試論城市基坑變形監測技術的應用

丁松江

（湖南省自然資源調查所，湖南 懷化 418000）

0 引言

近年來我國經濟增速放緩，產業格局升級迭代趨勢明朗，各種新興技術涌現出來，為建筑工程的發展優化注入了活力。自動化變形監測技術作為其中的代表性類別，具有高效、便捷、精準等鮮明優勢，應用在基坑變形監測工作中，不僅能夠提高監測數據更新速率，還可以有效節省人力物力，保證施工安全性和經濟性。新時期基坑工程建設規模擴大、深度增加，如何利用好、發揮好自動化變形監測技術優勢，成為諸多建設施工單位關注的焦點，有必要深入探討。

1 案例工程概況

為直觀說明城市基坑變形監測技術的應用要點，文章引入某建筑項目基坑工程實例輔助闡述。工程總占地面積為32552.46m2，地上2 層，地下1 層，高度約30m，為市區規劃博物館?；娱_挖及支護設計過程中，綜合考慮了安全性因素和經濟性因素，采用了放坡+預應力錨索+土釘的復合支護體系。由于工程本身的開挖深度較大周邊毗鄰城市道路，施工擾動風險較高，因此必須進行系統、全面的基坑變形監測。

2 城市基坑變形監測技術應用要點

2.1 變形監測方案設計

本次變形監測指標主要包含深層水平位移值、土釘及錨索內力值、周邊建筑物沉降值等，監測方法包含自動化監測和人工巡視檢查，其中自動化監測依靠各類全站儀、水準儀設備實現。同時指定專人定期巡視現場，巡視內容主要包括：①支護結構情況，重點關注支護結構成型質量、立柱有無重大變形、基坑有無流砂、管涌等。②施工工況，重點關注地下水排放是否正常，基坑分層開挖厚度是否符合要求等。③周邊環境情況，主要觀察周邊道路有無裂縫、管道有無破損。④監測設施情況，主要關注各監測元件是否完好，有無影響監測的障礙物等。自動化監測和人工巡視互為配合，最大限度保障監測效能[1]。

2.2 監測點布設技術

監測開始前要對現場情況進行系統、全面調研，結合需求選取監測點布設位置，確保監測數據能夠精準反應基坑邊坡、周邊建筑物變形情況，進而為施工組織和方案優化提供充足依據。本次共設置了92 個監測點，其中基坑邊坡位置共設置了42 個，用以監測深層水平位移情況；周建建筑物區域設置10 個監測點，用于監測建筑物沉降情況；另外設置16 個水位觀測孔，主要集中在基坑中部區域；對錨索、土釘等支護結構，同樣進行了監測評估，共設置24 個監測點，分別位于基坑東西兩側，監測數量控制在錨索總數的1%～3%，且總數大于3 根。相鄰測點之間間距控制在15～17m，總體的監測點布設情況如圖1 所示。布點完畢后進行復核檢查，結果符合《建筑基坑工程監測技術標準》（GB 50497—2019）所述要求，每邊點位不少于3 個，且能夠保證中點有點?；娱_挖期間施工擾動較大，要適當提高監測數據更新頻率，通常1～2d 一次，其他時間段土層擾動較小，每3～5d 更新一次數據即可。若監測變形值出現突變、超限等情況，還需要對應提高監測頻率，采用連續監測方式及時掌握基坑變形情況。若施工過程中出現暴雨、降雪等情況，同樣要加強監測。

圖1 案例基坑工程變形監測點分布

2.3 監測實施技術

監測點布置完畢后，要及時開展自動化設備儀器的安裝連接工作，本次使用leicaTS60 全站儀進行原始數據的采集，選定工作基點后，連續測量3 次并取平均值，以確保測量精度的提升。該全站儀采用光斑分析法優化靈境驗證方法，支持超遠距離下的自動目標棱鏡學習，省去了棱鏡調節的煩瑣操作，有助于排除日照等干擾目標，進而保證測量數據的可靠程度。設備測量精度為0.5″，配備壓電陶瓷直驅技術，轉速快且噪音低，能夠滿足基坑工程自動化監測需求?；迂Q向位移監測環節，主要使用DiNi03 數字水準儀，其中首次監測時使用往返測法進行數據采集，單點同樣需要連測3 次并取平均值，后續直接單程觀測即可[2]。要求基坑頂部變形絕對值控制在25mm 以下，豎向位移絕對值控制在20mm 以下，且變化速率均不能超過2mm/d，否則將會對周邊建筑物造成較大影響，一旦超過該限值，系統會自動發出告警提示，提醒現場工作人員注意。深層水平位移監測環節，主要使用測斜探頭進行測量，提前在指定點位上埋設測斜導管，正式測量時沿導管放入探頭進行讀數測量，通常情況下每隔0.5m 就需要讀取一次讀數，邊記錄邊向上提拉，所得數據輸入軟件平臺進行可視化分析處理，要求深層水平位移變形絕對值不超過30mm，變化速率同樣不能大于2mm/d。地下水位監測環節，需要先測出孔口絕對高程，然后使用水位計對地下水進行檢測，儀器配置的傳感器接觸到液面后，會發出聲光提示，此時讀取刻度指示即可。錨索、土釘內力監測過程中，主要借助正弦頻率讀數儀進行測量。

