基坑近接施工安全監測技術及應用研究

王 震，任高峰*，胡仲春，張聰瑞，周 可

1.武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430070；

2.中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250014

近些年，隨著現代化進程的推進，高層建筑、橋梁基礎、過江隧道、地下通道、地下立交和地鐵車站等工程大量涌現，諸如此類的大型工程建設有個共同特征即會涉及到基坑工程施工［1-2］。然而，由于這類工程規劃已落后于周邊建設，基坑工程周邊往往有各類建筑物，所以難免會產生各類近接施工情況，近接施工必然會破壞土體原有平衡引起土體的變形，當土體形變過大時，會造成鄰近結構和設施的失效或破壞［3-4］。因此，在深基坑施工過程中，只有進行系統化的監測，才能對基坑工程的安全性有全面的了解，以確保工程的順利進行［5］。

基坑監測儀器最早使用的只是皮尺等簡單工具，1996年，姚伯金［6］較早的提出以小腳法測定基坑支護樁傾斜，經各變形點歸心改正后得到變形位移值。隨著技術的發展，監測儀器不斷涌現，對基坑開挖監測實例的應用也有很多，張偉等［7］采用全站儀進行基坑水平位移監測，并提到了監測基坑水平位移需要注意的問題；施亞霖等［8］將經緯儀、鋼筋計傳感器用于監測坡頂位移、圍護樁鋼筋應力，使得深基坑工程的安全施工有了可靠保障；黃廣龍等［9］將光纖 Bragg光柵（fiber bragg grating，FBG）傳感器用于深基坑鋼筋混凝土支撐應變監測，得到了基坑開挖時混凝土內支撐全程應變曲線；葉俊能等［10］采用普通鋼筋計和光纖Bragg光柵鋼筋計對抗拔樁內力和孔隙水壓力，驗證了光纖Bragg光柵鋼筋計可剔除溫度的影響，應用于內力測試是合理的；劉杰等［11］結合基坑現場實驗，探討了基于BOTDR的分布式光纖傳感器應用于基坑深部土體水平位移監測的具體施工工藝；胡龍偉等［12］提出快速靜態GPS基坑水平監測技術，實施動態監測；張建坤等［13］采用GNSS技術進行基坑樁頂水平位移監測，并分析了該技術與常規監測方法的差異；陳致富等［14］將三維激光掃描系統應用于基坑監測，并討論分析三維激光的技術優勢和存在的問題；易致禮等［15］介紹了精密監測機器人在基坑邊坡水平位移監測的使用方法。上述方法中，全站儀監測不具有實時性，GPS技術、三維激光在基坑監測應用方面處于初期階段，機器人監測在復雜環境中可行性不高、成本較大，而光纖類傳感器具備靈敏度高、抗電磁干擾、測量速度快、適用于惡劣環境等優點，因此課題組利用拉線式光纖Bragg光柵位移計對基坑開挖施工過程中邊坡穩定性進行實時監測，并利用ANSYS軟件對基坑開挖支護的全過程進行數值模擬，得出的結論可對基坑變形監測具有一定的參考價值。

1 工程概況

新建城際鐵路聯絡線北京新機場段土建預留工程CJLLXTJYL-SG標段位于北京市大興區和河北省廊坊市境內，城際鐵路聯絡線自北向南。基坑采用明挖法施工，基坑尺寸是428 m×18 m×19 m，兩邊基坑圍護樁采用直徑1 m@1.4 m鉆孔灌注樁，樁長22 m，兩壁采用鋼筋網噴C30混凝土支護，基坑分3層開挖，每開挖一層架設一道φ609鋼支撐。基坑東側坡頂是一條8 m寬的硬化路面，路面上經常有大型施工機械、吊機等通過。基坑DK42+850東側近接基坑鋼筋加工廠，基坑DK43+328處西側近接另一標段的混凝土加工廠。此外，基坑兩側還有員工宿舍、電線桿、地下管線等。

圖1 監控平面布置圖Fig.1 Schematic diagram of monitoring layout

2 傳感器工程應用

課題組設計研發了一款拉線式光纖Bragg光柵位移傳感器，采用工業應用級別的設計，整體結構為高強度鋼制造，確保其強度以適應復雜的監測環境；該傳感器采用雙位移光柵設計，實現位移的正負值測量，雙光柵在測量時實現溫度互補償，主要結構包括基座、彈簧、帶楔形凸起拉桿、拉線環、卡扣、尾纖保護、2個等強度懸臂梁和2個FBG。拉線式光纖Bragg光柵位移計測量邊坡整體穩定，其關鍵是在坡頂選取一個相對不動點，然后通過鋼絲繩連接測量邊坡的位移變化，傳感器如圖2所示，具體參數見表1。

圖2 拉線式光纖Bragg光柵位移傳感器Fig.2 Schematic diagram of wire-pull fiber Bragg grating displacement sensor

表1 拉線式光纖Bragg光柵位移傳感器參數Tab.1 Parameters of wire-pull Bragg fiber grating displacement sensor

