多种监测方法在深基坑开挖工程中的综合运用

曾瑞，雷健

(湖北省神龙地质工程勘察院，湖北武汉 430056)

多种监测方法在深基坑开挖工程中的综合运用

曾瑞∗，雷健

(湖北省神龙地质工程勘察院，湖北武汉 430056)

由于土力学的模糊性及基坑开挖和支护技术的复杂性，理论计算成果往往与施工期间实际变形情况有一定的出入，因此会造成许多预料不到的困难，引发各种不安全因素。通过对基坑的监测，根据测得的资料进行综合分析，来评定基坑开挖过程中各部分的变形情况，进而评价基坑、支护结构、附近建筑物和地下管线的安全稳定性，预测未来发展趋势，出现险情时据此指导对施工方案的调整修改，以优化设计和确保基坑及周边环境的安全。

深基坑开挖；现场监测；土力学

1 前 言

深基坑工程是一个复杂的综合性岩土工程。由于土力学理论尚不够完善，单纯依靠数学及理学方法难以对系统的变化做出准确的预测。在施工过程中由于基坑开挖和支护技术的复杂性，往往出现一些难以预料的变化趋势，还要受到施工条件、天气情况、周围环境等诸多因素的影响，理论分析计算的结果与实际情况会有较大差异。通过运用多种监测方法可以获得大量的第一手资料，掌握整个基坑的状况，找出发展规律，预测其变化趋势。对于可能发生的事故隐患及早发出预报，减少工程事故发生，尽量做到信息化施工的要求。另外，通过对监测结果进行综合分析，找出基坑开挖过程中的安全隐患，更加有效合理地指导基坑的开挖工作。因此，在深基坑施工阶段对支护及周边建筑物进行安全监测是十分必要的。

2 工程概况

2.1 工程基本情况

武汉某医院大楼由一栋33层塔楼及3层裙楼组成，设有2层地下室，其中主楼地下室底板埋深约13m，裙楼地下室底板埋深约10m。塔楼为框剪结构，裙房为框架结构。采用钻孔灌注桩基础。基坑开挖面积约6 000m2，最大开挖深度为12.9m(电梯井)，基坑平面大致呈矩形，场地地形较平坦，地貌属长江一级阶地。

该基坑南侧紧邻解放大道，既有市政管网设施又有立交桥等重要构筑物；东侧17 m外为一栋3层采用天然地基的砖混结构楼房；北侧15 m外为院综合楼，楼高6层，板筏式基础。

2.2 场地工程地质情况

根据工程地质勘察报告，本场地的地层自上而下依次为:

(1)杂填土:主要成分为粘性土，属高压缩性土，场地内均有分布，层厚为1.0 m～2.8 m。

(2)淤泥质土(Q4)浅灰绿色，饱和，软塑～流塑状态，属高压缩性土。

(3)粉质粘土(Q4):可塑～软塑状态，属中等偏高压缩性土，层厚为1.4 m～4.4 m。

(4)粉质粘土夹粉土(Q4)，以软塑状态为主，层中不规则夹薄层粉土，其厚度小于0.5，该层层厚较薄，层为0.5 m～2.6 m。

(5)粉砂、粉土互层(Q4)此层为混合层，粉土呈饱和，粉砂一般呈稍密状态，该层中夹有粉质粘土，饱和，可塑～软塑状态，本层属中等压缩性土。顶面埋深为6.7 m～9.1 m，层厚为2.2 m～5.5 m。

(6)粉砂夹粉土(Q4)，属中等压缩性土。该层顶面埋深为10.0 m～13.5 m，层厚为4.3 m～11.3 m。

(7)粉细砂(Q4)饱和，稍密～中密状态。很少量夹有粉土或粉质粘土，层厚为3.5 m～10.1 m。

(8)中细砂(Q4)中密状态为主。属中等偏低压缩性土。层厚为5.3 m～20.7 m。

(9)砂砾石层(Q4)以中细砂为主，属低压缩性土层。层厚为3.3 m～6.7 m。

(10)泥岩(S)灰绿色，钻孔揭露岩层多为泥岩及粉砂质泥岩，岩层倾角约70°。顶面埋深一般为50.1 m～53.5 m。

2.3 水文地质条件

场地位于长江一级阶地，近地表的杂填土及淤泥质土中含上层滞水。粉土、粉砂互层及以下各砂层中含承压水。承压含水层的透水性随深度的增加而增大。下伏基岩属隔水底板。场地范围内上层滞水位埋深约1.0 m，其主要补给来源为大气降水、地表生活用水和地下管网渗漏水。稳定混合水位标高约为17 m。承压水的水头标高为15 m。

