某深基坑监测数据分析

潘 浩，席培胜

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽合肥 230022）

某深基坑监测数据分析

潘 浩，席培胜

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽合肥 230022）

基坑开挖对周边地表沉降的影响越来越受到重视。工程施工中如何保证基坑周边地表的稳定以及减小对周边环境的影响是当前研究热点和难点。本文以合肥市地铁一号线大连站深基坑工程为背景，介绍了工程概况和监测方案；对基坑围护结构内力、变形和周边土层沉降数据进行了对比；分析了基坑周边不同距离处与不同时间段内地表沉降的变化规律并对其原理进行了探究。结果表明：合理安排深基坑工程的施工进程与采取恰当的施工方法是保证安全生产的重要前提。本文可为相关类似深基坑工程的设计和施工提供一定的参考。

深基坑；数据监测；数据处理

0　引　言

随着城市经济的发展，城市用地的日趋紧张，人们对于地下空间的需求日益变大。基坑工程是一个项目工程的一部分，它的重要性和主体的项目等同，只有确保基坑工程的合理安全的施工，才能保证项目的顺利完成［1-2］。随着基坑工程的开挖进行，基坑开挖和支护都会对土体产生力的作用，通过力的传导作用，从而导致基坑周边相应位置产生变形，进而导致周边地表的沉降或隆起。由于地质原因还有可能对周围的建筑物产生影响，严重时还有可能干扰建筑物的正常使用，如果周边有居民区还有可能对居民区的建筑以及居民生活造成不必要的影响，严重时可能会对地下基础产生破环作用，以及地下管线的破裂等问题。

为了解决这一问题，阳军生和刘宝琛［3-4］等人深入我国大西北等地区开展相关的研究以及实验，对一些地区的隧道开挖，基坑开挖实地观察勘测，利用随机介质的理论方法，分析处理相关数据，得到了部分隧道和基坑开挖引起地表移动的一些参数。例如：王霆和韩煊［5-6］等利用Peck和随机介质理论对地铁基坑及隧道做了相关研究，得到了一些建议值。

从基坑开挖开始的状态到基坑开挖和支护的期间，由于土体中力的作用，使得基坑内外的土体从原本的静止状态变成了主动土压力的状态。这种应力状态的改变会对基坑内部支护结构产生荷载作用和周边相应位置的土体变形，当这种荷载过大或者变形过大时就会对基坑以及周边的结构和部分设施造成影响，严重时会导致破坏。通过对开挖过程中的实时监测，以及对相应数据进行相关的处理以及预测，能更加全面地了解基坑开挖中存在的问题，针对相应的问题及时做出应对，能更好地了解基坑各个区域和时间段的变化，为施工组织提供相应的施工建议。

1　工程概况

1.1工程位置及周边环境概况

大连路站位于规划青海路与规划大连路交叉口，沿规划青海路南北向布置，车站北段位于农田内，现状地面标高约27.20 m。车站南段（约120 m）位于鱼塘内，鱼塘水面标高23.38 m～26.85 m，水深0.8 m～1.5 m，塘底淤泥厚度约为0.4 m～1.1 m。本施工范围的基坑周边影响范围内并无管线和建筑物。

1.2工程地质及水文条件

1.2.1工程地质条件

基坑深度范围内地层，由上而下依次为：①粉质粘土填土层、②粘土层、③粘土层、④粘土层、④粉质粘土层；底板主要位于③粘土层，围护桩底位于④粘土层。

①粉质粘土填土层：厚度一般为0.5 m～2 m，粉质粘土的成分以及物理化学性质复杂，而且堆积时间短，土体堆积不稳定，施工过程中极易发生坍塌，填土对明挖基坑支护结构的稳定影响很大；

②层粘土：灰褐色～灰黄色，含少量铁锰结核、灰白色高岭土，切面光滑，干强度高；

③层粘土：黄褐色～褐黄色，硬塑，含氧化铁、铁锰结核、高岭土，切面光滑，干强度高；

④层粘土：黄褐色～褐黄色，硬塑，含氧化铁、铁锰结核、高岭土，局部铁锰质结核富集，切面光滑，干强度高，该层底部位局部夹灰白色粉质粘土；

⑤层全风化泥质砂岩：棕红色，泥质胶结，风化成沙土状，原岩结构可辨，主要矿物成分为石英、云母，手握易碎，遇水软化，浸水后可捏成团；全部钻孔未穿透此层，最终最大深度标高-25.35 m。

