近鄰高層建筑基坑開挖地質沉降雷達探測技術研究

中圖分類號：TU473 文獻標志碼：A

0 引言

城市里高層建筑基坑開挖工程越來越多，可周邊往往有好多既有建筑物、地下管線和交通設施，使基坑開挖時的地質沉降問題變得又復雜又關鍵。挖土會打破土體原來的應力平衡，周邊土體應力重新分布，地表和建筑物就會沉降。如果沉降太多，周邊建筑物墻體可能開裂、傾斜，地下管線可能破裂、滲漏，甚至引發嚴重安全事故，威脅人民生命財產安全。傳統地質沉降監測方法，在復雜多變的基坑開挖環境里，很難及時、準確地反映地質沉降的真實情況，不能滿足現代工程建設對安全監測的高要求。近鄰高層建筑基坑開挖地質沉降雷達探測技術精度高、效率高，能夠穿透一定厚度的土體，獲取地下土體的變形信息[1]，全方位、實時地監測地質沉降。通過該技術，工程人員能及時了解基坑開挖時周邊地質沉降的變化規律，提前發現潛在安全隱患。

1 工程概況

以臨近商業綜合體的高層建筑基坑工程為例，該建筑地下2層、地上18層，為商業辦公用途，總建筑面積約 92500m² 。工程西側有未來道路拓寬項目，基坑占地約 7200m² ，圍護結構總周長 38m ，長方形布局，擬建基坑深度 5.5～6.5m ，工程平面圖如圖1所示。

圖1工程平面圖

基坑開挖時，因局部排水沒做好，周邊土體出現水土流失，導致基坑北側 12m 處一棟已投用的寫字樓附屬裙樓有異常。裙樓和主樓用沉降縫分隔，地基在泥質粉砂巖的天然淺基礎上。此裙樓結構特殊，體型狹長、高度較高，對基坑開挖施工產生的擾動十分敏感。

依據詳細的巖土工程勘察報告，該區域從地表至基坑底板以下的地層分布情況如表1所示。

表1地層分布情況

作者簡介：吳李季(1992—），男，中級工程師，本科;研究方向：電法，瞬變電磁法，地質雷達探測。

鑒于上述工程地質條件及已出現的周邊建筑異常情況，工程人員采用雷達探測技術對基坑周邊土體地質沉降進行實時監測。

2近鄰高層建筑基坑開挖地質沉降雷達探測技術設計

2.1利用雷達探測技術獲取基坑開挖地質異常情況

近鄰高層建筑基坑開挖地質沉降雷達探測技術是借助地質雷達（Ground PenetratingRadar，GPR）捕捉基坑開挖過程中的地質異常情況。地質雷達會朝著地下發射具有特定頻率的電磁波信號[2]，同時接收從地下介質反射回來的電磁波。之后，技術人員會對接收到的信號開展處理、分析以及解讀工作。當電磁波在地下傳播時，在已知地下介質波速的情況下，能準確計算出目標體的位置，具體過程如圖2所示。

圖2利用雷達探測技術獲取目標體的位置

圖3監測點具體布設

用地質雷達探測技術，在基坑開挖地質主軸方向，分析雷達圖像里反射波同相軸變化，能判斷地質異常位置和形態。如果反射波同相軸明顯錯斷，基本能判定這位置有異常[3]。工程人員準確獲取并分析這些異常情況后，能提前采取加固支護、調整開挖方案等針對性措施，保障基坑開挖安全，避免地質災害造成大損失。

2.2計算近鄰高層建筑基坑地質層位位移

考慮到多數地質異常引發的地層變形集中在12m 厚土層范圍內，且集中體現在 25～45cm 深度區域，故針對該 12m 厚度土層展開數值計算。為簡化研究，假設地質異常導致的土洞形態為橢球狀和球狀。建立的地質模型尺寸為 12m×12m×12m 。模型在 x，y 方向的網格大小設定為 0.6m，z 方向的網格大小則依據土洞大小及埋深進行靈活調整[4]

