紧邻高边坡深基坑开挖监测联合支护体系的建立

陈骏，张云毅，王永招，彭伟，龚璐杰，阳波，张鼎，张可能

（1.中建五局土木工程有限公司，长沙410000；2.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，长沙410083；3.中南大学地球科学与信息物理学院，长沙410083）

1 引言

紧邻高边坡的基坑在开挖时，高边坡的存在会导致基坑侧壁承受额外的压力，而边坡的稳定性也随着基坑的开挖面临着许多不确定性变化。对于这种特殊位置关系下的基坑—边坡工程，有研究人员在计算【1】、设计【2】及施工【3】等方面均取得了一定成果。纪广强等【4】通过某个深基坑开挖的周围环境监测结果，分析了该深基坑开挖所引起的环境问题，认为基坑地质条件较好且开挖满足支护系统安全稳定的条件时，仍可能对周围环境造成较大的影响。吴意谦等【5】通过某深基坑工程的监测结果分析了围护结构及周围土体随着基坑开挖深度和时间变化的位移规律。由此可见，有效的监测对于基坑工程来说是必不可少的。因此，本文介绍的工程采用能够动态观测基坑侧壁位移及结构应力变化的联合监测体系，以期能为类似环境条件下的工程监测网的建立提供参考。

2 工程概况

基坑场地位于郴州市人民东路延伸段，为进行南北走向的人民东路下穿东西走向的青年大道箱涵的施工，需要在2条路的交汇处进行基坑开挖（见图1）。基坑南北长约60m，东西宽20m，基坑最大深度为16m。根据区域工程勘察资料，场地地层主要为人工填土层、第四系坡残积层，下伏岩层为石炭系（C）地层，白云质灰岩、砂岩、炭质页岩，砂岩与炭质页岩呈互层状分布。地下水类型主要有孔隙水和基岩裂隙水，对工程影响不大。

图1基坑场地平面图

本工程设计采用“抗滑桩+锚索”的方案进行基坑支护，为确保基坑在开挖阶段的稳定性，需要在基坑周边及高边坡的关键位置建立有效的监护体系，以确保基坑施工过程中的安全性。

3 监测体系的建立

根据基坑设计资料，本基坑支护变形监测等级为一级。为全面掌握基坑及支护结构变形的发展，在基坑开挖至基坑回填期间，对基坑侧壁支护结构进行水平位移、沉降、深层水平位移和预应力锚杆拉力的监测。对基坑周边的高边坡进行水平位移和沉降的观测。对于基坑周边未临边坡的平地和青年大道，需要观测其变形。监测工具主要包括全站仪、水准仪、测斜管、测斜仪、锚索应力计等常用监测仪器。其中支护结构变形的监测点安置在支护桩冠梁顶部，在支护结构内安装测斜计对结构进行测斜。锚索应力及安置在锚杆锁头处。边坡的观测点设置在边坡坡顶和坡脚处的关键位置。

受地铁运营时间的限制，本项目自动化程度较高且覆盖完整，涉及人工的项目仅为仪器的人工调试和维护，由此可见，自动化实时监测不仅节省人力成本、降低劳动强度，又能最大限度地减少人为测量误差，所以本文将重点阐述自动化实时监测。

3.1 水平及沉降位移监测

布设5个水平位移基准点，首先，通过用全站仪支点法或者GPS-RTK图根控制法测定各控制点在工程坐标内的坐标，然后，对监测控制网独立进行精化以达到所需的相对精度。工作基点另设在基坑的支护桩顶部冠梁处，采用观测墩的形式。支护结构水平位移监测点根据设计图纸布设。

场地设置了8个沉降监测基准点，以保证在整个观测过程中稳定、可靠。其中，场地外布设BM1、BM2 2个基准点。顺着青年大道向本基坑均匀布设水准点，并分别命名为BM3～BM8。其中，BM7、BM8作为日常工作基点，埋设于靠近基坑但又不受影响的位置。

完成沉降基准点的联测与稳定性检验后，进行沉降监测点的埋设。沉降监测使用精密电子水准仪，配合铟钢条码尺或玻璃钢条码尺进行水准测量，需将水准线路布设成环型闭合线路：从BM7起，经过BM8后对各监测点进行测量，最后再经过BM8后，闭合于BM7。在监测过程中，发现BM7、BM8的高差出现异常时（大于1.5mm），需重测并确认是否基准点发生了变化。

3.2 锚索应力监测

首先进行锚索计安装，锚索的内力监测点应选择在受力较大且有代表性的位置，基坑每边中部、阳角处和地质条件复杂的区段宜布设监测点。各层监测点位置在竖向上应保持一致。

锚索应力监测时，在锚索计受力前进行初始值的测量，锚索预应力张拉时，同时进行锚索计的读数，并根据千斤顶的读数对锚索计的结果进行比较、校核。根据监测的频率读数计算锚索拉力值，并绘制拉力-时间变化曲线图。

