高靈敏度飽和土地質條件下基坑監測實踐與分析

聶建國

(山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

基坑開挖是建筑施工中的重要環節,而科學、實時、準確地進行基坑監測是保障基坑安全和基坑周邊環境穩定的基礎[1]。隨著城市敏感區域深基坑增多，規模越來越大，大量不穩定影響因素出現，對基坑安全帶來隱患，而監測技術能夠有效規避此類風險[2]。通過對基坑周邊構筑物沉降、基坑頂層水平位移、深部側向位移、錨索受力及地下水位變動等進行監測[3]，能夠及時提供真實、準確、可靠、客觀的監測數據指導施工與預警，從而確保支護結構和周邊環境的安全。在監測過程中，特殊地質條件下基坑監測難度大，工程上常用靈敏度來衡量黏性土結構性對強度的影響，土的靈敏度越高，結構性越強，受擾動后土的強度降低就越明顯，高靈敏度飽和粉質黏土因其土質特性，對工程監測的實施是一種挑戰[4]。本文依托實際工程監測施工，詳細闡述了在高靈敏度土質情況下監測方法的應用及監測效果分析，以此為同類工程施工提供借鑒。

1 高靈敏度飽和粉質黏土地質條件下基坑監測方法

1.1 高靈敏度土工程特性調研分析

高靈敏度土是St=Qu/Qt(原狀土與其重塑后立即進行試驗的無側限抗壓強度之比值)>4的土體。高靈敏度黏土含水量大，孔隙比大，對擾動、施加荷載等條件的變化反應極其敏感。由于土質特性，在基坑工程進行圍護施工產生擾動時，影響顯著。經調研研究，高靈敏飽和粉質黏土其黏聚力和內摩擦角會同時降低，反映到基坑工程上，基坑頂部的橫向位移、豎向位移增大，穩定性變差。因此對此類特殊土層條件下進行基坑監測應重點關注上述變化的監控。

1.2 高靈敏土條件下基坑工程監測方法

基于上述分析，對于高靈敏土條件下基坑工程主要對基坑頂部水平位移、豎向位移以及圍護結構(錨索)受力監測。

1)基坑頂部水平位移監測。

采用極坐標法，其原理如圖1所示。

測定待求點C坐標時，首先計算已知點A，B的方位角：

測定角度β和邊長BC，計算BC方位角:

αBC=αBA+β。

最后確定C點坐標：

XC=XB+S·cos(αBC)。

YC=YB+S·sin(αBC)。

通過坐標公式ΔXn=Xn-Xn-1，ΔYn=Yn-Yn-1，累計各個監測點坐標增量計算得到最終的位移量。

2)基坑頂部豎向位移監測。

采用水準測量方法，各期監測采用往返測或單程雙測站，每次測量均組成閉合路線或附和路線。水準測量原理如圖2所示。

根據上述原理進行位移增量計算：坐標增量ΔHn=Hn-Hn-1，各次位移量之和即為該點的累計位移量。

3)支護結構(錨索)內力監測。

通過采集的頻率值，計算得出此次軸力值；基于此對比該次軸力值與上次軸力值計算單次軸力變化量，可以對比該次軸力值與初始軸力值計算累計軸力變化量。

位移變化能夠最直觀體現出基坑的結構性變化，對于基坑的危險預警與及時采取措施能夠起到良好的效果，支護結構的內力監測也能夠間接反映基坑是否處于穩定狀態，故通過上述三個監測數據的收集，在高靈敏度飽和粉質黏土地質條件下的基坑施工中能夠較好地對土層結構性變化進行控制，保障工程安全可靠。

2 工程實例

太原市小店區地鐵車輛段預留12號線(人民南路中線—人民東巷路中線)工程，工程基坑長約319 m，寬約51 m，基坑開挖深度7.5 m～10.5 m。

工程基坑支護范圍內主要為高靈敏度飽和粉質黏土，基坑側壁受擾動后土的強度降低十分明顯。基坑支護采用灌注樁與預應力錨索支護方式。基坑降水采用管井降水。

基坑監測項目內容包括基坑頂部水平位移、豎向位移監測、錨索內力監測。

2.1 基準點、監測點點位布設

基準點的布設：根據GB 50497—2019建筑基坑工程監測技術規范，在坑外穩定不受擾動的部位設置3個水平位移監測基準點(編號J1～J3)，豎向位移基準點與水平位移基準點為共用點。

監測點布設：針對高靈敏度土質基坑特殊性，布設原則為規范基礎上在間距、特殊部位進行加密監測，監測點數量提高1倍?；禹敳克轿灰?、豎向位移監測點水平間距均小于20 m，各布設40個監測點。尤其在基坑各邊中點及陽角處加密布設；錨索內力的監測點上不少于5個，布設于端部或中部，并隨深度變化增設；同時針對高靈敏土孔隙比大，受水影響強度變化的特征，進行地下水的監測，基坑四周布設水位孔，孔距宜30 m～40 m?；颖O測點平面布置圖見圖3。

2.2 監測設備和監測方法

1)基坑頂部水平位移監測。采用的儀器設備：索佳NET05X型全站儀，測角精度為0.5″，測距精度為1 mm+1 ppm。采用獨立坐標系統，坐標軸與基坑邊線方向一致。具體監測方法：分別在水平位移基準點和工作點上架設儀器，采用極坐標法進行監測，觀測測回數為2次。最后通過上述極坐標原理計算得到位移增量及累計位移量。

