深層水平位移測量在深基坑監測中的應用研究

韓 超，任國家，王孟瑩，葉佐俏，朱德勤

（1.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；2.建研院檢測中心有限公司，北京 100013；3.北京市城建研究中心，北京 100037）

0 引言

近些年來，國內房地產項目取得了空前的發展，在以往建設難度很大的深厚軟土地區、濱海地區也建設了大量的工程項目。為在深厚軟土地區、濱海地區挖設深基坑以滿足工程建設需要，國內外提出了動態化監測的施工方法以保證深基坑項目的安全運行。其中深層水平位移測量是深基坑動態化監測中不可缺少的監測環節，也是深基坑監測方法中最為有效的監測手段之一。深層水平位移測量以其特有的深層土體位移敏感性、前瞻性在基坑監測中應用較廣，屬于一二級基坑的應測項目。

1 深層水平位移測量原理

在深厚軟土地區、濱海地區的深基坑工程項目中，基坑支護結構的深度往往較高，支護樁長達 30 m 以上，甚至有的深基坑項目采用了大直徑的支護灌注樁或地下連續墻，樁底不僅位于砂土或全風化土層中，還有的項目支護樁也已深入巖層，樁底的穩定性非常好。故而在深厚軟土地區、濱海地區的深基坑工程項目中，一般可在支擋結構中綁扎測斜管或鉆孔埋設測斜管的方式用以量測深層水平位移。測斜管的埋設長度可以與支護結構長度一致，以增強測斜管的穩定性。埋設測斜管時，應將一對導槽對準臨空方向。深層水平位移測量時，可將測斜儀放入測斜管管底［1，2］，再逐段依次測量。

當深層土體產生變形時，測斜管將跟隨土體產生位移。測量時，鉆孔測斜儀中的鉛錘受重力的影響將始終保持豎直方向，儀器中封裝的高精度角度傳感器可量測測斜儀桿件軸線與豎直方向的夾角θi，則測斜儀所在位置的深層水平位移 ΔSi（傾斜值）等于儀器長度L乘以夾角θi的正弦值 sinθi［3］。以鉆孔孔底為起始點，通過自下而上對所有位移值的累加可得到不同深度處的水平位移值。深層水平位移測量原理如圖 1 所示。

圖1 深層水平位移測量原理示意圖

圖 1 的原理可以采用代數式表達出來，將測斜管總長度分割成若干個測斜儀桿長 ，自下而上依次測量不同位置的傾斜值，則可以通過不同位置傾斜值的累加，最終得到測斜管孔口處的水平位移值。公式表達式見式（1）、式（2）。

式中：L為測斜儀測量桿長，m，一般為0.5 m；θi為測斜儀桿件軸線與豎直方向的夾角，°；ΔSi為第i段的測量水平位移值，m；S為鉆孔深度范圍內的總測量水平位移值，m。

2 深層水平位移測量案例

本文選取某基坑監測項目的 2 個深層水平位移監測孔的測量數據來分析深層水平位移測量在深基坑監測中的應用。該項目位于廣東省珠海市橫琴新區，場地原始地貌屬于海陸交互相堆積地貌，場地內分布軟土厚度高達 20 m 以上，屬于大厚度軟土地區，項目基坑開挖深度為約 4.90～6.40 m，基坑周長約 695 m，屬一級基坑，基坑深部土體存在較大滑移可能性，具有較高的危險性；為確保安全，基坑支護方式采用錨拉式支擋結構（單排混凝土灌注樁加預應力錨索支護），混凝土灌注樁樁長約 25～30 m 不等，樁底嵌入中風化巖層，預應力錨索布置于樁頂以下 1.5 m 處；依據設計要求，本項目共布設深層水平位移監測點 30 個，監測頻率如表 1 所示，監測預警值如表 2 所示。

表1 某深基坑監測頻率

表2 某深基坑監測預警值

采用鉆孔法在支護混凝土灌注樁中埋設測斜管，并使測斜管一對導槽方向對準臨空方向；測斜管與鉆孔孔壁間的空隙采用細砂及水泥漿灌注。在深層水平位移測量時，采用系統精度為±2 mm/30 m、導輪間距 0.5 m的高精度測斜儀進行測量。因支護混凝土灌注樁已嵌巖，監測采用以測斜管孔底作為位移的起算點，并以同一孔位正反測量取平均值的測量方式；監測過程未采用孔口數據修正。