施工场地分布的粘土②层、粘土③层、粘土④层，都具有弱膨胀性，物理性能都是吸水发生土体膨胀，失水发生土体的收缩，即使在荷重作用下仍能浸水膨胀，产生膨胀压力，可能会引起地基、基坑边坡膨胀变形，各土层物理力学参数如下表1：

表1　各土层物理力学参数表

1.2.2工程水文条件

拟建场地地下水类型为上层滞水：水位埋深为0.2 m～2.70 m，水位标高22.89 m～25.98 m，主要接受大气降水，主要以蒸发和越流的方式排泄。

1.3工程设计参数

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-99），结合室内土工试验提供基坑支护设计参数建议值，相关参数见表2所示。

表2　基坑支护计算参数建议值表

1.4施工工艺

按照“时空效应”理论，纵向采用“分层、分段、分块、限时、均匀、对称”的开挖原则，横向先施工中间部分后两侧部分、先主体结构后附属结构。土方开挖深度约4 m，安装架设第一道预应力锚索围檩；基坑开挖深度约5 m，安装架设第一道钢支撑及第二道钢围檩；土方开挖深度约7 m，锚索钻孔注浆；土方开挖深度约 9 m，锚索钻孔注浆完成，架设锚索围檩，施做钻孔灌注桩；之后再完成顶板的浇筑，顶板绑筋。本工程拟采用小型挖掘机水平挖土，基坑一、二层采用挖掘机直接开挖；基坑三、四层采用长臂挖掘机进行垂直运输；基坑五层及以下采用小型反铲挖机配合长臂挖掘机开挖；龙门吊出土，自卸汽车外运。

2　基坑监测方案

2.1基坑监测频率

围护结构桩顶水平位移和沉降开挖不少于1 次/3d、围护结构变形检测不少于1次/3d、支撑轴力变化不少于1次/3d、支撑立柱沉降变化不少于1次/3d、地下水位变化不少于1次/3d、周边地表沉降变化不少于1次/3d、周边建筑物沉降和倾斜等的监测不少于1次/3d，施工阶段基坑开挖不少于1次/3d，主体结构施工不少于1次/5d。

2.2基坑监测报警机制

根据《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009）的要求及设计单位提供的报警参考值，本工程的监测报警值如下表3所示。

2.3基坑监测点布置要求

本方案测点布置是在合理安排检测位置得到全面的检测数据和安全的前提下完成的，在保证施工监测与第三方监测同点监测的基本要求下进行优化布置，总体测点布置原则如下：

（1）监测布点范围依测项不同取1～1.5倍基坑开挖深度，监测点的布置分别为距离基坑边2 m、5 m、8 m、18 m、28 m的位置。

（2）与施工单位做到同点监测，测点依据第三方监测布点原则，从施工图监测设计文件中选取优化。

（3）以控制安全为目的，在风险工程范围内，如果施工监测测点布设不足，需适当增加监测点；如果监测项目不够，需适当增加监测项目。

表3　监测报警值

2.4监测点布置图

图1为从整个测点布置图中摘取的部分的监测布置图。

图1　监测点布置图

3　监测数据分析

基坑在施工过程中产生的地表沉降会影响周边建筑物的安全，会使临近建筑物发生不均匀沉降裂缝，严重时甚至会导致地面建筑物倒塌［7］。如图1测点简图的布置，对现场基坑周边地表进行历时的监测，该基坑分南端头和北端头两部分，找出部分特殊点、特殊断面的沉降进行整理可得如图2-3 所示：

由图2-3可以看出，从基坑两边分别选取的断面上的特殊点的沉降变化趋势基本一致。大致趋势为随着基坑的开挖，基坑周边地表的沉降从起初的平稳变化阶段到骤降阶段，再到最后的地表沉降平稳阶段，历时3个变化区段。从图2中可以看出基坑的东部的两个特殊点的最终沉降量要比上部的沉降量大，实地勘测发现位于基坑东部土地比西部的压缩性更大，施工阶段应注意对基坑东部的支护更加完善，四个点的沉降连续下降阶段均发生在九月到十月份，之后沉降变化稳定，可见支护桩的变形也趋于稳定。