3 基坑支护

本基坑支护方案根据现场地质条件、场地周边条件及地下室底板埋深等设计，采用支护形式为:桩锚联合支护，并辅以坑壁竖向帷幕止水、坑内中深井降水、局部坑内喷锚网支护。

4 多项监测方法和信息化施工

4.1 监测内容

根据本工程实际情况，监测内容包括:基坑边坡坡顶位移监测，沉降监测，土体测斜、支护桩的钢筋内力、水平支撑应力应变，水土压力、综合楼的倾斜观测。基坑监测点位平面布置如图1所示。

图1 基坑监测观测点布置示意图

4.2 监测结果及分析

按不同的监测对象并结合开挖工况、降水进度，综合分析监测资料，对基坑在开挖施工过程中的变形情况进行评述。

(1)基坑顶部水平位移及沉降监测

在基坑开挖过程中按方案的要求频率进行观测，测得基坑顶部最大水平位移及沉降量分别为42.6mm、33.99mm，位移变化是逐渐累加的，到基坑地下室底板浇注完成3周后，变形基本上处于稳定状态，后期变化量较小，周围建筑物未发生任何破坏现象。图2为坑内部分观测点的位移与时间发展关系曲线图，其中G12、G14号点位于基坑支护北侧，G3号点位于基坑南侧。

图2 水平位移——时间关系曲线图

与基坑北边挖深大于南边成正相关，北面支护的位移量亦大于南面，支护位移主要发生在8月9日～9月28日期间，正是基坑接近坑底这段开挖期间。说明基坑支护变形直接与开挖工况相关，呈现阶段性位移的特点，一般在开挖出工作面(以供锚杆施工)以后1天～2天内位移明显。

(2)支护桩水平位移

各监测桩体内水平位移如图3所示，可见桩顶最大水平位移＜25 mm，远小于设计要求的40 mm范围内，SID10桩中间变形远大于桩顶变形，与其上面堆载有水泥等超载有直接的关系。SID9桩水平位移最大，达到25 mm，究其原因是其紧挨出口通道，由机器动荷载较大引起的。支护桩的水平位移是随着基坑开挖深度的增加而逐渐加大，预应力锚索对水平位移的发展有一定的约束作用。图4中曲线分别代表SID9桩在开挖-2.4 m，-4.4 m，-6.4 m，-9.9 m以及第一、二、三、四排锚杆张拉后的桩顶水平位移变化情况。支护变形直接与开挖工况相关，呈现阶段性位移的特点，一般在开挖出工作面(提供锚杆施工空间)以后1天～2天内位移明显。

根据实时观测的资料进行分析，基坑挖深至-4.4 m时，支护位移较小，桩顶位移量小于6 mm。挖深-6.4 m时，支护发生显著位移，桩顶部位移量为17.85 mm。挖深至-9.9 m时，支护桩内最大位移为27.46 mm，凸肚现象明显，支护桩中部位移量比顶部位移量还大。此时最大挖深12.9 m，为电梯井处，而最大位移处在6.5 m，约为开挖深度的一半。10月～11月下旬，支护中部凸肚现象有所继续，但顶端位移基本保持未变。11月下旬以后，随着坑内施工加载增大被动土压力以及边坡应力释放基本结束，基坑及周边环境基本处于稳定状态，位移量亦减小，整个基坑进入相对稳定时期。随后变形逐步停止。

图3 桩身水平位移图(mm)

