深层水平位移测量在深基坑监测中的应用研究

韩 超，任国家，王孟莹，叶佐俏，朱德勤

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.建研院检测中心有限公司，北京 100013；3.北京市城建研究中心，北京 100037）

0 引言

近些年来，国内房地产项目取得了空前的发展，在以往建设难度很大的深厚软土地区、滨海地区也建设了大量的工程项目。为在深厚软土地区、滨海地区挖设深基坑以满足工程建设需要，国内外提出了动态化监测的施工方法以保证深基坑项目的安全运行。其中深层水平位移测量是深基坑动态化监测中不可缺少的监测环节，也是深基坑监测方法中最为有效的监测手段之一。深层水平位移测量以其特有的深层土体位移敏感性、前瞻性在基坑监测中应用较广，属于一二级基坑的应测项目。

1 深层水平位移测量原理

在深厚软土地区、滨海地区的深基坑工程项目中，基坑支护结构的深度往往较高，支护桩长达 30 m 以上，甚至有的深基坑项目采用了大直径的支护灌注桩或地下连续墙，桩底不仅位于砂土或全风化土层中，还有的项目支护桩也已深入岩层，桩底的稳定性非常好。故而在深厚软土地区、滨海地区的深基坑工程项目中，一般可在支挡结构中绑扎测斜管或钻孔埋设测斜管的方式用以量测深层水平位移。测斜管的埋设长度可以与支护结构长度一致，以增强测斜管的稳定性。埋设测斜管时，应将一对导槽对准临空方向。深层水平位移测量时，可将测斜仪放入测斜管管底［1，2］，再逐段依次测量。

当深层土体产生变形时，测斜管将跟随土体产生位移。测量时，钻孔测斜仪中的铅锤受重力的影响将始终保持竖直方向，仪器中封装的高精度角度传感器可量测测斜仪杆件轴线与竖直方向的夹角θi，则测斜仪所在位置的深层水平位移 ΔSi（倾斜值）等于仪器长度L乘以夹角θi的正弦值 sinθi［3］。以钻孔孔底为起始点，通过自下而上对所有位移值的累加可得到不同深度处的水平位移值。深层水平位移测量原理如图 1 所示。

图1 深层水平位移测量原理示意图

图 1 的原理可以采用代数式表达出来，将测斜管总长度分割成若干个测斜仪杆长 ，自下而上依次测量不同位置的倾斜值，则可以通过不同位置倾斜值的累加，最终得到测斜管孔口处的水平位移值。公式表达式见式（1）、式（2）。

式中：L为测斜仪测量杆长，m，一般为0.5 m；θi为测斜仪杆件轴线与竖直方向的夹角，°；ΔSi为第i段的测量水平位移值，m；S为钻孔深度范围内的总测量水平位移值，m。

2 深层水平位移测量案例

本文选取某基坑监测项目的 2 个深层水平位移监测孔的测量数据来分析深层水平位移测量在深基坑监测中的应用。该项目位于广东省珠海市横琴新区，场地原始地貌属于海陆交互相堆积地貌，场地内分布软土厚度高达 20 m 以上，属于大厚度软土地区，项目基坑开挖深度为约 4.90～6.40 m，基坑周长约 695 m，属一级基坑，基坑深部土体存在较大滑移可能性，具有较高的危险性；为确保安全，基坑支护方式采用锚拉式支挡结构（单排混凝土灌注桩加预应力锚索支护），混凝土灌注桩桩长约 25～30 m 不等，桩底嵌入中风化岩层，预应力锚索布置于桩顶以下 1.5 m 处；依据设计要求，本项目共布设深层水平位移监测点 30 个，监测频率如表 1 所示，监测预警值如表 2 所示。

表1 某深基坑监测频率

表2 某深基坑监测预警值

采用钻孔法在支护混凝土灌注桩中埋设测斜管，并使测斜管一对导槽方向对准临空方向；测斜管与钻孔孔壁间的空隙采用细砂及水泥浆灌注。在深层水平位移测量时，采用系统精度为±2 mm/30 m、导轮间距 0.5 m的高精度测斜仪进行测量。因支护混凝土灌注桩已嵌岩，监测采用以测斜管孔底作为位移的起算点，并以同一孔位正反测量取平均值的测量方式；监测过程未采用孔口数据修正。