图2　基坑周边部分特殊点历时沉降曲线图

图3　基坑周边部分特殊点沉降增量历时曲线图

从图中几阶段的沉降规律中发现，施工刚刚开始的时候，地表沉降值变化基本保持在为0，无沉降变化，随着基坑施工开挖我们可以看到DB06点的沉降增量变化维持在0～3.5 mm范围波动，沉降变化值在预警值范围之内，该点的沉降最大增量3.3 mm发生在12月1号，超出了预警值3.0 mm，且这段时间沉降增量变化均在3.0 mm上下波动，现场勘测并无明显土体干扰及渗水现象，原因可能该段特殊点监测数据错误。我们还能看出DB01点的施工阶段开挖沉降增量差异比较大，这是因为该特殊点开挖过程中土体卸载以及支撑架设的关系，使得部分特殊点的沉降出现了正值与负值，随时间变化支护结构的稳定，地表沉降的变化值又趋于0，对于其它的沉降点沉降变化值在0～6.2 mm范围波动，可以看出，沉降变化比较均匀，易于控制。

也可以发现两幅图中周边地表的沉降发生均出现在9月26日到12月4日这段时间段内，并且数值增量偏大，这可能是开挖进度较快以及其他因素导致，施工中应做出相应的防护措施，保证基坑安全，合理安排施工进度。

在布置监测点监测数据的同时，往往会发生一起监测点数据丢失或者由于后期的一些其他建（构）筑物的遮挡导致一些点的数据丢失。可以通过一些简单的数据拟合来反应这些点的变化趋势，从而通过这些变化趋势为以后那些丢失的数据点通过输出相对的数值获取相应的监测数据。而就上述两幅图来讲，特殊点DB01与DB24在基坑的开挖过程中变化率比较大，而另外两个点的增量变化基本保持不变，所以在采用曲线拟合的时候对前面两点的拟合采用了二次多项式拟合，4个特殊点的沉降历时曲线拟合如下：

DB01-01点的沉降变化曲线为：

y=0.0333x²-3.2237x+13.059R²=0.9645

DB06-01点的沉降变化曲线为：

y=-0.8825x+1.686R²=0.9751

DB24-01点的沉降变化曲线为：

y=-0.0185x²-1.2334x+9.3982R²=0.9501

DB27-01点的沉降变化曲线为：

y=-2.107x+1.1232R²=0.9563

这就做到了对于后期一些关键点的丢失情况，通过前面已测的数据进行拟合得到相应的公式，为后期的一些数据丢失做好保障，从而得到比较全面的监测数据，然后来反应出整体基坑周边沉降的变化规律。根据拟合结果亦可看出，地表沉降的变化趋势经历的几个变化阶段，由此可明确基坑周围地表沉降变化，做好及时的相应的防护措施，合理安排施工。

随着基坑的开挖，基坑周围的土体不断的被开挖掉，施工过程中对土体的扰动逐步增大，导致基坑周围的土体的原始力场发生较大改变，使得其应力重新分布，并且土体发生固结沉降；同时，由于基坑内部土体的开挖，基坑内外差生压力差，在这种压力差的作用下使得基坑外的土体在土压力的作用下向着基坑内部移动，从而产生一定范围的水平位移，由于变形协调性与土体本身的可塑性，在压力差的作用下对应着就会产生相应的竖向沉降。基坑周边沉降的主要原因就是因为这种土体变化规律产生的，因此分析对应距离的地表沉降是不可或缺的，基坑周边特殊断面的沉降图如图4-5：

图4　基坑特殊断面各点的沉降历时曲线图

图5 基坑特殊断面各点最终沉降曲线图

图4为历时八个月的基坑特殊断面的地表沉降曲线图，图4中我们可以看出，前两个月断面上各点的沉降变化很小，从第三个月开始特殊断面上的各点的沉降值开始变大，3～6个月份地表的沉降变形率最大，之后沉降趋于稳定，后一个月地表有隆起现象。

图4与图5反映出了该基坑排桩加内支撑支护结构的地表沉降特点，地表沉降遵循“勺型”分布，最大沉降发生在距离基坑一定距离处［8-9］,而不是在距离基坑最近的测点处，这是由于基坑开挖过后，基坑内支撑和支护桩的作用，使得距离基坑最近的测点的沉降得到了相应的支撑力分力的影响的作用。