2.4 監測成果處理技術

2.4.1 深層水平位移分析

為提升監測數據的代表性和精確性，本次共設置了16 個測斜孔，用于收集基坑深層水平位移參數，施工過程中部分點位被破壞，剩余12 個點位有效，圖2為LD6 測斜孔深層水平位移變化曲線。從圖2 中可以看出，基坑開挖之初各點位的位移量差別并不大，曲線接近直線，后期位移量逐漸增加，測得的最大位移達到了14.2mm。分析后發現這主要是因為開挖初期，土方開挖量不大，基坑周邊土體的擾動較小，后期開挖土方量提升后，中部的土體卸載，周邊土體產生對內的擠壓效應，進而加劇基坑變形。此外，施工區域6月份暴雨增多，受到雨水影響，基坑周邊經常出現滲水現象，同樣影響了支護體系穩定性。從監測數據上看，LD6 測斜孔在施工中期出現了異常變形情況，某日最大位移超過25mm，最大變形速率更是達到了3.21mm/d，自動化監測設備發出告警，監測管理人員據此進行了風險評估和分析，對錨桿進行了預應力調整，補償了預應力損失部分，后期監測位移量達標，能夠滿足施工需求[3]。

圖2 案例工程2022 年LD6 測斜孔深層水平位移變化曲線

2.4.2 土釘內力分析

本次土釘內力監測項目中，采用了正弦頻率讀數儀測量方式，圖3 為某剖面的土釘拉力監測結果，其中TD1～TD6 均為剖面測點名稱，豎直方向上由高至低排列。從分析結果上看，伴隨開挖深度的增加，土釘受力情況呈現出上升趨勢，且軸力分布有著明顯規律，一般是兩邊小、中間大。其中位于上部的TD1、TD2 等測點受力更大，峰值可以達到的110kN，底層土釘受力較小，峰值僅有33kN。分析后發現，這主要是因為開挖過程中土體應力被充分釋放出來，上部土體出現向開挖中心移動的趨勢，此種狀況下土釘與土體之間產生的摩擦力也明顯上升，對土釘起到固結、約束作用，在滑裂面位置上，軸力值達到最大。后期開挖持續進行，土釘結構的固結程度上升，位移量明顯減小，且始終處于可接受范圍之內，說明該支護結構能夠滿足使用需求。

圖3 案例工程2022 年土釘受力變化曲線

2.4.3 錨索內力分析

案例工程錨索內力分析結果如圖4 所示。由圖4 可知，錨索預應力分布情況是存在一定規律的，會伴隨開挖層數的遞增，出現緩慢的預應力上升情況，且單根錨索的起始端受力最大，隨著長度的延伸逐漸減小，至錨固段末端應力最小。分析后發現，發生此種情況的原因主要與復合支護體系特殊的結構有關，單純土釘支護時，土釘構件的受力是先遞增再減小的，在滑裂面附近，這種軸力會達到峰值。而預應力錨索錨固段起作用的機制不同，其錨固位置處于穩定土層之內，剛度相對較大，不會像土釘一樣出現滑動位移狀況，因此錨固段長度增加后，軸力反而有所下降，但整體在設計要求范圍之內。

圖4 案例工程錨索測點預應力變化情況

2.4.4 周邊建筑物沉降變化分析

除深層位移量監測、土釘內力監測、錨索內力監測外，本次還對基坑工程周邊建筑物沉降變化情況進行了數據采集和動態監測。結果發現建筑物沉降主要集中在兩個階段，以基坑開挖為起點，至中間平臺建成為第一階段，此時的沉降量基本較小，多數點位監測值集中在10mm 以下，部分測點沉降參數達到了12mm、15mm。分析后發現，出現該種情況的原因是較為明確的，基坑開挖后土體原有結構被破壞，內應力被充分釋放出來，周邊土體朝基坑內側方向移動，進而引發土體沉降和建筑物沉降。再加上該區域地下水豐富，建筑物基坑開挖過程中，還會對基坑進行降水處理，此時含水層壓力下降，同樣會導致土體沉降，進而影響建筑物狀態。第二階段為中間平臺成型至施工結束，此時的沉降變形較為緩慢，分析后發現主要是因為周邊土體短暫回彈，后期底板澆筑過程中，部分測點的沉降量變化有所增大，底板澆筑結束后變化再次趨于平緩，但沉降速率整體上未超過2mm/d 的限值。從監測結果上看，周邊建筑物沉降變化與施工進展有著較為密切的關系，方案設計環節要做好分析論證，采取必要的變形約束措施，避免出現沉降變形過于劇烈的情況[4]。

2.4.5 水位變化分析

在深基坑工程施工過程中，地下水位及地下水動力特征同樣會影響施工安全性，本次共設置16 個監測點位，對區域水位變化進行動態觀測。結果發現伴隨開挖施工的推進，地下水位呈現出緩慢下降趨勢，初始勘測水位在-4m 處，至開挖中期，水位已經降低至-10m以下。將自動化設備收集到的水位參數繪制成變化曲線圖后，還可以發現同時間段內，不同點位的水位下降情況是存在差異的，其中1#測點與基坑間距最小，監測到的水位最低，而4#測點與基坑邊緣相距較遠，獲得的觀測值也相對較小，同一線路上測點相連，呈現出的形狀為漏斗形，與“水力漏斗理論”所述規律一致，說明監測數據相對可靠[5]。從具體參數上看，從基坑開挖到竣工驗收，多數測點并未出現明顯的水位異常波動情況，分析后發現這與施工單位嚴格的降水控制措施有較大關聯，水位基本維持在穩定狀態，有助于提升沉降穩定性，減少施工對周邊建筑造成的不利影響。

3 結語

綜上所述，自動化監測技術綜合性能優良，應用于城市基坑工程建設項目中，能夠有效提高監測效率、保證監測精度，實踐中務必要給予充分重視。要根據現場實際情況確定監測點布置數量和點位，做好全站儀、水準儀、測斜儀等裝置設備的安裝工作。在外業數據采集結束后，及時進行數據信息的整合和分析，準確掌握基坑深層水平位移情況、土釘內力分布、錨索內力分布情況等，為工程項目的順利、平穩推進奠定堅實基礎。