狹小空間深基坑支護智能化安全監測施工關鍵技術

文／姜富偉、李廣、朱家軍 中國電建市政建設集團有限公司 天津 310000

引言：

隨著我國城市改造工程的快速推進，城市空間利用率的日益降低，工程規模密度的不斷擴大，工程中逐步普遍應用的深基坑垂直支護，但是工程的施工空間受到一定的限制。而深基坑垂直支護在工程被逐漸廣泛應用。為確定垂直支護的安全穩定性能，了解工程地質、水文、結構、力學等眾多因素等，依據施工環境特點、原始數據計算、確定支護結構形式與施工方法。淝河鎮箱涵最大開挖深度9.8m，地質為粉砂層，地下水豐富，且臨近鄉鎮自建商鋪并與G105 國道等環境復雜，施工作業空間狹小，無法進行大邊坡開挖，同時臨近房屋建筑較近，防止在長時間的施工過程中造成不均勻沉降，項目通過多方案對比分析，采用采用灌注樁+三軸攪拌樁+高壓旋噴樁+水平支撐垂直支護。在實施過程中，在盡量避免支護結構運行過程中的工藝偏差和水文氣象等外部不利因素的影響，優先保障人員安全和財產安全。對支護結構的變形、沉降、位移及周邊建筑物、構筑物的位移等情況，采用智能化安全監控系統進行監測，對可能出現的異常情況及時采取必要的措施提前預測，確保項目安全，防止項目毀損事故和環境事故的發生。

1.工藝原理

智能化安全監測系統以互聯網為基礎，依托結構安全監測，利用云計算技術創立基坑健康狀態的理念，建立集物聯網架構體系、云計算、互聯網等技術于一體的智能基坑在線安全監控系統。該系統通過基坑沉降監測點及周邊建筑物相應監測點布設監測棱鏡，在支護結構混凝土內部表面埋設傳感器，通過采集終端和數據傳輸模塊、全站儀觀測并布設一定數量的靜力水平測定儀輔助實時觀測，并將數據傳輸到監控平臺、輸出報表和預警等軟件上，實現對數據的處理，對深基坑實現智能化安全監測。該系統主要對數據采集技術、數據智能處理、項目多樣化管理、能夠幫助項目管理人員及時了解項目健康動態，能夠為生產決策提供及時可靠的項目信息，為建筑、橋梁、市政、軌道交通等深基坑領域開發項目順利實施提供安全護航。

2.工藝施工方法

2.1 施工工藝流程

施工準備→確定監測內容與監測頻率→監測方法及測點布設→監測數據處理與分析。

2.2 施工準備

根據施工需要，對現場智能化安全監測儀器各類施工人員按照需求準備進場；同時按照進度需求計劃對現場的設備材料分批次進場，并對進場的每批次的材料進行抽查，確保合格后方可使用。針對工程的難點與復雜特點編制專項施工方案，并組織專家評審后對現場施工人員分級進行交底，確保按照評審方案具體實施。要根據基坑工程施工進程開展基坑監測儀器的安裝、監測點埋設與位置的測量等工作，以確定監測流程[1]。

2.3 確定監測內容與監測頻率

2.3.1 監測內容

監測的重點是周邊建筑物和基坑圍護結構本身，在基坑開挖深度一倍的范圍內，作為監測和防護對象。主要監測項目根據實際情況確定，包括以下內容：（1）監測豎向移位、水平移位及圍護樁頂（坡）支撐軸力等圍護結構體系。（2）對周圍建筑物橫向、縱向的位移情況進行監測以及開展環境監測工作。（3）加強日常安全巡查和基坑項目巡查力度。

2.3.2 監測頻率

工程監測工作要待基坑主體工程土方回填工作結束后才能停止，并穩定各項監測數據的變化率，監測頻次設置主要包括詳見：表1 監測頻率表。

表1 監測頻率表

2.4 監測基準網布設

在遠離基坑影響范圍設置沉降(豎向位移)監測控制網和水平位移監測控制網基準點及工作基點，以便于反復測量。選擇比較平緩的通視地段，不容易被阻隔。在不受基坑施工影響的建筑物上安裝監測棱鏡，是水平位移監測基準點的布設方式[2]。