图4 开挖过程中SID9桩身水平位移变化图

(3)桩身内力监测

由锚杆荷载计测得的各排锚杆拉力值(如表1所示)与设计值较吻合，且在开挖过程中各值变化很小。其中第3排测得的锚杆拉力值偏小，其原因是第3排锚索的上部土层覆盖厚度较小。值得一提的是在施工第3排锚杆时，遇见厚150 mm左右的砂层，西北角出现了一部分流砂，在此之前的监测结果表明此处的变形量明显增加，根据监测的资料，施工方在流砂初期就及时采取增大注浆量和在注完浆后立即堵住锚孔孔口等应急措施，流砂未对施工造成较大的不利影响，锚杆的张拉都达到了设计要求。

锚杆拉力 表1

选取两个典型的锚杆计:MG2、MG8，它们分别位于基坑的南侧和北侧的中部。MG8变化平稳，MG2变化起伏较大，最大拉应力变化曾达到260 kN，这与此处作为工地进出车道，且上面堆载有水泥等超载的缘故，应力急剧变化主要集中在9月中旬基坑挖至坑底期间，如图5所示。

图5 锚杆拉力与时间曲线

(4)水平钢支撑的计算

根据虎克定律对基坑水平支撑进行计算，求出其轴力及应变量，与实际测定的观测值进行相互比较，从而判定钢支撑是否处于弹性范围。

其中:Ns代表钢支撑的轴力；E代表钢支撑的弹性模量；σs代表钢支撑的应力。

选取最长的代表钢支撑的轴力角撑，将L=17 m，r=φ630.81 mm，E=2×105MPa，σs=210 MPa分别代入式(1)、式(2)中，可得:

以上表明钢支撑在弹性变形范围内，所容许的最大应变是1 050με，我们实测的结果是:Max(εs)=652με，故钢支撑在基坑开挖期间也工作在正常范围内。支撑应力变化集中在9月份，正是基坑挖到底部，支护应力大释放的时期。钢支撑应变与时间的关系如图6所示。

图6 水平钢支撑应变——时间关系曲线图

(5)支护桩后土压力及孔隙水压力

在支护桩后3.0 m处为一道深15.0 m的水泥搅拌桩止水围幕。基坑开挖前，坑内外降水，由孔隙水压力计测得的水压表明:大部分土层内的孔隙水压力随着地下水位的下降均有显著的降低。桩后水压力降低的程度平均达70 kPa。分析这与上层滞水受大气降水补给变化有关，也与该阶段土层锚杆施工，局部地下水持续排出，而后期补给不足，导致地下水压力值降低有关。支护桩后实测土压力值为中间大、两端小。土压力沿深度分布突然减小的拐点位于地面下10 m处，正好是水平位移最大处。

(6)基坑周边建筑物沉降

根据湖北省基坑工程技术规程中公式，计算由于抽降承压水引起的地面沉降:

式中:△sw—水位下降引起的地面沉降(cm)；

Ms—经验系数；Ms=M1×M2。对于一般粘性土M1可取0.3～0.5；粉质粘土、粉土、粉砂互层M1可取0.5～0.7；淤泥、淤泥质土M1可取0.7～0.9。当降水维持时间3个月之内时M2可取0.5～0.7；当降水维持时间超过3个月时M2可取0.7～0.9；

σwi—水位下降引起的各计算分层有效应力增量(kPa)；

△hi—受降水影响地层(自降水前的水位至含水层底板之间)的分层厚度(cm)；

n—计算分层数；

Esi—各分层的压缩模量(kPa)。

沉降预估:承压水的水头标高为15 m，降水位至9 m处，承压水位下降高度Hi=6 m。

σwi=γ·Hi=10 kN/m3×600 cm=0.06 MPa

分层进行沉降计算如下:

粉土层:0.06×0.5×600 cm/9 MPa=2 cm

粉砂粉土互层:0.06×100 cm/9 MPa=0.7 cm

细砂层:0.06×1200 cm/15 MPa=4.8 cm

中砂层:0.06×1800 cm/28 MPa=3.9 cm

砂砾层:0.06×500 cm/38 MPa=0.8 cm

取经验MS=0.9，根据式(3)计算降水引起建筑物的总沉降量:

