信息化监测技术在深基坑施工中的应用

上海市建设工程监理有限公司 上海 200080

1 基坑监测及基坑信息化施工的概念[1]

1.1 基坑监测

建筑基坑工程监测是在建筑基坑施工及使用阶段，对建筑基坑及周边环境实施的检查、量测和监视工作。

基坑监测它不仅是一种科学技术，也是一种服务于大众的方法。工程监测是在现实需求的情况下衍生出来的，工程监测技术已经由数字化监测时代转变为信息化监测时代。

1.2 基坑信息化施工

基坑信息化施工就是在基坑开挖期间，根据大量的监测数据，利用理论、经验和数值反演分析预测下一步开挖引起的围护结构及土体变形的发展趋势，随时掌握围护结构和土体的位移情况，及时通报施工中出现的问题，为有关单位研究对策，指导施工提供依据，确保结构本身及周围环境的安全。

由于基坑工程施工环境复杂，各类基坑施工大小问题经常发生，特别是深基坑施工，保险系数定得再大，现场问题还是防不胜防。近几年国内房建、地铁基坑坍塌的案例给我们建筑基坑施工敲响了警钟。因此，在基坑施工期间必须委托有资质的第三方进行基坑监测。

2 建筑基坑监测实例

2.1 工程概况

背景项目位于武汉市武昌区，总建筑面积为665 586 m2，由1 栋主塔楼、1 栋办公楼、1 栋公寓和商业裙房组成。其中主塔楼地上125 层，地下5 层，采用核心筒+巨型柱+外伸臂桁架+腰桁架结构；副楼包括1 栋办公楼、1 栋公寓和商业裙房，地下4 层；办公楼高170 m、39 层，为框架-核心筒结构；公寓高100 m、31 层，为框架-剪力墙结构；商业裙房高40 m，8 层。

2.2 基坑工程特点

本项目基坑长294 m，宽122 m，基坑面积36 000 m2，土方开挖总量90万 m³。基坑支护设计为地下连续墙+钢筋混凝土内支撑形式，内部设置2 道纵向临时隔断，将整个大基坑一分为三：Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区，内支撑也相应分为3 个独立区，Ⅰ区共有5 道混凝土支撑及Φ95 m的圆环支撑Ⅱ、Ⅲ区共有4 道混凝土支撑，基坑平面布置如图1。

图1 基坑平面布置

2.3 土层、水文情况

（a）场地概况，本项目场地自然地面绝对标高23.9 m，室内±0.00 m相当于绝对标高24.4 m。

（b）土层情况，施工场地主要地质情况由上至下为：杂填土，埋深0～5.6 m；粉质黏土夹粉土、淤泥质粉质黏土、粉砂夹粉质黏土，埋深2.8～14.7 m；细砂，埋深12.4～32.9 m；粉质黏土、含砾中细砂，埋深30～52.6 m；强风化砂质泥岩、强风化细砂岩，埋深45.4～53.0 m；中风化砂质泥岩、中风化细砂岩，埋深39.0～58.4 m；微风化砂质泥岩、微风化细砂岩，埋深为41.0～60.4 m。

（c）水文情况，武汉地区长江、汉江两岸I级阶地第四系砂（卵石）土层孔隙承压水储量丰富，含水层顶板为上部黏性土，底板为基岩，含水层厚14～45 m，一般为30 m左右，承压水实测水位绝对标高一般为17.0～22.0 m，年变幅3～5 m。

据汉口（武汉关）水文站实测资料，长江武汉段最高洪水位为绝对标高（以下同）29.73 m，最低枯水位8.87 m，水位升降幅度20.86 m。长江、汉江与其两岸地下承压水有较密切的水力联系，愈靠近长江、汉江江边地段，水位互补关系愈明显。

2.4 周边环境情况

基坑北面为空地，东面为4 栋高层住宅，住宅外墙距离基坑边约42 m，南面为空地，西面距长江250 m。

2.5 深基坑工程监测方法[2-4]