2)基坑頂部豎向位移監測?；禹敳控Q向位移監測使用儀器設備：索佳SDL1X型電子水準儀及配套的銦鋼尺，精度為每公里往返測量高差中數的中誤差不超過0.5 mm。采用獨立坐標系統。具體觀測方法：采用水準測量的方法進行監測，各期監測采用往返測或單程雙測站，每次測量均組成閉合路線或附和路線。最后通過上述水準測量原理累計各次位移量之和即為該點的豎向位移量。

3)錨索內力監測。錨索內力監測儀器設備：在錨索施工張拉時，將YT-1200型測力計安裝在監測錨頭上，采用406A型讀數儀測量。根據各軸力計算從而得到軸力變化量，掌握內力的變化。

2.3 高靈敏度土質基坑監測預警機制

1)監測閾值提升。在GB 50497—2019建筑基坑工程監測技術標準[5]基礎上各項報警控制值及監測精度均相應提高20%以上?；禹敳克轿灰评塾嬜兓繄缶悼刂茷?0 mm，變化速率2 mm/d；基坑頂部豎向位移累計變化量報警值控制為10 mm以內，變化速率0.5 mm/d；錨索內力報警值控制為500 kN。水平位移精度要求不大于0.5 mm；豎向位移精度要求高差不大于0.1 mm。

2)預警機制設定。由于高靈敏度土抗干擾能力弱，靈敏度較高，常規的監測頻率與監測方式已經不能滿足工程需求，因此針對性地提出多等級、分工況的監測的預警機制。首先通過預先設定在施工過程中監測點的預警狀態按照嚴重程度由輕到重分為紅、橙、黃等級。按照不同等級分別提高監測頻率20%，50%及100%。同時，按照不同工況進行監測頻率的控制。在遇到降水天氣、支護結構施工對周邊墻體有干擾以及基坑中點、陽角等關鍵部位施工工況下，提升監測頻率1倍。

3)實際工程施工。具體工程監測施工于2018年7月31日開始對工程進行基坑監測，2019年8月1日結束監測，歷時1 a時間，工程在實際施工過程中采用分段開挖、分段回填的施工工序，故監測點的監測周期及次數有所不同。實際施工時，考慮到高靈敏度粉質黏土地層的特殊干擾性，工程在基坑開挖過程中，每天進行監測1次；底板澆筑完成后3 d到基坑回填每周進行監測2次～3次。同時，在監測過程中，監測頻率根據現場施工情況及數據變化情況確定。實際監測工作中，共對基準網的水平位移及豎向位移進行監測40次，基坑頂部水平位移及豎向位移監測128次，錨索內力監測81次。

3 監測數據統計及分析

本項目基坑自2018年7月31日開始監測，截至2019年8月1日結束。基坑監測期間發出2次預警信號。

1)2018年9月17日，基坑監測點(點號747.1，747.2，747.3，N720，N700，N680，N660，N640)的累計水平變化量達到58.4 mm～293.7 mm，超過報警值30.0 mm；基坑監測點(點號747.2，747.3，N740，N720，N700，N680，N640)的累計豎向位移變化量達到14.1 mm～27.1 mm，超過報警值10.0 mm。

原因分析：施工期間遇到降雨，基坑正值開挖支撐階段，由于天氣原因開挖支撐不及時，導致高靈敏土強度受擾動后驟降，角部及坑邊位置支護結構位移顯著增加。

實行措施：采用基坑加固應急措施，同時將現場的監測頻率提高至1次/1 d，歷時38 d，直至2018年10月25日 基坑頂部監測點水平變化速率介于-0.20 mm/d～0.70 mm/d后，逐步降低監測頻率。

2)2018年11月26日，基坑監測點(點號N600,N580,B600,B580)的水平變化速率達到11.90 mm/d～21.90 mm/d，超過報警值3.0 mm/d。

原因分析：由于施工期間開挖卸載過快，使得本身靈敏度高的土體強度急劇降低，導致變化速率增大超過預警值。

實行措施：在報警值響應后第一時間進行土層加固措施，穩定變化速率后將現場的監測頻率提高至1次/2 d，歷時56 d，直至2019年1月11日基坑頂部監測點水平變化速率介于-0.05 mm/d～0.25 mm/d后，逐步降低監測頻率。

最大變化量結果如表1所示。

表1 最大變化量匯總結果表

研究選取工程監測工作一段時間部分監測點的監測數據進行分析，累計變化曲線如圖4～圖6所示。

從圖4～圖6中可以看出，支護結構水平、豎向位移，錨索內力在某個時間段內，基坑位移的變化量會急劇的增大，而其余時間段內，變化相對要穩定一些。結合工程的具體施工時間，實際施工工序會對基坑側壁有一定的擾動，基坑的位移會有明顯的增大，在其余施工工序進行時，基坑側壁的位移量會明顯減小，變化量比較穩定，監測顯示能夠很好符合基坑實際施工規律。同時也表明高靈敏度飽和粉質黏土地質，擾動后變形幅度較大，變形響應較快，體現了該種地質情況下受擾動程度影響大，因此根據兩次突發報警情況實踐經驗總結，針對此類土層設置適當的層級預警機制，出現預警后加大監測頻率，及時采取措施控制或緩解當前變化趨勢[6-7]。

4 結語

本文結合實際工程，針對高靈敏度飽和粉質黏土特殊地質條件下基坑監測的方法、監測控制及實踐分析進行了詳細闡述，提出了利用支護結構頂部水平位移、豎向位移及內力監測方法進行基坑監測，經工程實踐分析表明，該方法能夠很好的反映基坑支護結構受力變形特點與變化情況，在基坑出現工程風險時，能夠及時發出預警信號并采取相應應急措施，達到有效規避工程風險的效果。提出的監測手段便捷，提高了監測工作效率，為高靈敏度飽和粉質黏土地質條件下基坑監測提供了較好的工程實踐經驗。