△sw=0.9×(2+0.7+4.8+3.9+0.8)=10.38 cm

对基坑北侧综合楼实际观测结果是:10.40 cm(z25点累计沉降量)，后期由于降水水位的逐步回升，周边环境的沉降出现过弱反弹现象，但理论计算并未考虑到这种情况。造成综合楼沉降过大的原因，除该楼本身在基坑开挖前已有较明显倾斜外，与基坑的开挖及深井降水有紧密的联系。由实测结果来看，表面上，根据其地层情况进行的沉降预估值与实测值相近。但实际上，由于降水计算时考虑综合楼为天然地基，同时在基坑开挖前，考虑到该楼已发生了变形，加之该楼东部分布有淤泥质土，为保护该楼，在开挖前，已分别对该楼进行了二次锚杆静压桩托换。锚杆静压桩桩底标高为7.0m，桩径200mm× 200mm。第一次托换在5月初，桩主要补在北面。在试抽水之后由于该楼沉降过大，并且有向北继续倾斜的趋势，进行了第二次补桩托换，总计打入桩数约98根。考虑基础托换的原因，可以看出理论计算与实际沉降应该有较大的出入。这主要是因为目前武汉地区习惯以预估地面沉降的坡率来判断降水对周边环境的影响。但实际情况远比这种设想复杂，降水对地面沉降对环境影响的评估涉及问题多，难度较大。

将基坑降水前后北侧综合楼的沉降和倾斜观测数据进行对比(表2、表3)，可以看出:在试抽水之前，综合楼的平均沉降量为-5.30 mm，最大差异沉降量为2.37 mm。降水以后，综合楼的平均沉降量为93.24 mm，最大差异沉降量为30.58 mm。由此可见在试降水前，综合楼的沉降量及倾斜变化均较小。试降水前的沉降量只占最终沉降量的5%，而降水后引起的沉降量占总沉降量95%以上，可见深层降水会对周边环境的影响较大。沉降的原因是由于抽降地下水使得含水土骨架的有效应力增加、土体及建筑物自身重量引起的自重应力及渗流的渗透力作用而致。由于含水层的各向异性、弱透水层在垂向方向上的相互补给及开挖基坑时侧向位移所引起的地面沉降影响等多种因素使得计算值与实际值存在一定的差异，因此取得一定量的实际资料，以提高经验系数Ms、分层压缩模量Es等参数的准确性，从而使得计算值更接近于实际情况。而在开挖的过程之前，及时根据监测资料，对综合楼采取了锚杆桩等补强措施，从而避免了该栋建筑物更大的沉降。在基坑完成底部承台后，综合楼的沉降逐步减小，说明楼房的沉降已趋于稳定。

综合楼累计沉降量 表2

综合楼倾斜变化资料 表3

5 结 论

(1)施工监测的目的是为了做到信息化施工，一旦发现问题，马上进行处理，并及时更改设计和施工中的不足，为下一步安全施工作准备，杜绝工程事故，确保工程的安全。多种监测方法的综合运用对基坑的动态化施工具有较好的指导作用，也为今后类似的工程积累了一定的实践经验。

(2)本工程中的监测方法是较全面的，在进行大型深基坑支护工程中多种方案并用也是必要的，在深基坑施工的过程中，监测工作的时间性相当强，所以需要根据基坑的实际情况进行实时观测，不力求全面，抓住重点，对监测的数据要及时整理，及时反馈，跟踪检查施工并能指导施工，是安全施工的保障。

(3)深基坑支护是一项高风险的工程，在现有的理论及计算手段条件下，据统计还有20%～30%深基坑支护是容易出问题的。这不但要求支护设计考虑更加全面、充分，同时也要严格监测，进行动态的信息化施工及监测，更好地服务于基坑开挖工程。

(4)根据实际监测情况，及时修正设计数值，并对可能引起变形过大的建筑物采取一定的补强措施，从而避免出现更大的危害。从本例中可以看出，动态的监测在信息化施工、保障基坑及周边环境安全方面发挥了重要作用，取得的实际经验和成果，可为类似基坑工程提供参考和借鉴。

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中规协城市勘测专业委员会四届五次常务理事(扩大)会议暨《中国城市勘测行业发展研究报告》课题评审会议纪要