根據現場情況，北區DK42+930斷面近接工況較多，道路主要通行重型機械，機械通過時該處震動明顯，對邊坡加載大，其危險性較高，因此，此次監測位置選定在斷面DK42+930附近，在該斷面處，基坑兩側圈梁處分別安裝一個拉線式光纖Bragg光柵位移計監測邊坡整體穩定性，位移計監測剖面布置如圖3所示。

圖3 監測剖面布置圖Fig.3 Schematic diagram of monitoring layout

3 監測數據分析

位移計安裝調試工作在2017年11月3日完成，隨后即開始自動化監測工作，并將數據傳輸至阿里云數據庫中，斷面開挖至完成鋼支撐架設期間一直處于在線監測狀態。2017年11月3日至2018年1月8日期間的位移變化趨勢如圖4所示。其中，位移值為正表示邊坡向基坑方向移動，主要是由基坑開挖所造成；位移值為負表示邊坡向遠離基坑方向移動，主要是基坑聯合支護所造成。

圖4 斷面處位移變化趨勢Fig.4 Displacement trend of section

如圖4所示，監測數據（位移計11和12）前期處于上升階段，且位移值為正，說明兩側邊坡是向基坑方向移動的，在2017年11月12日達到最大值，主要原因是在此期間，基坑開挖到該斷面附近，在該斷面處的地質主要為粉質黏土和沙土，地下水豐富，在開挖時，坑壁流土現象嚴重；2017年11月12日以后，斷面處開始進行鋼支撐架設，位移變化開始變小；2017年11月25日，系統監測到位移計12變化量達到8 mm左右，西側邊坡報警，前往現場查看后發現西側邊坡頂部由于隔壁工程排水導致積水嚴重，積水下滲會破壞原有平衡狀態，因此該處邊坡位移變大。整體來看，基坑東側的邊坡位移值比西側大，最大值達到了14.23 mm，主要原因是東側在硬化路面，大型機械及人員的走動及震動造成邊坡頂部荷載加大。

4 數值模擬

4.1 模型建立

考慮基坑開挖的邊界效應，建立三維立體模型長寬深為1 284 m×90 m×57 m土體單元選取三維實體單元進行模擬，鋼支撐采用beam單元，結構的樁支護部分進行簡化，將土層的力學特性和樁材料的力學特性按體積比例進行力學等效，開挖過程中掛網噴射混凝土部分進行等效，等效成殼單元進行模擬，采用自由網格劃分網格，模型共有單元165 104個，節點177 450個，土體參數如表2所示。

表2 土體參數表Tab.2 Soil parameters

4.2 結果分析

基坑開挖支護計算結果如圖5所示，其中開挖前主要分析豎直方向（y方向）的位移，開挖和支護時主要分析水平方向（x方向）的位移變化。根據模擬結果顯示，在車輛載荷和房屋荷載作用下，周邊沉降明顯，最大值達到了9.23 mm；基坑開挖后采用掛網噴混凝土和鋼支撐聯合支護，水平位移較支護前相對減少，表明該聯合支護效果良好；基坑東側的水平位移最大值為16.24 mm，實測結果為14.23 mm，基坑西側的水平位移最小值為-29.44 mm，實測結果為-26.83 mm，這表明數值模擬結果與實際監測數據規律較符合。

圖5 基坑開挖支護過程計算結果云圖：（a）重力作用下豎直沉降，（b）打樁后豎直沉降，（c）車輛和房屋荷載施加后豎直位移，（d）第一層開挖后水平方向位移，（e）第一層掛網噴混凝土后水平方向位移，（f）第二層開挖后水平方向位移，（g）第二層掛網噴混凝土后水平方向位移，（h）第一道鋼支撐支護后水平方向位移，（i）第三層開挖后水平方向位移，（j）第三層掛網噴混凝土后水平方向位移，（k）第二道鋼支撐支護后水平方向位移Fig.5 Cloud chart of calculation results of foundation pit excavation and support：（a）vertical settlement under gravity，（b）vertical settlement after piling，（c）vertical displacement under vehicle and buildings load，（d）horizontal displacement after the first layer excavation，（e）horizontal displacement after the first layer of wire mesh concrete，（f）horizontal displacement after the second layer excavation，（g）horizontal displacement after the second layer of wire mesh concrete，（h）horizontal displacement after the first steel support，（i）horizontal displacement after the third layer excavation，（j）horizontal displacement of the third layer with wire mesh concrete，（k）horizontal displacement with the second steel support

5 結 語

1）從2017年11月3日至2018年1月8日的位移計實測數據得知，基坑東側的位移計11水平位移最大值達到了14.23 mm，最小值為-10.91 mm，基坑西側的位移計12水平位移最大值為2.15 mm，最小值為-26.83 mm，整體來看，基坑東側的邊坡位移值比西側較大。

2）課題組設計的拉線式光纖Bragg光柵位移計，經過理論驗證、標定測試、現場應用表明該種傳感器線性測量和溫度補償性能良好，穩定性、可靠性和精度能滿足基坑監測的需求。