基坑开挖后，前两个月地表沉降处于稳定阶段，地表周围无相应力的作用，地表沉降无明显变化，并且最大沉降值没有超过4 mm，随着工程的进行，基坑开挖以及基坑支护的架设对周围土体产生了相应的力的作用，在这种力的作用下，周边地表产生了大幅度的沉降变化，经实地勘察其主要原因是施工机械和人工作业的频繁调度，从而导致了地表附加荷载的增加［10］，之后地表沉降又出现了第二次的大幅度沉降，这是由于基坑周围地表出现了局部渗水的影响，再之后地表沉降也趋于稳定，无明显增幅现象。

在整个基坑开挖过程中，最大的地表沉降值为29.8 mm，小于警戒值30 mm。

4　结论

通过对合肥市地铁一号线大连路站地表沉降监测成果的分析，可以得到以下几点结论。

（1）地表沉降随时间历时可分为3个阶段，在施工过程中，应该注重对这三个阶段内，地表沉降的围护工作，合理安排施工进度。

（2）从地表沉降值和支护水平关系中可以看出，地表最大沉降值小于支护结构的最大水平位移值。

（3）地面堆载和机械的调度会极大的影响地表沉降值的变化，而且容易使地表沉降值超过警戒值，并且会对该区域以外的趋于产生挤压反弹，在施工中要特别注意，引起重视。

（4）地表的局部渗透作用也是引起地表短时间大幅度沉降的原因之一，其特点就是对基坑外近处的土层影响较大，距离基坑越远影响越小。

基坑支护结构的稳定影响基坑外地表沉降，由于水平和竖向对土体的分力作用，距离基坑周边越近的测点影响越大，这种距离到达某一临界值的时候，这种作用对周边沉降无明显的影响。

［1］陈仲颐,周景星,王洪瑾.土力学［M］.北京：清华大学出版社,1994.

［2］刘建航,候学渊.基坑工程手册［M］.北京：中国建筑工业出版社,1997.

［3］阳军生,刘宝琛.挤压式盾构隧道施工引起的地表移动及变形［J］.岩土力学,1998（03）：10-13.

［4］阳军生,刘宝琛.抽水地面沉降预计的随机介质模型［J］.水文地质工程地质,1999（05）：13-15.

［5］王 霆,刘维宁,张成满,等.地铁车站浅埋暗挖法施工引起地表沉降规律研究［J］.岩石力学与工程学报，2007,26（9）：1855-1861.

［6］韩 煊.隧道施工引起地层位移及建筑物变形预测的实用方法研究［D］.西安：西安理工大学,2006.

［7］陈滋雄.基坑开挖对邻近建筑物的影响研究［D］.重庆：重庆大学,2012.

［8］PECK R B. Deep excavation and tunneling in soft ground［C］//7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Mexico City,1969.

［9］左殿军,史林,李铭铭,等. 深基坑开挖对邻近地铁隧道影响数值计算分析［J］.岩土工程学报,2014（S2）：391-395.

［10］杨国伟,刘建航.邻近建筑物或地面超载作用下围护结构水平位移与坑周地表沉降关系研究［J］.地下工程与隧道,2002（03）：11-14+32-49.

Analysis on Monitoring Data of a Deep Foundation Pit

PAN Hao ,XI Peisheng
（School of Civil Engineering， Anhui Jianzhu Univerity，Hefei,230022，China）

The infuence of foundation pit excavation on settlement of the surrounding ground has been paid more and more attention to. How to ensure the stability of surface around the foundation pit and reduce the impact on the surrounding environment in the construction have been hottopics and diffcult points in the current research. This paper is based onfoundation pit engineering of Dalian station of Hefei No.1 subway line as the background and introduces the general situation of the project and the monitoring program； then it compares datas in internal force and deformation of retaining structure of foundation pit, and the settlement data of surrounding soil,analyzes the change rule of ground settlement of surrounding foundation pit at different distances and different time segment and and probes into the basicprinciple.The results show that the reasonable arrangement of deep foundation pit engineering in the construction and taking the appropriate construction method are important prerequisites to ensure production safely. This paper can provide some reference of the design and construction for similar deep foundation pit engineering.

deep excavation, data monitoring, data processing

TU473.2

A

2095-8382（2016）04-050-05

10.11921/j.issn.2095-8382.20160411

2016-03-11

潘浩（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向为地下工程结构计算与应用。