基于压差传感技术的坑底隆起监测方法及应用

叶俊能，尹铁锋，杜培贞

(宁波市轨道交通集团有限公司，浙江 宁波 315101)

基于压差传感技术的坑底隆起监测方法及应用

叶俊能，尹铁锋，杜培贞

(宁波市轨道交通集团有限公司，浙江 宁波 315101)

针对基坑坑底隆起监测问题，提出了一种基于压差传感技术的坑底隆起监测方法。首先分析了压差传感技术原理，其次介绍了监测系统中的压差传感系统及相应的辅助系统，然后通过模型试验验证了监测系统的温度稳定性，最后将该监测系统应用于工程实践，并对监测结果进行了分析。所得主要结论如下：基于压差传感技术的坑底隆起监测系统通过测点处的液面变化来反映竖向位移。基坑坑底隆起值随着开挖深度的增加而增大；开挖深度较小时，坑底隆起随基坑开挖同时发生和结束；当基坑开挖深度不断增加，坑底隆起随基坑开挖同时发生，并在该层开挖结束后持续增大。开挖相同厚度的土层，深度越深，所引起的坑底隆起越大，坑底土体重新稳定所需要的时间也越长。

坑底隆起；监测方法；压差传感技术

基坑开挖过程中坑底土体卸载回弹以及坑底土体负孔隙水压力消散导致的吸水膨胀与软化都将导致坑底隆起[1]。坑底隆起一方面会引起基坑工程本身的质量安全问题，如坑底受承压水作用产生隆起破坏；另一方面会对附近建(构)筑物产生不利影响，如地铁隧道上方基坑开挖产生坑底隆起引起隧道上浮、开裂、漏水，甚至影响地铁运营安全。因此，坑底隆起监测是基坑监测中至关重要的一环，坑底隆起方面的研究也越来越受到学者及工程师们的重视。

喻军等[2]通过杭州地区基坑监测数据的统计分析，得到基坑支护结构与地面沉降和坑底隆起的关系，并确定了基坑变形控制值。何玉红[3]基于孔隙比和压缩变形量的关系推导了塑性发展系数β的表达式，并建立了一种基于塑性发展系数β和卸荷比R的回弹量估算方法。陈立国等[4]基于极限分析法提出了基坑抗隆起稳定性分析的计算公式，并采用工程实例对可行性进行了验证。窦华港等[5]对坑底回弹量的各种计算方法及适用性进行了分析，并给出了回弹量与开挖卸荷之间的经验公式。周健华[6]重点分析了基坑内是否有桩、基底土是否加固、基坑开挖时间效应、空间效应、围护结构插入深度以及坑内水位降深等因素对坑底回弹、隆起量的影响。吴传波[7]以工程实例为依托，利用数值手段研究了基坑坑底隆起变形规律。结果表明随基坑宽深比不断增加，坑底最大隆起量也不断增大。曹力桥等[8]建立了开挖与降水开挖的三维基坑模型，分析了软土地区深基坑坑底隆起变形及其影响因素。得出了降水对基坑稳定有利的结论。田志杰[9]结合某明挖基坑临时立柱沉降监测数据，提出了通过临时立柱传递坑底竖向位移，利用全站仪测量深大基坑回弹量的新方法。

综上所述，目前关于坑底隆起监测新方法方面的研究尚不多见，本文提出了一种基于压差传感技术的基坑坑底隆起监测方法，使坑底隆起监测具有良好的连续性和可靠性，对同类工程具有一定的参考价值。

1 压差传感技术原理

几个底部互相连通的容器，注入同一种液体，在液体不流动时各容器的液面总是保持在同一水平面上称为连通器原理。利用连通器内液面等高的原理，可将两点间竖向相对位置变化转换成连通器内液面的变化。如图1所示，基于连通器原理的坑底隆起监测系统由水箱、通液管、基点传感器、测点传感器和通气管构成；其中虚框内的2，3，4，5组成一个连通器；3设置在影响范围外，以确保无沉降(或隆起)；1经过特别设计，当连通器内的液体有损失时，可及时向连通器内补充液体；5相对于大气是封闭的，可避免液体挥发，但1，3，4内的气压相等(可不等于大气压)，防止因气压差引起液面变化。

图1 基于连通器原理的坑底隆起监测系统平面示意图Fig.1 Plane drawing of the monitoring system of bottom heave based on connected vessels theory1—水箱；2—通液管；3—基点传感器；4—测点传感器;5—通气管

