深基坑监测技术在工程实施中的应用分析

万金涛

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

1 概述

由于岩土体性质复杂多变和理论计算的局限性，基坑监测技术在基坑实施过程中成为一项必不可少的重要工作[1-3]。目前，许多学者对深基坑监测技术的应用进行了研究，如黄侨文针对基坑监测技术在深基坑施工中的应用进行了分析，认为可以通过基坑监测报警值分析基坑变形的原因[4]。裴建坡等通过对超大型深基坑变形监测方案与实施的研究分析，认为通过监测手段可以及时发现位移突变[5]。以下以长江一级阶地某深大基坑为例，分析基坑实施过程中监测技术的应用情况。

2 工程概况

2.1 工程简介

本工程为单体建筑，地上19层，建筑高度为83.8 m，地下2层，其基坑深约11 m，开挖面积约9 400 m2，开挖周长约430 m。基坑距离长江约700 m，周边紧临多个既有建筑物和管线，距离最近建筑物仅4.0 m。采用单排围护桩结合一道钢筋混凝土内支撑及三轴搅拌桩止水帷幕的基坑设计形式。根据湖北省地方标准《基坑工程技术规程》的相关规定[7]，本基坑重要性等级为一级。因此，基坑开挖支撑体系的选用和深基坑变形及周边环境变化监测尤为关键。基坑周边环境及监测点平面布置如图1所示。

图1 基坑周边环境及监测点平面布置

2.2 工程地质及水文地质条件

(1)工程地质条件

基坑场地地层二元结构较为明显，上部土层主要为粉质黏土，局部夹淤泥质粉质黏土、薄层粉土，厚2.6～10.0 m；下部依次为粉砂、细砂，局部夹中砂、砾砂、圆砾土层，饱和，松散-密实，厚36.1～42.1 m。

(2)水文地质条件

根据勘察资料，上层滞水主要赋存于填土层及粉质黏土层中，水位埋深0.7～2.0 m。粉质黏土水平渗透系数为0.436×10-7～1.686×10-7cm/s(极微透水)。主要受地表水与降雨补给，水位和水量随季节和周边环境变化。

承压水赋存于第四系全新统砂类土中，含水层岩性(由上至下)为粉砂、细砂，局部夹中砂、圆砾土，隔水层顶板为黏性土，底板为基岩。该层水广泛分布于长江一级阶地，与长江水有密切的水力联系，地下水位埋深一般为0.1～5.0 m，年变幅为3～4 m。

2.3 基坑变形监测报警值

根据《建筑地基基础设计规范》、《建筑基坑工程监测技术规范》及设计要求，确定了相应监测项目、监测警戒值和报警值，如表1所示[8]。

表1 基坑监测警戒值和报警值

3 水平位移监测

按设计要求，在支护结构顶部每隔20～30 m布设一个监测点，共布设17个水平及垂直位移(同点观测)监测点，编号分别为ZD1～ZD17。监测点拟采用预埋件形式，配合小棱镜直接观测。

为保证自由设站的观测精度，设站点与两基线点之间的距离不应过大(间距100 m左右)，一般应选在稳定地区，且所选基线应大致与基坑的主轴线平行。为消除观测时仪器的系统误差，每期设站点的位置应大致固定。

各监测点累积位移量如图2所示，根据监测结果，将其位移量矢量示意，如图3所示。

图2 支护结构顶部水平累计位移量

图3 基坑平面累积位移矢量示意

从监测数据可知，在整个水平位移监测过程中，所有水平位移监测点位移速率均未达到警戒值，各水平位移监测点累积位移量也均未达到警戒值。

4 沉降监测

基坑沉降观测采用精密水准仪，按照国家二等水准要求观测。以附合或闭合水准路线方式联测各监测点，以水准控制点为基准，测算出各监测点高程[9-10]。沉降监测项目如表2所示。

表2 基坑监测项目

共布设环境监测点13个。其中，航测楼为HC1、HC2、HC3、HC4；图文中心为TW1、TW2、TW3、TW4、TW5；档案馆为DA1、DA2、DA3、DA4。

支护结构顶部竖直位移监测结果如图4所示，临近建(构)筑物竖向位移监测结果如表3所示，管线沉降位移监测结果如图5所示。

图4 支护结构顶部竖直累计位移量

建筑物航测楼图文中心档案馆最大值最小值点号累积变化量/mmHC1-3.3HC2-20.9HC3-17.6HC4-7.9TW1-9.7TW2-1.9TW3-4.6TW4-16.1TW5-6.9DA1-1.0DA2-14.3DA3-16.9DA4-5.9-1.0-20.9

图5 管线沉降位移量

从沉降监测结果可知，支护结构竖向位移非常小，最大只有2.6 mm；临近建(构)筑物竖向位移沉降量相对较大，最大累积沉降量为20.9 mm；管线最大累计沉降量为10.2 mm；所有监测数据均未达到警戒值。