3.3 支护结构测斜

测斜工作首先需要进行桩体测斜管埋设和土体测斜管的埋设。测斜管在支护结构内的位置应避开导管，在测管连接时，将4m（或2m）一节的测斜管用束节逐节连接在一起，并在每个束节接头两端用防水胶布包扎。完成内槽检验和测管固定后即可吊装下笼。冠梁施工阶段是测斜管最容易受到损坏阶段，应根据冠梁高度重新调整测斜管管口位置。土体内测斜管采用钻孔法安装，具体操作按照有关规范进行。测斜监测方法及精度也应满足规范要求。

4 动态监测系统的应用

自动化监测即将监测元器件数据与互联网结合，实现远程监控，实时自主监测，自动反馈跟踪，能够使监测无盲点、无死角，可有效地确保监测的效率和精准度，杜绝工程事故的发生。针对紧邻高边坡的基坑，自动化监测方案能够发挥其独特的优势，通过与常规监测手段的配合，能够更好地满足施工要求。自动化监测的组建如图2所示。

图2自动化监测系统示意图

4.1 支护结构上部三维变形自动化监测

当前的三维变形自动化监测，应用较为广泛和成熟的是使用测量机器人进行监测。采用TM30全站仪结合徕卡GeoMoS系统进行三维变形自动化监测。徕卡TM30测量机器人具有高精度、高速度、全自动化的特点，能够确保全天候无间断工作，其智能识别系统能够满足自动目标识别3 000m的测程。除此之外，其能够实时显示并保存测量数据，并可同时通过电缆、移动电话以及因特网进行数据传输。

监测方法为在基坑支护桩顶部及距离坑顶3～5m的支护结构内侧设置目标棱镜，在工作基点上架设测量机器人，通过后方交会获得设站坐标及方位角后，依次对目标测量并通过无线网络发送数据到GeoMoS。由软件计算各监测点与初始值的三维变化并以图表的形式呈现在监视器中。当某个监视点变形值或变形速率超过设定值时，马上对相关的监测点进行再次测量，确认后发布预警信息。

4.2 基坑收敛（相对位移）及锚索应力自动化监测

将此前安装好的锚索应力计接入自动化采集系统，由该系统根据设定好的周期或者临时指令测量锚索拉力；分别在距离及坑顶约5m、10m的基坑支护结构上安装测距仪，在对面基坑支护结构上安装目标棱镜。根据程序设定的方式测量仪器和棱镜间的相对距离。当锚索拉力和相对距离的变形值或变形速率超过设定值后，经过再次复核后，发布预警信息。

通过自动化系统，可实现高频率的即时监测，随时向工程施工及各管理部门提供数据成果和趋势分析等。当基坑施工进入较深的阶段时，或者变形量接近预警值时，自动化实时监测将对工程安全起到更重要的作用。

5 监测结果分析

在保证基坑施工安全的前提下，变形监测中首次采用基于自动化监测系统的机器人监测技术，对本次监测工程来讲是一次崭新的尝试，也是科研和生产的一次很好的结合。为验证和保障自动化监测的准确性，自动化机器人监测位移的同时也进行了人工测量水平、沉降监测数据。将两者的结果进行对比，能够更好地反映新技术的适用性。

将同一位置不同手段得到的2组监测数据进行分析，对比数据如表1所示。

表1 2种监测方法数据对比mm

表1反映光纤自动监测机器人所测得的数据曲线和人工沉降监测的数据绘制的曲线图形相似度较高，二者的结果相差不大，说明自动化监测系统所获取的数据十分可靠。因此，自动化监测在紧邻高边坡的基坑监测中可以作为一种成熟的监测方法被应用。

6 结语

本工程依据场地特点，建立紧邻高边坡的基坑监测体系，在监测过程中采用了新的监测技术、设备和方法，在对基坑支护结构及边坡重点部位进行人工监测的同时，还运用了自动化监测系统，在基坑开挖过程中对变形重点区域采用监测机器人等最新监测仪器，在为基坑开挖提供准确监测数据的同时提升了监测效率，从而保障了基坑开挖施工的安全。

技术层面上，通过人工监测与自动化监测系统在一些关键点监测的结果对比分析上来看，引入自动化监测技术在基坑内部支护结构建立的沉降、位移、锚索轴力的变化情况以及基坑外部边坡、道路重点部位的位移变化，实现由基坑内到基坑外、人工监测方法与自动化监测技术相结合，有效获得准确的监测数据，对保障工程的顺利完成奠定了基础。