深层水平位移监测技术分析

程胜一，褚伟洪，陈杰，王维

(上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海 200438)

1 引言

在岩土工程领域，位移监测主要包括垂直位移监测、平面位移监测和深层水平位移(习惯称测斜，侧向位移)监测;对土石坝、堤防、铁路公路边坡、岩土边坡、建筑物地基、矿井、基坑开挖以及地下结构工程内部需进行深层水平位移观测;各种监测技术综合使用，互相验证，共同确保监测对象的安全。基于上海岩土工程勘察设计研究院有限公司(简称上海勘察院)监测工程经验，本文采用文献研究法对测斜技术进行了误差和精度分析，研究了典型工程的测斜曲线及变形规律。

2 测斜原理

测斜是通过在被测试的对象内部安装或埋设测斜管，测量测斜管轴线与铅垂线之间夹角变化量，来监测土、岩石或围护结构内部各深度处水平位移的方法。测斜仪包括活动式测斜仪和固定式测斜仪。活动式测斜仪利用探头在测斜管内移动，连续逐段观测各点倾斜度，通过累加得出测斜管切向位移变化。固定式测斜仪固定在测斜管某个位置上进行连续、自动测量其所在位置倾斜角的变化。常用的活动式测斜仪有美国SINCO、美国基康和北京航天惯性科技公司等生产的加速度式测斜仪，此三种测斜仪在本文涉及的监测项目中均有应用。

计算公式:

式中:△Xi为i深度的累计位移(计算结果精确到0.1 mm)，Xi为 i深度的本次坐标(mm)，Xi0为 i深度的初始坐标(mm)，Ai为仪器在0°方向的读数，Bi为仪器在180°方向上的读数，C为探头标定系数，L为探头长度(mm)，αi为倾角。

图1 测斜原理图

3 主要误差及精度分析

3.1 主要误差分析

(1)零点偏移误差

在垂直状态下，测斜仪探头的理论值为0，但实际情况下探头一般会有一个接近0的小数值输出，即零点偏移误差。造成零点偏移值改变的主要因素有:①探头受到碰撞或冲击。加速度计对撞击较敏感，电缆施放过程中探头撞击测斜管底部，会造成仪器零点偏移值改变;若测斜管接头位置有孔隙，在定位导向滑轮弹簧力的作用下，测量时探头会受到一定的冲击;同样是在定位导向滑轮弹簧力的作用下，当测斜仪探头拉出测管时，探头也会受到一定的冲击。②探头温度的改变会改变传感器的输出值。探头放至测斜管底部停留10 min左右，仪器读数稳定后才开始测试［1］。测试过程中应缓慢地将探头下放至测斜管底部，切忌让电缆从手中滑过而使探头自由下落，以免使探头急速碰到测斜管底部;探头接近拔出测斜管前，读数仪操作员需提醒拉线员，最后阶段减速上拉、在导向滑轮弹出同时用手护住，均可减少探头内加速度计受到激震而造成零点偏移值改变。

(2)测斜管的扭角误差

由于制造工艺和现场安装等原因，测斜管的导槽存在一定的扭角，即将管口的十字导槽垂直对准基坑边线，测斜管口下部的导槽可能与管口导槽的铅垂线偏离一定的角度。若测斜管为铝管、聚氯乙烯管和高压聚乙烯管，扭角约为15°时，15 m的测斜管管口因扭曲引起的误差分别为18.7%、16.3%及7.3%［2］。所以测斜管应使用导槽和接头套管制造精度高的产品，以减少扭角对精度的影响;对于重要监测项目需采用测扭仪测得各段扭角大小，同时对导向槽的两个方向位移进行测量，在数据处理时进行改正。

(3)探头导轮误差

由于测斜管密封不严密，泥沙或泥浆进入管内，测试时泥沙落入导轮轴内，或其他原因阻止导轮转动，与有泥沙的测斜管导槽长期磨损造成圆周变成不规则曲线而产生的测斜误差。工程实施过程中，对磨损导轮经常检查和更换。遇到导轮等零部件替换或测斜仪更换等原因，可采取设置一个数据接点予以过渡使前后数据衔接。由于实测资料缺乏，这种误差的定量分析还存在困难。

(4)测量误差

当以上部管口作为深层水平位移的起算点时，每次监测均应测定管口坐标的变化并修正［3］。测量误差主要包括测站对点误差、测绘仪器误差和定向误差。采用视准线法进行测量，使用2″级经纬仪或全站仪，距离 100 m，假设m对点=±1 mm，m定向=±0.5 mm，m测绘仪器=±2×100000÷206265，则根据误差传播定律，测量误差为:

其他误差还包括电缆长度变化产生的误差以及拉线人员每段停止位置与上次不一致产生的误差等。河海大学专利产品测斜仪智能绕线机以及美国SINCO公司类似产品可以减少每段测试位置不同产生的误差。

3.2 精度分析

由上述误差分析可知:

由文献［2］假设扭转误差为测斜仪器误差的10%;分别估算航天科工惯性技术公司的CX－06A型(测斜仪器误差为±4 mm/15 m)和美国新科测斜仪(仪器误差为±3 mm/25 m)在不同深度的测斜误差。