基坑圍護結構在開挖過程中會產生側向變形，其側向變形曲線一般表達式可設為：

式(1)中， u(x) 表示基坑圍護結構在距離開挖面處的側向變形量， u₀ 為圍護結構在開挖面處的初始側向變形量， α 為與土體性質、圍護結構剛度等因素相關的系數， e 為自然對數的底數。

基坑任意位置 Φ(x，y) 所在的地層水平位移可表示為：

U(x，y)=λu(x)×cosθ

式(2)中， λ 為考慮空間效應和土體不均勻性的修正系數， θ 為水平位移方向與 x 軸的夾角。

基坑任意位置 (x，y) 所在地層豎向位移可表示為：

式(3)中， γ 為反映豎向位移與水平變形關系的系數， h 為該位置到某一參考面的垂直距離。

依據上述公式，基坑任意位置 Φ(x，y) 地層的總位移可表示為：

深基坑地層位移方向由水平位移 U(x，y) 和豎向位移 W(x，y) 共同決定。利用上述公式，可精準算出基坑開挖時，由地質異常引發的地層位移情況。

2.3檢測近鄰高層建筑基坑開挖地質沉降

在近鄰高層建筑基坑開挖工程中，地質層位位移狀況與基坑及周邊地質沉降緊密相關。依據本工程特點以及周邊復雜的環境條件，施工技術人員須對基坑支護結構的地質層位應力應變場，還有周邊建筑物的沉降變形展開嚴密監測，依據監測數據對支護結構做出合理調整。

監測點布設。在基坑南側，安排6個點構成一個監測斷面，各點間距設定為 6m，6m，12m，18m_c 。在基坑北側，則由7個點組成斷面，點與點間距依次為6m，6m，12m，2m，18m 。監測點埋設時，選用長度大于 120cm 的鋼筋打入地面。如果土質松軟，就采用注漿加固等方式，保證監測點在監測全程不會位移[5]，具體布設如圖3所示，依據現場實際靈活調整。

注漿加固美

對于圍護結構頂部豎向位移[6-7]，在冠梁頂的關鍵位置打入帶有沉降與位移測試功能的復合測量點。針對深層地質層位水平位移，把測斜儀探頭緩緩放入預埋的測斜管底部，通過測量測斜儀與鉛垂線的夾角，精確計算水平位移量。對于周邊建筑物基礎沉降監測，布設測點要保證測點頂部低于地面 12cm ，防止地面活動對測量結果造成干擾。對于土釘拉力監測，將專用傳感器精準套在土釘上，安裝到土釘錨固區后，及時測定初始拉力數據，后續持續監測其變化。通過這些監測手段，工程人員能準確掌握基坑開挖過程中的地質沉降情況，保障工程安全。

3實例

3.1 實例準備

實例現場采用高精度自動化雷達探測系統，設備就位后，先對探測區域進行基準點校準，確保雷達天線與預設探測路徑嚴格垂直。探測時，先對基坑周邊重點敏感區域進行網格化預掃描，再對關鍵監測點位加密探測，以保障沉降數據采集的全面性與精準性。

若探測區域地層較厚、目標埋深大，比如要探明基坑下方幾十米深的潛在軟弱夾層分布，可選用30MHz 或 80MHz 低頻雷達探測系統，雖分辨率會有所降低，但能保證足夠的穿透深度。若目標埋深淺且地質結構復雜，像基坑周邊淺層土體中的微小裂縫，則宜選 250MHz 或 500MHz 高頻雷達探測系統提升精度。實際中可組合使用，以全面提升探測效能，雷達探測系統頻率技術參數如表2所示。

表2雷達探測系統頻率技術參數

在近鄰高層建筑基坑開挖地質沉降雷達探測技術實例準備環節，本次探測使用的雷達系統測線距設定為 2m ，旨在精準獲取深度 12m 以內目標體（如地下裂縫、松散土體異常區等)信息，測點距為 0.15m 。工程現場共設置12個地表沉降監測點，編號為 B01～ B12；同時布置12個建筑物沉降觀測點，編號為 J01～ J12，具體布點位置如圖4所示。

