測結果如圖5所示。

圖4 支護結構頂部豎直累計位移量

建筑物航測樓圖文中心檔案館最大值最小值點號累積變化量/mmHC1-3.3HC2-20.9HC3-17.6HC4-7.9TW1-9.7TW2-1.9TW3-4.6TW4-16.1TW5-6.9DA1-1.0DA2-14.3DA3-16.9DA4-5.9-1.0-20.9

圖5 管線沉降位移量

從沉降監測結果可知，支護結構豎向位移非常小，最大只有2.6 mm；臨近建(構)筑物豎向位移沉降量相對較大，最大累積沉降量為20.9 mm；管線最大累計沉降量為10.2 mm；所有監測數據均未達到警戒值。

5 坑外坑內水位監測

根據現場實際情況和設計要求，共布設坑外潛水水位觀測孔4口，鉆孔直徑為100 mm，潛水水位管長度長于基坑深度2～3 m。成孔后應將孔內泥漿清洗干凈，再安裝直徑50 mm、厚3 mm的專用水位測量PVC管。管間用套管連接，自攻螺絲加固，然后用細砂和微膨脹黏土將孔壁與管壁之間的空隙填充密實。

電測水位儀：儀器由探頭、電纜盤和接收儀組成。儀器的探頭沿水位管下放，當碰到水時，上部的接收儀會發生蜂鳴，通過信號線的尺寸刻度，可直接測得地下水位距管口的距離。管口高程可用精密水準儀與基準水準點聯測獲得。坑內、坑外水位監測情況如圖6所示。

圖6 坑內坑外水位變化

從圖6可以看出，水位觀測井SW01，SW02以及SW03的水位值總體在0.8m內波動，均未達到報警值。

6 土體深層水平位移監測

為了解隨基坑開挖深度的增加，坑外土體不同深度水平位移的變化情況及樁身變形情況，在支護結構中設置了測斜管進行監測。為保證深層土體水平位移監測數據的準確性，應特別控制測斜管的傾斜度、埋設深度、初始值確定、探頭穩定時間和測斜管連接整體性等指標，使其滿足監測要求[11]。

17號和167號管樁處的土體深層水平位移監測情況如圖7所示，由圖7可知，土體深層水平位移量均較小，最大位移值在冠梁以下8.5 m處(最大值為5.5 mm)，即基坑底部附近水平位移最大。

圖7 土體深層水平位移

另外，土體深層水平位移變化速率多在1 mm/d范圍內，只有6號點在5月19日至5月22日之間其位移波動接近3 mm(如圖8所示)，鑒于波動值較小，認為其變形結果可控，后期監測數據也驗證了這一結論。

圖8 土體深層水平位移變化

7 支撐軸力監測

支撐軸力監測的目的是監測基坑開挖及地下結構施工過程中支護結構支撐體系的受力情況，對支護結構的安全性和穩定性做出評估。該項監測是對基坑設計與計算的直接檢驗。

對于混凝土支撐軸力監測，目前工程中最常用的儀器是鋼弦式應力計。其基本原理是當鋼筋受拉或者受壓時，鋼筋和鋼筋應力計發生變形，從而引起鋼筋應力計頻率發生變化，即可計算出鋼筋所受力的大小[12-13]。

支撐及棧橋板鋼筋內力計算公式為

(1)

棧橋板鋼筋應力計算公式為

σg=pg/Ag

(2)

支撐軸力計算公式為

(3)

其中P——鋼筋應力/kN；

K——鋼筋應力計標定系數/(kN/Hz)；

f0——初始頻率/Hz；

fi——本次頻率/Hz；

Pc——支承軸力/kN；

Ec，Eg——混凝土和鋼筋的彈性模量/MPa；

A，Ag——支撐截面面積和鋼筋截面面積/mm2。

本工程中，支撐軸力測點按設計要求布置，編號為ZC1～ZC16。每個監測點設置4支鋼筋計，布置形式如圖9所示。

圖9 支撐軸力測試示意

施工過程中，監測到的混凝土支撐軸力最大值如圖10所示，由監測數據可知，支撐軸力均為負值，表明混凝土支撐處于受壓狀態[14]，支撐軸力最大值在-3 614.1～-8 098.9 kN范圍內，其中ZC2、ZC3、ZC7、ZC8、ZC10、ZC13監測點的軸力出現了預警情況，最大應力值達-8 098.9 kN。對出現預警的情況進行了討論分析，發現支撐軸力較大的原因主要是周邊建筑物荷載偏大和基坑周邊堆載，但此時支護結構的變形較小，整體結構仍處于安全狀態，對施工無影響。

圖10 混凝土支撐軸力最大值

8 結束語

(1)支護結構頂部水平位移均在15 mm以內，而報警值為30 mm，表明本工程單排圍護樁結合一道鋼筋混凝土內支撐的剛度滿足設計要求，尚有一定的富余量。

(2)施工過程中支護結構的沉降較小，而臨近建(構)筑物和管線沉降相對較大，主要原因是建(構)筑物和管線距離基坑較近，且臨近建(構)筑物均為淺基礎。

(3)施工水位隨長江水位在一定范圍內變化，變化幅度在0.8 m以內，表明補給水源水位的變化對基坑水位變化影響較大，施工時應根據補給水源水位的變化調整降水參數。

(4)本工程多處出現支撐軸力報警情況，但其整體結構仍處于安全狀態，表明支撐軸力單獨作為結構安全性判斷依據還有所欠缺。因此，當支撐軸力報警時，應結合其他監測項目綜合判斷結構的安全性。

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