测斜精度估算汇总表 表1

由表1数据可知:测斜仪器误差是测斜误差的主要部分;测斜误差随深度增加逐步增大，超过一定深度(10 m)仪器误差则占测斜误差的很大部分(如航天为87%或新科为73%)。

为减少深层水平位移监测的误差，从测斜仪的使用与保养，测斜管的选用和埋设以及管口位移测量的每个环节，均需遵从科学的操作步骤。

4 实测的测斜曲线及变形规律

4.1 基坑有支撑的围护结构或土体监测

图2 基坑有支撑的围护结构或土体测斜曲线(图中3条曲线说明测斜曲线的发展历程)

测斜曲线特点及变形规律:

(1)地下连续墙墙体测斜曲线逐渐呈“啤酒肚”型，最终形成中间大，上下两端小的特点，说明端部位移受到了约束作用:一是由于压顶梁和第一道支撑对连续墙侧移限制明显;二是地下连续墙嵌入基岩或深埋入土体中，墙脚受到了较强的约束，侧向位移在墙角处收敛;即在深基坑两端存在显著的空间效应，抑制了位移的发展。

(2)地下连续墙的变形主要由土方开挖引起，变形量与开挖深度成正比。随开挖加深，变形逐步增大，位移最大值所在的位置逐步下移。曲线最大变形值与监测点位置以及支撑形成时间密切相关，与无支护暴露时间成正相关关系［5］。

(3)有支撑的深埋式围护结构在软土地基的侧向位移最大值一般出现在基坑开挖面附近［6］。

(4)嵌岩影响地下连续墙的侧向位移最大值。杨玉泉在《深基坑工程信息化施工技术》书中指出润扬大桥北锚工程地下连续墙下端嵌入基岩2 m，基坑开挖深度50 m，嵌岩对墙脚有极强的约束作用使各孔最大位移出现在27 m～28 m之间。

(5)深层水平位移在开挖过程中发展较快，自基坑的底板浇筑至支撑全部拆除结束阶段，侧向位移发展变化较小。

4.2 无支撑围护结构、放坡开挖或边坡稳定性监测

图3 基坑无支撑围护结构、放坡开挖或边坡稳定性［7］监测测斜曲线(图中3条曲线说明测斜曲线的发展历程)

无支撑围护结构包括挡墙支护、挡墙加土锚支护、重力式挡墙支护等，与放坡开挖及边坡的侧向位移变形曲线类似，其测斜曲线特点及变形规律为:

(1)无支撑围护结构或放坡开挖基坑，一般上部侧向位移值最大，从基坑顶部到基底土体的水平位移值逐渐减小，形成类似图3(a)的曲线［8］。

(2)挡墙结构的墙顶水平位移的大小除与挡墙自身刚度有关外，还与基坑底面以上土体的容重、摩擦角、内聚力以及基坑开挖深度、挡墙的插入深度和挡墙底端土的支承情况有关［9］。

(3)基坑开挖至预定深度后，墙体位移远没有停止，为确保基坑安全，减少因支护结构位移过大导致外侧土体变形或沉降过大，应尽快铺设垫层，完成基础底板的工作。侧向位移如在坑底附近出现异常，累计位移和变化速率超过允许值，测斜曲线出现“凸肚子”的现象，类似图3(b)的曲线［10］，土体中可能已经形成滑裂面，必须采取措施控制位移变化。

(4)基于边坡不同位置的侧斜曲线及侧向位移速率的分析可以了解边坡变形发展规律，结合渗滤液水位数据可以判断边坡失稳模式及滑裂面位置［11］。

4.3 大面积堆载作用下土体深层水平位移监测

图4 大面积堆载作用下土体测斜曲线

变形规律:

(1)堆载土体变形一般与堆载大小(地基处理深度等)、堆载速率和土层性质有很大关系;土体最大侧向位移与排水条件和土层条件有关:最大侧向位移发生在土性最弱的土层，且排水条件好的一侧;最大位移点在深度上随排水和土层条件的变化而变化。

(2)拟合后分层沉降的特征曲线是一个“开口向下的抛物线”;分层沉降量大小与土性和排水条件有关;堆载预压作用下所产生的沉降量在浅部土层最大，其衰减量亦最大;随开口的增大，沉降量减小，其衰减变缓［12］。

4.4 逆作法施工监测［13］

测斜曲线特点变形规律:

(1)结构上部位移值相比有支撑的围护结构上部位移大，中部曲线突出，收敛于端部。

(2)逆作法施工利用逐层浇注的地下室结构作为支护结构地下连续墙的内部支撑，由于地下室结构与临时支撑相比刚度大，所以地下连续墙在侧压力的作用下的变形相对小得多［14］。

图5 逆作法施工测斜典型曲线

5 结语

测斜曲线与监测项目的工程地质和水文地质条件、围护结构形式、支撑体系的布置形式和支撑形成时间等因素密切相关;曲线发生异常应综合考虑监测点累计变化量、变形速率和支撑轴力、水位等其他监测项目数据，来判断基坑稳定性并进行验证。

监测人员基于前期观测数据建立该项目的变形最大值与开挖深度的线性回归方程，或基于灰色系统理论预测未来可能的变形最大值，通过与实测值进行比较分析，起到较好的辅助判断作用，确保监测工作的有效性及监测对象的安全。

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