2.4.1 樁（坡）頂豎向位移監測

（1）測點布設

在埋設圍護樁頂端豎向移位觀測點時，首先需要在圍護樁頂端的冠梁上打一個10cm 左右深的孔，再用高效植筋膠水將強制歸心監測標識放入孔洞內粘接密實。待穩定后再觀察。

（2）監測方法

沉降監測基準網和變形沉降監測點布設閉合或附合水平路線，按Ⅱ等垂直位移監測控制網的技術要求觀測。在每次觀測，從水平控制點算起，對每個監測點的高程進行測算。兩個相鄰考點的高程差即為該考點的下沉量：此下沉量dhi=前方高程（hi-1）－此高程hi；累計沉降量∑dh 為第一沉降量累加至該測點的累計沉降量，即dh1+dh2+…+dhi。初次對測點高程測量兩遍并取中數。最后，變形值、累計變形值和變形量曲線是在歷次監測點的觀測值和初始值對比計算得出的。

2.4.2 樁（坡）頂水平位移監測

（1）測點布設

圍護結構頂部橫向位移監測點與縱向位移監測點在圍護結構頂部共用一個布設位置，并將一個小棱鏡連接在該測點上。

（2）監測方法：在基坑周圍穩定易監測的位置設置工作基點，并設置的對中標志觀測墩要用來監測。采用Ⅱ等導線測量方法進行水平位移監測控制網，可采用極坐標法，也可采用小角度方法進行觀測。水平位移監測控制網采用Ⅱ等導線測量方法，觀測采用極坐標法或小角度法。

2.4.3 支撐內力監測

（1）混凝土支撐內力監測

①支撐測點布設：在設置混凝土支承內力監測點時，應在支承結構長度1/3 處進行布置。同時，各層的監控點要保持豎向上的位置一致鋼筋應力計螺母應與鋼筋籠的主要鋼筋直徑相配，安裝時需將鋼筋計拉桿與一根長約0.5m、直徑相同的鋼筋進行碰焊，再用鋼筋螺絲與螺母將口擰緊，使其整體性成型，這樣才能完成鋼筋計拉桿的安裝。接下來，鋼筋支承的主筋上要焊上鋼筋計量計，焊長要達到規范要求。應注意對鋼筋應力計電纜線保護，在混凝土澆注時。

②支撐監測方法：在開挖前一天要測試鋼筋計的初始頻率值。測試時需要使用頻率接收器將鋼筋計的纜線連接起來，等待頻率穩定，這個測試結果就是本次的頻率值。通過這種方法對每個鋼筋計的頻率進行逐一觀測。以下公式需要用到支撐軸力的計算：

式中：N—支撐軸力（kN）；Ab、As—支撐截面面積和鋼筋截面面積（m2）；Ec、Es—混凝土、鋼筋彈性模量（kPa）；Ks—鋼筋計的標定系數（kN/Hz2）；fi—本次頻率值（Hz）；f0—初始頻率值（Hz）；Ts—鋼筋計的溫度修正系數（kN/℃）；Ti—鋼筋計的本次測試溫度值（℃）；T0—鋼筋計的初始測試溫度值（℃）。

安全判斷條件：n 不大于[N]，其中[N]為允許值。由于軸力監測元件對溫度比較敏感，在進行軸力監測時應注意環境溫度對測量的影響，因此建議在溫度相同的情況下測量。

（2）鋼支撐內力監測

①軸力測點布設：軸力測定儀在鋼撐各測點位置安裝1 臺，在安裝鋼管支承前先在支承上焊接軸力測定儀。鋼支承的軸心、軸力計一定要成直線，彼此接觸面要平。這樣可以保證鋼支撐在正常受力狀態下，通過軸力計把力準確地輸送到支護結構上。先將一塊尺寸為250×250×25mm 的加固墊片焊接在安裝軸力計的墻體上，使之與鋼支撐的末端相吻合，再將軸力計安裝支架與加固墊片進行緊密焊接固定。避免鋼制支撐受力，軸力計陷入鋼制圍架，從而影響試驗結果。軸力測定儀插在安裝框內，待焊接溫度冷卻后用螺絲固定。詳情見圖1。

圖1 軸力計安裝示意圖

②鋼支撐軸力監測方法：把軸力測定儀安裝在鋼支承的端頭軸力測設，通過軸力計測量出在某一負載下的自振頻率，使用頻率接收器記錄這一數據。鋼支承軸力計算公式為：

式中：P—鋼支撐軸力值（kN）；K—傳感器的標定系數（kN/Hz2）；f0—傳感器的初始振動頻率在承受外力之前（Hz）；fi—軸力測定儀測得的某一荷載下自振頻率（Hz）。安全判斷條件：P ≤[P]，式中[P]為允許值。

2.4.4 周邊建筑物沉降監測

（1）測點布設

建筑四角、大轉角及建筑物伸縮縫處均設置建筑物垂直沉降監測點的位置，與靠近建筑工地方向適當多布點，同時與工地方向較遠距離布點加測。

在埋設標志時，要考慮到立尺與墻體或地面有一定距離，應避開任何會妨礙標志埋設或觀察的障礙物。在建筑物接近地面的結構中打入鼓型測釘，將其露出3～5cm在結構表面，測點的頭部呈凸球狀。