本文選取了該項目第 19 號、22 號監測孔在 2019 年7 月 29 日-2020 年 5 月 6 日期間的監測數據，監測總次數約為 80 次，繪制成水平位移與深度的觀測曲線如圖 2 所示。

圖2 深層水平位移監測數據曲線圖

從第 19 號、22 號孔的工程監測曲線中可見，該深層水平位移監測曲線基本正確反映了深層土體的變形情況。在基坑開挖至坑底時（對應第 48 次測量），深層土體變形速率明顯變大，達到監測預警值，基坑施工單位立即進行了反壓回填處理，深層土體變形速率逐步縮小。可見深層水平位移測量為施工過程中了解深層土體的變形提供了依據，保障了基坑施工的安全。

圖 2 中的土體深層水平位移曲線呈開口狀，孔口水平位移值大于灌注樁樁身位置的位移值。而該基坑項目采用錨拉式支擋結構，由于預應力錨索對樁頂的約束作用，樁頂的水平位移較小，土體深層水平位移曲線理論上應呈現出“兩頭小，中間大”的“凸型”曲線形態［4，5］。可見，工程實測曲線雖然能夠正確地反映土體的變形速率，為了解深層土體的變形提供依據，但是監測孔深層水平位移曲線包含了一定的誤差，影響監測數據的分析。

為對誤差大小有直觀的感受，在項目監測完成后，筆者對第 19 號、22 號監測孔的孔口水平位移采用全站儀［6-8］進行了量測，結果如表 3 所示。

表3 孔口水平位移測量結果

從表 3 中可見，全站儀量測的孔口水平位移值（可認為是土體真實變形值）僅為采用測斜儀量測的孔口水平位移值的 80 % 左右。如果采用全站儀量測值作為孔口的水平位移值，土體深層水平位移曲線將在一定程度上呈現出“兩頭小，中間大”的“凸型”曲線形態，這與理論形態更為接近。

由此可見，在整個監測周期內，深層水平位移測量計算的孔口水平位移值中包含了不容忽視的累積誤差。

3 減小誤差措施

雖然市面上現有儀器精度已經較高，儀器誤差控制較好，能夠滿足深層水平位移測量的需求，但是對于工程項目而言，其監測過程往往長達數月乃至 1～2 年，尤其是大厚度軟土地區的深基坑項目，施工進度較慢，監測周期遠長于普通基坑，監測次數可能高達百次以上。此時，即使是較小的儀器系統誤差經過幾十次、上百次的累積后，測量誤差也將超出能接受的范圍，故而減小誤差是深層水平位移測量必須考慮的問題。減小深層水平位移測量誤差可以從減小儀器系統誤差、溫度誤差等入手［9，10］。

儀器自身系統誤差是儀器制造時因制作工藝而不可避免地存在的誤差，是非隨機性的誤差，在測量時，可以采取“正反測取平均值”的方式來消除儀器系統誤差。在測量時應當標記儀器的正測方位，并調轉 180°作為反測方位，每次均應同時進行正反測，并采用正反測平均值作為測量結果。

溫度誤差在深層水平位移測量中也是存在的，因測斜儀在測量前保存在儀器箱內，儀器初始溫度必然與測斜管內的水溫不同，因此為保證測量的準確性，在施測之前，應將測斜儀放置在測斜管內 10～20 min 使得測斜儀與管內水溫一致，以減小溫度誤差帶來的影響。

4 結語

深層水平位移測量在基坑監測中應用較廣，是一種準確了解深層土體水平位移情況的方式，為動態化施工、信息化施工提供了依據，尤其在深厚軟土地區、濱海地區的深基坑項目中應用十分普遍。本文結合廣東省珠海市橫琴粵澳深度合作區的深基坑工程項目分析了深層水平位移測量與全站儀測量結果不一致的原因，指出了測量誤差的存在，并提出了減小誤差累積的測量方法，為此類工程提供參考。Q