深基坑工程监测工作包括2 个方面：支护结构的监测和周围环境的监测。支护结构需监测墙（坡）顶水平位移和竖向位移、支护结构深层水平位移、立柱竖向位移、围护墙内力、立柱内力、土压力及孔隙水压力、支撑轴力、锚杆内力、地下水位、周边地表竖向位移、坑底隆起（回弹）等。周围环境需监测开挖影响范围内的建（构）筑物、管线、道路和岩土体的沉降、水平位移，地下水位变化、裂缝。基坑监测点布置如图2～图5。

图2 Ⅰ区基坑位移监测点平面位置示意

图3 Ⅱ区基坑位移监测点平面位置示意

图4 Ⅰ区基坑支撑轴力和立柱沉降监测点平面布置示意

图5 Ⅱ区基坑支撑轴力和立柱沉降监测点平面布置示意

2.5.1 监测等级

综合考虑本项目基坑安全等级、周边环境等级和地基复杂程度，将本项目基坑监测等级定为一级。

2.5.2 监测频率

根据有关规范及设计文件要求，确定监测频率如下：

（a）监测工作开展之前，对其监测点观测2 次，以取得原始资料；

（b）土体开挖阶段至基础底板施工完毕后一周，监测频率1次/d；

（c）支撑拆除阶段，局部监测频率1次/d；

（d）基础底板形成至±0.00 m，监测频率为1次/3 d。

2.5.3 监测项目及测点数量

根据基坑围护设计及专家论证意见，本项目确定的监测项目及测点数量如表1所示。

表1 监测内容汇总表

2.5.4 监测仪器的要求

由于工程工期长，技术性要求高，需要大量准确的原始记录作分析。因此，建设单位委托具有监测资质的第三方进行监测，使用以下监测设备获取数据。

（a）垂直位移观测使用徕卡NA2精密水准仪，精度±0.3 mm/km，观测方法为环线闭合法，按2级建筑变形监测要求施测；

（b）水平位移观测采用电子经纬仪，仪器精度2''，测试方法为视准线小角度法；

（c）深层水平位移观测采用伺服式数字自动记录测斜仪，测试精度≤±1 mm；

（d）水位观测采用电感应水位测试仪，测试精度±1 cm；

（e）应力传感器采用VW-1振弦读数仪测量，测量精度为满量程的1％；

（f）分层沉降采用磁感式分层沉降仪，测量精度为1 mm；

（g）基坑测斜采用CX-3测斜仪，测量精度为1 mm。

保证所有监测设备和仪器经过校准并在有效期内。监测过程中，如无特殊情况，确保使用同一台仪器、同一台班测量人员、同一条测量路线来完成测量，减少人为操作误差。

2.5.5 监测程序

（a）编制监测方案。

（b）各有关单位审查监测方案，监理单位对监测方案提出的审查意见：

土体深层水平位移监测孔“埋设深度40 m”描述无针对性，其孔底标高应根据施工图纸中测点对应位置地下连续墙配筋段底标高确定；监测点埋设过程中应采取相应的保护措施，确保监测点成活率满足规范要求，同时基坑工程实施过程中，应采取措施对监测点进行警示和保护，并确保其正常工作。如基坑实施过程中测点被破坏，应及时通知设计单位，以及时采取弥补措施；应每天向监理、建设单位提交书面监测报表，监测报表上应注明对应的施工工况及监测布点平面、剖面分布图等施工、监测信息，便于分析监测结果所反映的实际情况，监测数据如达到或超过报警值应及时通报有关各方，以便尽快采取有效措施保证基坑安全。