当3产生沉降(或隆起)时，3，4内的液面均会产生变化，导致3，4处压强随之改变，根据式(1)即可求得3相对于4的相对沉降(或隆起)量：

式中：Δh——沉降变化值；

pR0——基准传感器初始值；

pi0——测点传感器初始值；

ρ——测量系统使用的液体(一般为水)密度；

g——重力加速度。

2 坑底隆起监测系统

2.1压差传感系统

压差传感系统平面图如图2所示。由图2可知，基点传感器设在冠梁上，测点传感器固定在镀锌管顶部，镀锌管通过三角支架固定在支撑上。为避免因冠梁和混凝土支撑上升导致坑底隆起测量误差，在测量基点附近，布设了校核测点(一般以支护桩/墙顶竖向和水平位移测点替代)，以定期复核基点传感器的高程。

图2 压差传感系统平面图Fig.2 Plane drawing of the pressure difference sensing system

为保证压差传感系统的稳定性，通液管必须在同一水平面内，采取的走线方式是从镀锌管预留的缺口中引出，然后固定在混凝土支撑上部，最后接入水箱，以确保通液管处于同一水平面上(图3)。

图3 压差传感系统立面图Fig.3 Elevation drawing of the pressure difference sensing system

图4 基坑坑底隆起监测辅助系统示意图Fig.4 Diagram of the monitoring assistance system of bottom heave

2.2辅助系统

针对现场复杂的施工环境，以尽量不影响施工为基本原则，搭建坑底隆起监测辅助系统(图4)。本系统取消镀锌管的竖向约束，使镀锌管能够准确传递土体竖向位移。

由图4(a)可知，每个监测断面的2根镀锌管埋设在混凝土支撑的同侧，管内浇筑混凝土，以增大镀锌管刚度抵施工振动等影响。用抱箍将镀锌管固定在混凝土支撑上，以约束镀锌管，使之仅能传递竖向位移。

由图4(b)可知，镀锌管由3种管节构成。1号管节位于最底部，在下端开若干小圆孔，以增加和土体的粘结力，使土体和管一起运动，以得到更准确的坑底隆起值；2号管节位于中部，不做特殊处理；3号管节位于顶部，压力传感器布设在3号管节内，顶端开一小口以方便走线。

3 温度稳定性验证

监测系统稳定性影响因素主要有振动和温度，振动影响是指外界振源产生的振动波传递至监测系统使其所测压强产生波动，通过优化安装方式、控制施工工艺等可以实现有效规避；温度影响是指监测系统内液/气体受温度作用膨胀系数不一致导致压强差。现通过模型试验对监测系统进行夏季高温条件下的温度稳定性验证。

3.1模型试验介绍

图5为监测系统温度稳定性分析的模型试验图，如图5所示在一小型建筑物四周搭建监测系统，其中基点处于阴面，受温度影响相对较小；基点与测点1，2处于同一高度，若忽略温度等影响，系统所测沉降差应该为零。

图5 模型试验示意图Fig.5 Diagram of the model test

3.2试验结果分析

图6横坐标为日期，纵坐标为测点1，2相对于基点每日的最大沉降差平均值。由图6可知，温度引起的最大误差约为0.5 mm，说明监测系统具有较好的温度稳定性，即使在夏季高温条件也能基坑监测精度的要求。

图6 温度影响的最大沉降差平均值Fig.6 Curves of the average of the maximum settlement difference with time when considering temperature effect

4 工程应用

基于上述坑底隆起监测系统，以宁波轨道交通3号线一期工程高塘桥站—句章路站明挖区间(高句区间)基坑工程为依托，开展坑底隆起现场监测。

4.1工程概况

高句区间基坑长565 m，宽10.55～19.75 m，开挖深度13.9～16.4 m。该基坑由封堵墙分为3个小基坑，从左到右依次编号为A、B和C(图7)。根据现场情况选择A基坑进行坑底隆起监测。A基坑围护结果为800 mm地下连续墙，支撑结构为1道混凝土支撑+4道钢支撑。

图7 高句区间基坑平面图Fig.7 Plan of the pit in Gao-Ju

4.2监测系统布设

基坑第一道混凝土支撑架设完毕后，进行坑底隆起监测系统的安装(安装完成后的监测系统如图8所示)。监测系统安装调试完成后，进行基坑土体分层开挖；第1层土开挖完成后，拆除底部在第一道钢支撑以下1 m处的镀锌管，相应的测点退出工作；依次类推，直至第5层土开挖完成，拆除坑底加固土层上的镀锌管，基坑隆起监测系统随即退出工作。