本文选取了该项目第 19 号、22 号监测孔在 2019 年7 月 29 日-2020 年 5 月 6 日期间的监测数据，监测总次数约为 80 次，绘制成水平位移与深度的观测曲线如图 2 所示。

图2 深层水平位移监测数据曲线图

从第 19 号、22 号孔的工程监测曲线中可见，该深层水平位移监测曲线基本正确反映了深层土体的变形情况。在基坑开挖至坑底时（对应第 48 次测量），深层土体变形速率明显变大，达到监测预警值，基坑施工单位立即进行了反压回填处理，深层土体变形速率逐步缩小。可见深层水平位移测量为施工过程中了解深层土体的变形提供了依据，保障了基坑施工的安全。

图 2 中的土体深层水平位移曲线呈开口状，孔口水平位移值大于灌注桩桩身位置的位移值。而该基坑项目采用锚拉式支挡结构，由于预应力锚索对桩顶的约束作用，桩顶的水平位移较小，土体深层水平位移曲线理论上应呈现出“两头小，中间大”的“凸型”曲线形态［4，5］。可见，工程实测曲线虽然能够正确地反映土体的变形速率，为了解深层土体的变形提供依据，但是监测孔深层水平位移曲线包含了一定的误差，影响监测数据的分析。

为对误差大小有直观的感受，在项目监测完成后，笔者对第 19 号、22 号监测孔的孔口水平位移采用全站仪［6-8］进行了量测，结果如表 3 所示。

表3 孔口水平位移测量结果

从表 3 中可见，全站仪量测的孔口水平位移值（可认为是土体真实变形值）仅为采用测斜仪量测的孔口水平位移值的 80 % 左右。如果采用全站仪量测值作为孔口的水平位移值，土体深层水平位移曲线将在一定程度上呈现出“两头小，中间大”的“凸型”曲线形态，这与理论形态更为接近。

由此可见，在整个监测周期内，深层水平位移测量计算的孔口水平位移值中包含了不容忽视的累积误差。

3 减小误差措施

虽然市面上现有仪器精度已经较高，仪器误差控制较好，能够满足深层水平位移测量的需求，但是对于工程项目而言，其监测过程往往长达数月乃至 1～2 年，尤其是大厚度软土地区的深基坑项目，施工进度较慢，监测周期远长于普通基坑，监测次数可能高达百次以上。此时，即使是较小的仪器系统误差经过几十次、上百次的累积后，测量误差也将超出能接受的范围，故而减小误差是深层水平位移测量必须考虑的问题。减小深层水平位移测量误差可以从减小仪器系统误差、温度误差等入手［9，10］。

仪器自身系统误差是仪器制造时因制作工艺而不可避免地存在的误差，是非随机性的误差，在测量时，可以采取“正反测取平均值”的方式来消除仪器系统误差。在测量时应当标记仪器的正测方位，并调转 180°作为反测方位，每次均应同时进行正反测，并采用正反测平均值作为测量结果。

温度误差在深层水平位移测量中也是存在的，因测斜仪在测量前保存在仪器箱内，仪器初始温度必然与测斜管内的水温不同，因此为保证测量的准确性，在施测之前，应将测斜仪放置在测斜管内 10～20 min 使得测斜仪与管内水温一致，以减小温度误差带来的影响。

4 结语

深层水平位移测量在基坑监测中应用较广，是一种准确了解深层土体水平位移情况的方式，为动态化施工、信息化施工提供了依据，尤其在深厚软土地区、滨海地区的深基坑项目中应用十分普遍。本文结合广东省珠海市横琴粤澳深度合作区的深基坑工程项目分析了深层水平位移测量与全站仪测量结果不一致的原因，指出了测量误差的存在，并提出了减小误差累积的测量方法，为此类工程提供参考。Q