基坑深層水平位移監測新方法的探討與應用

朱春寧，何 晨

（中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210005）

隨著城市建設的快速發展，城市道路交通網不斷拓展，立體交通高架橋梁不斷涌現，跨河段的墩柱建設也越來越多。跨河水中墩的建設往往伴隨著鋼圍堰基坑的施工開挖，基坑的開挖會引起周邊水體和土體應力場的變化，這對基坑的自身結構產生很大的影響，同時也影響周邊建筑物的安全。為了保證周邊建筑物及基坑自身的施工安全，根據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120—2012）及《建筑基坑工程監測技術規范》（GB 50497—2019）等要求，在土建施工階段必須開展相關的變形監測工作。圍護結構體水平位移監測能直接反映樁（墻體）沿深度方向上在不同深度處的水平位移變化情況，并及時掌握圍護結構體在水平方向上的最大位移量及其深度，用于判斷圍護結構的穩定性及其變形發展趨勢，分析整個基坑的穩定性及安全狀態。基坑圍護結構體水平位移監測往往采用埋設測斜管的方式進行，但在一些工程中往往受限于現場條件而不能埋設測斜管。基于這一矛盾，選擇既適應作業場地條件又能滿足監測精度的方法，高效提供監測信息，是監測人員應關注并考慮研究的問題。

1 監測方法簡介

1.1 傳統深層水平位移監測方法

深層水平位移監測主要是通過測斜儀來進行的，它能深入基坑圍護結構內部，了解基坑開挖過程中圍護結構在不同深度處的水平位移情況。監測人員要根據要求在需要進行測斜監測的圍護結構或被支護的土體中埋設測斜管，監測時把測斜儀的導輪沿測斜管內壁的導槽（導槽方向與基坑走向垂直）滑動到孔底，以孔底為基準點，從下往上每隔0.5m測1個點。當被測樁、墻體或巖土體變形時，測斜管軸線產生撓度，用測斜儀測量測斜管軸線與鉛垂線之間夾角的變化量，從而獲取被測對象內部各點的水平位移，其原理如圖1所示[1]。

圖1 深層水平位移原理示意圖

當被測結構物發生傾斜變形時，測斜儀將同步感受變形，測斜儀與鉛垂線方向呈現一個角度，探頭的加速度計就會有一個輸出值，如下式所示[2]：

式中：C為探頭零偏；k為探頭標度因數；g為地球重力加速度；α為傾斜角。

為了消除零偏的影響，一般采用正反觀測，分別記為A正和A反。將A正-A反得：

從圖1中可以看出：

式中：L為導輪輪距，0.5m；Δi為水平位移；α為傾斜角。

將式（3）帶入式（2）中可以得到下式：

對于一個測孔來說，根據結構物的傾斜變形量，可以獲得各測點的位移總和，即：

式中：Δ總為測孔全長范圍內的位移量；n為該測孔內的測點數。

1.2 新的監測方法

筆者工作中遇到一處基坑，其位置比較特殊，一半位于陸地，一半位于水中，圍護結構為拉森鋼板樁。開挖期間為了實時了解拉森鋼板樁的受力及安全情況，需要對靠近河側拉森鋼板樁進行變形監測。由于結構及場地原因無法布設測斜管，因此從測斜管的原理出發，筆者設置了一種新的監測方法，介紹如下。

在拉森鋼板樁觀測斷面處，從上到下依次粘貼全站儀反射片（考慮到經濟性和實用性，設置間距為1m），如圖2所示。在基坑施工影響區域外的某個建筑物上設置一枚小棱鏡作為基準點，監測實施時，在中間陸地上架設全站儀測量基準點與拉森鋼板樁之間的水平距離S水平（S水平=S水平1+S水平2），兩期監測的水平距離之差ΔSi，即為鋼板樁對應位置的水平位移量。后續的數據處理及統計分析與傳統深層水平位移方法類似。

圖2 拉森鋼板樁深層水平位移監測示意圖

2 監測精度分析

根據圖2可得下式：

根據誤差理論，兩邊求導，通過精度分析理論可得[3-4]：

可求得一個測回：

根據施工現場情況，α1取值為10°～30°，α2=3°，S1取值在15～30m，S2約為100m。現場監測全站儀為徠卡TM30，其角度觀測精度mα為0.5″。計算得出mS平距最大值為0.94mm。為了提高監測精度，設置全站儀觀測3個測回，mS平距最大值為0.54mm，滿足監測精度不大于1mm的規范要求。

3 工程實例

某工程基坑深度（水面至承臺底）為10.2m，采用鋼板樁圍堰+鋼支撐作為圍護結構，圍堰的長邊與水流方向一致，長度約為83m、寬度約為17m，鋼板樁樁長21m，設3道內支撐，其中第三道支撐為臨時支撐。該項目基坑監測包括圍護結構頂部水平位移及沉降、鋼支撐軸力、周邊地表沉降、深層水平位移。由于現場條件受限，靠近河側深層水平位移采取文章上述方法進行監測。

該項目從基坑開挖到鋼圍堰拆除共計兩個半月，共計完成61期的深層水平位移監測，最終的累計變化情況如圖3所示。距離頂面1m處鋼板樁向內累計偏移13.3mm，距離頂面7m處鋼板樁變化幅度最大向內累計偏移35.7mm。

圖3 鋼板樁深層水平位移累計變化曲線圖

4 結論

（1）由鋼板樁深層水平位移累計變化曲線圖可以看出，由于水壓的影響，基坑越深鋼板樁受到水壓影響越大，向內變形也就越大。

（2）為了測到基坑最深處的反射片，需將全站儀靠近基坑邊緣架設；另外，由于基坑出土施工，現場比較混亂，需要選擇施工間歇期進行監測。鋼板樁深層水平位移監測在時間和空間上有一定的局限性。

（3）由于現場基坑外剛好有一處建筑，可以布設基準點；如果工程附近沒有可利用的建筑，可以選擇設立強制觀測墩。

（4）文章所述方法從理論到實踐進行了論證，事實證明該方法可以替代傳統深層水平位移監測方法，對于有類似需求的工程監測具有借鑒意義。