中规协城市勘测专业委员会四届五次常务理事(扩大)会议暨《中国城市勘测行业发展研究报告》课题评审会议2013年8月17日～20日在辽宁省大连市举行。共有36名课题评审会议的特邀专家和常务理事出席了会议。

2013年8月18日上午，城市勘测专业委员会赵通海主任委员主持会议并介绍了《中国城市勘测行业发展研究报告》课题评审组的各位专家，向会议推荐并通过了课题评审组组长、中国工程院李建成院士，副组长中国城市规划协会任致远副会长和副组长上海市测绘院孙红春院长。

城市勘测专业委员会田捷秘书长介绍了开展《中国城市勘测行业发展研究报告》课题的背景情况和工作进展。

课题评审组组长、中国工程院李建成院士主持了课题评审全过程。全体评审组成员听取了由《中国城市勘测行业发展研究报告》(以下简称“报告”)课题组所作的工作报告。全体评审专家从报告的结构、主要内容及表述的逻辑关系等方面进行了认真的讨论和现场质询，形成了如下评审意见:

(1)课题组提交的研究报告内容翔实、完整，符合评审要求。

(2)课题组收集整理了城市勘测单位业务发展、内部管理等资料，并通过对行业内单位问卷调研及实地考察，得到了大量有价值的信息。在此基础上，完成了主报告和体制改革、业务发展、管理创新三个专题报告。

(3)报告评价了城市勘测行业的发展现状，分析了行业发展面临的机遇及挑战，提出了相应的对策和建议。报告符合城市勘测实际，重点突出，内容精炼，对行业的发展具有战略指导意义。

评审专家一致认为:该课题研究成果符合合同要求，同意通过评审。建议课题组根据评审专家提出的相关意见进行补充完善。

城市勘测专业委员会与会常务理事和会议代表对评审专家们认真、严谨、细致工作后形成的评审意见表示赞同。

当日下午，赵通海主任委员主持了城市勘测专业委员会四届五次常务理事(扩大)会议。田捷秘书长传达了中国城市规划协会7月12日在天津召开的2013年度全国优秀城乡规划设计奖部署工作会议精神，强调了中规协对2013年评优工作要进行统一规范与管理的总体要求。城市勘测专家委员会刘忠卿副主任结合中规协2013年7月16日印发的《全国优秀城乡规划设计奖评选管理办法的通知》(中规协秘38号文)和《关于开展2013年度全国优秀城乡规划设计奖评选活动的通知》(中规协秘40号文)的具体要求，强调了2013年度评优工作同以往评优工作的不同点。与会代表进行了认真讨论，一致认为要在今年的评优工作中努力贯彻落实中规协关于评优工作的要求。

赵通海主任委员在会议总结中指出:2013年的评优工作已经启动，我们一定要按照中规协的统一部署和要求，切实做好2013年的评优工作。大家回去后要主动与所在省、自治区、直辖市的规划行政主管部门(规划协会)联系，积极做好评优有关工作。

最后，赵通海主任委员代表全体参会人员向会议的承办方大连市勘察测绘研究院有限公司对本次会议的大力支持、周到安排和热情服务表示衷心感谢!

中国城市规划协会城市勘测专业委员会

二○一三年八月二十一日

Comprehensive Application of M onitoring M ethods in Deep Excavation

Zeng Rui，Lei Jian
(Hubei Shenlong Institute of Geological Engineering Investigation，Wuhan 430056，China)

Due to the ambiguity of soilmechanics and complexity of foundation pit excavation and supporting technology，the results of theoretical calculations are often inconsistent with the actual deformation during construction，so it will causemany unexpected difficulties and lead to a variety of unsafe factors.In this paper，the deformation of different parts in the excavation process have been evaluated through comprehensive analysis based onmeasured data from pitmonitoring，and the safety and stability of the foundation pit，supporting structure，nearby buildings and underground pipelines can be thus evaluated to predict future trends and guide the adjustment of the construction program when in hazards to optimize the design and to ensure the safety of the pit and the surrounding environment.

deep foundation pit excavation；sitemonitoring；soilmechanics

1672-8262(2013)04-167-06

TU433

B

2013—04—09

曾瑞(1972—)，男，高级工程师，主要从事岩土工程监测及研究工作。