5 坑外坑内水位监测

根据现场实际情况和设计要求，共布设坑外潜水水位观测孔4口，钻孔直径为100 mm，潜水水位管长度长于基坑深度2～3 m。成孔后应将孔内泥浆清洗干净，再安装直径50 mm、厚3 mm的专用水位测量PVC管。管间用套管连接，自攻螺丝加固，然后用细砂和微膨胀黏土将孔壁与管壁之间的空隙填充密实。

电测水位仪：仪器由探头、电缆盘和接收仪组成。仪器的探头沿水位管下放，当碰到水时，上部的接收仪会发生蜂鸣，通过信号线的尺寸刻度，可直接测得地下水位距管口的距离。管口高程可用精密水准仪与基准水准点联测获得。坑内、坑外水位监测情况如图6所示。

图6 坑内坑外水位变化

从图6可以看出，水位观测井SW01，SW02以及SW03的水位值总体在0.8m内波动，均未达到报警值。

6 土体深层水平位移监测

为了解随基坑开挖深度的增加，坑外土体不同深度水平位移的变化情况及桩身变形情况，在支护结构中设置了测斜管进行监测。为保证深层土体水平位移监测数据的准确性，应特别控制测斜管的倾斜度、埋设深度、初始值确定、探头稳定时间和测斜管连接整体性等指标，使其满足监测要求[11]。

17号和167号管桩处的土体深层水平位移监测情况如图7所示，由图7可知，土体深层水平位移量均较小，最大位移值在冠梁以下8.5 m处(最大值为5.5 mm)，即基坑底部附近水平位移最大。

图7 土体深层水平位移

另外，土体深层水平位移变化速率多在1 mm/d范围内，只有6号点在5月19日至5月22日之间其位移波动接近3 mm(如图8所示)，鉴于波动值较小，认为其变形结果可控，后期监测数据也验证了这一结论。

图8 土体深层水平位移变化

7 支撑轴力监测

支撑轴力监测的目的是监测基坑开挖及地下结构施工过程中支护结构支撑体系的受力情况，对支护结构的安全性和稳定性做出评估。该项监测是对基坑设计与计算的直接检验。

对于混凝土支撑轴力监测，目前工程中最常用的仪器是钢弦式应力计。其基本原理是当钢筋受拉或者受压时，钢筋和钢筋应力计发生变形，从而引起钢筋应力计频率发生变化，即可计算出钢筋所受力的大小[12-13]。

支撑及栈桥板钢筋内力计算公式为

(1)

栈桥板钢筋应力计算公式为

σg=pg/Ag

(2)

支撑轴力计算公式为

(3)

其中P——钢筋应力/kN；

K——钢筋应力计标定系数/(kN/Hz)；

f0——初始频率/Hz；

fi——本次频率/Hz；

Pc——支承轴力/kN；

Ec，Eg——混凝土和钢筋的弹性模量/MPa；

A，Ag——支撑截面面积和钢筋截面面积/mm2。

本工程中，支撑轴力测点按设计要求布置，编号为ZC1～ZC16。每个监测点设置4支钢筋计，布置形式如图9所示。

图9 支撑轴力测试示意

施工过程中，监测到的混凝土支撑轴力最大值如图10所示，由监测数据可知，支撑轴力均为负值，表明混凝土支撑处于受压状态[14]，支撑轴力最大值在-3 614.1～-8 098.9 kN范围内，其中ZC2、ZC3、ZC7、ZC8、ZC10、ZC13监测点的轴力出现了预警情况，最大应力值达-8 098.9 kN。对出现预警的情况进行了讨论分析，发现支撑轴力较大的原因主要是周边建筑物荷载偏大和基坑周边堆载，但此时支护结构的变形较小，整体结构仍处于安全状态，对施工无影响。

图10 混凝土支撑轴力最大值

8 结束语

(1)支护结构顶部水平位移均在15 mm以内，而报警值为30 mm，表明本工程单排围护桩结合一道钢筋混凝土内支撑的刚度满足设计要求，尚有一定的富余量。

(2)施工过程中支护结构的沉降较小，而临近建(构)筑物和管线沉降相对较大，主要原因是建(构)筑物和管线距离基坑较近，且临近建(构)筑物均为浅基础。

(3)施工水位随长江水位在一定范围内变化，变化幅度在0.8 m以内，表明补给水源水位的变化对基坑水位变化影响较大，施工时应根据补给水源水位的变化调整降水参数。

(4)本工程多处出现支撑轴力报警情况，但其整体结构仍处于安全状态，表明支撑轴力单独作为结构安全性判断依据还有所欠缺。因此，当支撑轴力报警时，应结合其他监测项目综合判断结构的安全性。

[1] 刘国彬，王卫东.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2009

[2] GB50497—2009 建筑基坑工程监测技术规范[S]

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