图8 安装完成后的坑底隆起监测系统Fig.8 Monitoring system of the bottom heave after installation

图9所示为测点布置图，由图9可知，每个监测断面的2个坑底隆起测点和1个基准点构成1个小型监测系统，5个小型监测系统构成整个基坑的坑底隆起监测大系统。

图9 测点布置平面图Fig.9 Plane drawing of measuring point arrangement

为了尽可能地监测开挖面隆起值，镀锌管分5种长度从基坑一端到另一端呈递增/递减布置，布置位置分别位于第1，2，3道钢支撑、坑底设计标高20～30 cm和连续墙底处(图10)。这样布置不仅可以适应基坑普遍开挖模式，还能更好的反应深层土体位移变化规律。

4.3结果分析

因各测点监测曲线变化规律基本一致，故选取土体分层开挖过程中1#断面南侧监测点和5#断面北侧测点所测坑底隆起值随时间变化曲线(图11)进行分析。

由图11可知，坑底隆起值随着基坑开挖深度的增加而增大；在开挖深度较小时，坑底隆起随基坑开挖同时发生，同时结束；随着基坑开挖深度不断增加，坑底隆起随基坑开挖同时发生，并在该层开挖结束后坑底隆起值持续增加；开挖相同厚度的土层，深度越深，所引起的坑底隆起越大，坑底土体重新稳定所需要的时间也越长。

图11(a)表明在第1，2，3，4层土开挖后，1#断面南侧监测点稳定后的隆起值依次为8，15，47，88 mm；开挖至第5层土时，测点传感器达到预期工作寿命，退出工作。

图10 镀锌管布设立面图Fig.10 Elevation drawing of the galvanized pipe setting

图11 土体分层开挖1#、5#断面测点隆起值时程曲线Fig.11 Curves of measuring point of 1 #, 5 # section when soil stratified excavation

图11(b)表明在第2，3，4层土开挖后，5#断面北侧监测点隆起值稳定后的坑底隆起值依次为12，49，81 mm；开挖至第5层土时，测点传感器达到预期工作寿命，退出工作。

5 结论

(1)基于压差传感技术的坑底隆起监测系统可描述为使水箱、基点传感器、测点传感器和连接水管成为在底部和开口分别相通的连通器，即通过测点处液面变化来反应竖向位移。

(2)在夏季高温条件下，坑底隆起监测系统受温度引起的最大误差约为0.5 mm，监测系统具有良好的温度稳定性，满足基坑监测精度的要求。

(3)基坑坑底隆起值随着开挖深度的增加而增大；在开挖深度较小时，坑底隆起随基坑开挖同时发生，同时结束；当基坑开挖深度不断增加，坑底隆起随基坑开挖同时发生，并在该层开挖结束后持续增大。开挖相同厚度的土层，深度越深，所引起的坑底隆起越大，坑底土体重新稳定所需要的时间也越长。

(4)基于压差传感技术的坑底隆起监测方法具有良好监测连续性和稳定性，是一种可靠实用的基坑坑底隆起监测方法。

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责任编辑

：张明霞

Monitoringmethodofbottomheavebasedonpressuredifferencesensingtechniqueanditsapplication

YE Junneng, YIN Tiefeng, DU Peizhen

(NingboRailTransitCo.Ltd,Ningbo,Zhejiang315101,China)

A monitoring method of bottom heave based on pressure difference sensing technique was proposed for the monitoring of foundation pit. Firstly, the principle of pressure difference sensing technique was analyzed. Secondly, the pressure difference sensing system and corresponding auxiliary system were introduced. Thirdly, the temperature stability of the monitoring system was verified by the model test. Finally, the monitoring system was applied to the engineering practice, and the monitoring results were analyzed. The results show that the bottom heave increases with increasing of the excavation depth. When the excavation depth is small, bottom heave starts with the beginning of excavation, and ends with the end of excavation. When the excavation depth is large, bottom heave starts with the beginning of excavation, but continued to increases at the end of excavation. When excavating the same thickness of soil layer, the deeper the soil, the greater the heave, and the longer the time of bottom soil stable.

bottom heave; monitoring method; pressure difference sensing technique

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.06.15

TU433

A

1000-3665(2017)06-0096-06

2017-05-15;

2017-08-25

叶俊能(1975-)，男，博士，教授级高工，主要从事城市轨道交通研究与管理工作。E-mail: yzn75@139.com