沉降觀測點的建筑物不方便直接布設的，可采用將沉降條形碼反射貼貼在建筑物表面的方式。

（2）監測方法

按垂直位移監測網Ⅱ級技術要求設置沉降監測點，并閉合水準路線。測量沉降通過水平測量法，利用索加SDL03 電子水準儀和銦鋼條碼尺組合來觀測沉降。

2.5 監測數據處理與分析

2.5.1 樁（坡）頂豎移位監測數據處理分析

（1）數據傳輸及平差計算

觀測記錄采用電子水準儀自帶的記錄程序，完成后生成原始的電子觀測文件，再通過數據傳輸到計算機，利用水準網平差軟件進行計算，最終得出每個點的高程值。在進行平差計算時，應選擇一個穩定的基準點作為起始點，并檢查獨立的閉合差，以及為了滿足所需的精度要求，至少要檢查與兩個基準點有附合的差值，這樣才能保證計算出來的數據準確無誤。在進行平差前，需要先對觀測資料的準確性、可靠性進行檢查，用嚴謹的平差方法計算后，才能通過檢查；平差做完后，數據要精確到0.1mm 方可。階段性沉降量、變形率、累計沉降等數據，通過比較不同時間點的變形觀測點高程值進行計算得到。

（2）變形數據分析

以穩定的基準點為基礎進行平差測算，對觀測點的穩定性進行分析。為了進行分析，將相鄰兩期的變化進行對比，取其中誤差的兩倍，分析最大變形量和最大測量誤差。若變形量小于最大誤差，則可推知在這兩個循環中，該觀測點并無明顯的變化。若相鄰觀測周期變形量不大，但多期變化趨勢明顯，則應視其變化情況而定。

2.5.2 樁（坡）頂水平位移監測數據處理分析

（1）數據傳輸及平差計算

利用全站儀，記錄觀測資料，生成電子原始觀測檔案，進行多個角度的測量和回測。每個點的坐標都是通過控制網平差軟件經過嚴密的平差處理后得出的。各期相鄰控制點之間的夾角、距離等進行比較，確保起算數據的可靠性，才能進行控制點平差的測試；然后，用嚴密的平差方法計算出控制網平差軟件。平差后的數據精確到0.1mm。隨著時間變化而變化的觀測點二維平面坐標值，可以計算變化的向量位移投射到與基坑垂直的位置上，并推算出形變、位移速率等各時期的數據，以及累積的形變。

（2）變形數據分析

與2.5.1 樁（坡）頂豎移位變形數據分析相同。

2.5.3 水平支撐內力監測數據處理分析

鋼支撐及砼支撐監測的數據利用自動采集儀采集，并通過4G 傳輸模塊傳輸至云平臺。

2.5.4 周邊建筑沉降監測資料處理分析

在計算內業成果前，為確保測高差、閉合差等往返程控制指標符合嚴格標準，按技術要求對外業觀測記錄進行檢查，內業平差參數必須全部合格。

利用平差軟件對觀測成果進行處理，開展了基準網觀測成果處理與穩定性測試。在平差過程中，以測站數為權重計算，從而得出歷次觀測高程值，對高程的誤差狀況進行評定。基線網在初期進行兩次獨立觀測，并以兩次平均值作為基線點的初期高程。基準網的穩定性分析需要在每次基準網觀測結束后進行，這是比較各個基準點的觀測高程和初始高程的過程。若發現測差大于2 倍以上高程中誤差，則基準網不穩定，需重新觀察或優化該點，對其實施高程修正；若未找到不穩定之處，則取其原始數值。本次沉降量可根據當期高程與上期高程差值比較后推算得出；累計沉降量可與初始高程相比較推算得出。沉降量以下沉為正值，上浮為負值[3]。

結語：

淝河鎮箱涵開挖深度達9.8m，且周邊環境復雜，施工難度大，通過采用灌注樁+三軸攪拌樁+高壓旋噴樁+水平支承垂直支護，結合智能安全監控系統，對支護結構變形、沉降、位移以及周邊建筑物、構筑物等情況進行監控，解決了自建商鋪導致的施工作業空間狹窄、施工作業空間狹小等問題，同時還解決了同時，通過對深基坑的現場智能監控和安全監控數據分析，解決了該區域因施工需要，提前預警排除各類隱患，為項目整體施工提供了有力保障，較好地完成了監控任務。