（c）监测单位修改完善监测方案。

（d）根据监测方案组织人员、设备、仪器进场。

（e）根据监测方案进行监测（包括基准点设置、埋设变形测点及应力测点、监测）。

2.6 报警标准

根据设计及规范要求，当出现下列情况之一时，应立即进行危险报警。

（a）围护体顶部水平、垂直位移，立柱水平与垂直位移：大于±2 mm/d或累计大于±25 mm；

（b）围护体深层水平位移：大于±2 mm/d或累计大于±40 mm；

（c）支撑轴力报警值如表2；

表2 支撑轴力监测报警值

（d）坑底回弹大于±2 mm/d或累计大于±25 mm；

（e）地下连续墙钢筋应力达到设计值的80％；

（f）坑外水位下降达到3 0 0 m m/d或累计达1 000 mm；

（g）坑外地表垂直位移大于±3 mm/d或累计大于±30 mm；

（h）土体深层水平位移大于±3 mm/d或累计大于±40 mm；

（i）土体分层沉降大于±5 mm/d或累计大于±50 mm；

（j）肉眼巡视发现的各种危险现象，如压顶梁、支撑梁上出现裂缝，邻近地面及建筑物的裂缝宽度不断扩大，基坑渗漏和管涌等。

若测试值达到上述界限须及时报警（报警值经过建设、监理、施工及设计单位审核），以引起各有关方面重视，施工单位应会同各方进行分析，并采取控制位移及沉降的措施。

2.7 基坑施工、监测信息反馈及报警情况处理[5-7]

2.7.1 土方开挖原则

本工程土方量90 万m³，为确保土方顺利施工，制定以下原则：（a）合理安排土方施工流程，确保基坑安全的原则；（b）精心组织施工，保证机械、设备投入，确保土方施工工期的原则；

（c）制定有效保护措施、加强监测，确保周边地下管道及设施的安全；

（d）加强开挖、运输管理，制定安全文明施工措施，确保安全文明施工达标的原则。

2.7.2 土方开挖技术要求

（a）遵循“分层、分段、对称、平衡”的原则挖土，且每层土方都分块开挖，减小单边开挖断面，并尽量减少基坑无支撑的暴露时间，使土压力均匀且逐步地释放，做到随挖随撑，严格控制基坑变形，以保证基坑在安全条件下进行施工作业。

（b）每道支撑完成，且结构混凝土强度达到设计要求后方可开挖支撑下一层土方。

（c）支撑结构混凝土强度达到设计要求后，沿环形支撑呈放射状向外侧开挖。立柱密集区域的土方，开挖在净高较低的部分。

（d）人工配合机械清除包裹构件的土方，严禁各类机械碰撞支撑体系。

2.7.3 基坑监测

第三方监测单位按监测方案从2012年10月14日开始对基坑进行监测，测试后，监测工程师及时录入当次监测数据，监测数据填写在专用的表格上，监测的内容记录：初始值、本次变化量、累计变化量，用图表方式定量标示，并分析当次监测数据。将监测结果和评价及时向委托方及相关单位作信息反馈。

2.7.4 监测报警数据分析处理

监理单位对照基坑检测图，结合报警数据进行分析，认为原因为：

报警部位处在地下连续墙中间部位，该部位无角撑，支撑体系相对薄弱；同时第3道支撑体系未封闭。监理提出措施：暂停土方开挖；组织坑外降水；成立专门的巡查组，检查明显的墙体裂缝、支撑开裂变形；增加监测频率；一旦变形继续扩展，立即启动应急预案。

根据上述意见，施工单位暂缓了第4层土方的开挖，待第3道支撑混凝土强度全部达到设计要求后再进行第4层土方的开挖。

Ⅰ区第6层土方整体挖运至2013年10月10日结束，基础底板混凝土施工于2013年12月底完成， 2014年1月已进入地下室结构施工；Ⅱ区第5层土方整体挖运至2014年3月17日结束。基础底板混凝土施工于2014年4月底完成，之后进入地下室结构施工。

3 结语

随着基坑开挖深度的增加，土体应力不断增加，地下连续墙向基坑内位移，基坑角部的地下连续墙位移相对较小，基坑每条边中间部位的地下连续墙位移相对较大。

建议采取的设计措施：若支撑的设计平面布置为几何可变体系，需增加部分竖向斜撑，使支撑的设计平面布置变成几何不变体系。

土方开挖时保证圆环（对）撑均衡受力；土方开挖后应及时施工钢筋混凝土支撑，使支撑整体受力。

支撑的混凝土强度等级须达到设计的强度等级，如工期需要可将设计的混凝土强度等级适当提高。通过本深基坑的信息化监测表明，按规范及设计要求建立深基坑的工程监测系统，在基坑施工期间进行监测，能及时发现基坑变形情况，施工单位根据监测信息报告，有针对性地调整施工组织，指导深基坑后续施工，保证了基坑安全，是信息化监测技术指导深基坑施工的成功案例。