圖4沉降觀測點具體布點位置

本實例具體針對J01、J02、J03這幾個建筑物沉降觀測點的數據。鑒于臨近建筑沉降與周邊地表沉降緊密相關，也須對地表沉降數據加以分析。本文主要聚焦于B03、B09、B12這幾個地表沉降監測點的數據。

3.2 應用結果分析

按照既定的監測計劃，重點關注J01、J02、J03這幾個建筑物沉降觀測點所處區域的基坑周邊地下管線區域沉降變化情況，具體結果如圖5所示。

從圖5能看出，J01、J02、JO3這幾個建筑物沉降觀測點所在區域都有沉降。J01點沉降量從 0mm 升至 2.0mm ，J02點從 0mm 升至 1.4mm ，J03點從0mm 升至 1.8mm 。整個周期內，所有觀測點沉降量都小于 2.0mm ，達到安全標準。這說明本文設計的近鄰高層建筑基坑開挖地質沉降雷達探測技術能精準捕捉基坑周邊地下管線區域的沉降變化，提前預防由沉降過大造成的安全事故，證明該技術在保障基坑及周邊建筑安全上既可靠又有效。

圖5建筑物沉降觀測點沉降變化情況

本文重點對B03、B09、B12這幾個地表沉降監測點的沉降變化情況展開監測，具體如圖6所示。

從圖6來看，各監測點沉降量都隨時間慢慢增加。B03點從0天的 0mm 到60天變成 1.4mm ，B09點漲到 0.95mm ，B12點增加到 1.1mm 。整體沉降量不大，變化也平穩，說明基坑開挖對周邊地表沉降的影響在可控范圍。這表明本文設計的近鄰高層建筑基坑開挖地質沉降雷達探測技術有優勢，能精準捕捉地表細微沉降變化，提前預警風險。施工方根據實時數據分析，能及時調整方案，避免沉降過大引發安全事故，保障了基坑和周邊建筑安全。

4結語

近鄰高層建筑基坑開挖地質沉降雷達探測技術的研究，給復雜城市環境里的基坑工程安全監測提供了數據基礎。研究表明，該技術能實時獲取地質沉降數據，及時發現潛在風險，可使施工方及時調整施工方案，保障基坑及周邊建筑安全。未來，本研究會持續探索，結合新興技術，提高雷達探測精度和穩定性，擴大應用范圍，完善相關理論和技術體系，爭取為城市高層建筑基坑工程安全建設做出貢獻。

圖6地表沉降監測點的沉降變化情況

參考文獻

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(編輯 王雪芬)

Research on radar detection technology for geological settlement in foundation pit excavation of nearby high-rise buildings

WU Liji (Guangdong General Team， China Building Materials Industry Geological Exploration Center， Guangzhou 510403，China)

Abstract:Intheradardetection technologyforgeological settlement intheexcavationoffoundationpitsof nearby high-risebuildings，theradardetection technologyisusedtoemitandreceiveelectromagneticwavesof specific frequencies.The position ofthe targetbody iscalculated incombination with the known wave velocity，and the location andshapeof geologicalanomaliesare identified basedonthein-phaseaxis changesof thereflected waves in theradar image.Considering the influenceof geologicalanomaliesonthe displacement of geological strata，ageological model was established for the12-meter-thick soil layer toaccuratelycalculatethe stratum displacement.Based on the characteristics of the project andenvironmental conditions，the foundation pitsupport structureand surounding buildings should be closely monitored. Monitoring points should be reasonablyset up，and measures such as inserting inclinometer probes，instaling sensors，and seting water level observation marks should be adopted to accurately grasp thegeological settementsituation.Theapplicationresultsshow thatthesettlementamounts attheobservationpointsof building settlement are all less than 2.0mm . The settlement amount at the surface settlement monitoring points ranged from 0.95 to 1.4 mm and changed steadily.This technology can accuratelycapture setlement changes and ensure the safety of the foundation pit and its surrounding areas.

Keywords: nearby high-rise buildings； foundation pit excavation;geological subsidence;radar detection technology; geological stratigraphic displacement