测斜管偏转对监测成果的影响规律与修正方法

厉 风 智慧渊 许艺腾

(1. 苏交科集团股份有限公司, 江苏 南京 210019;2. 中交天津港湾工程研究院有限公司, 天津 300222)

0 引言

支护桩(墙)体水平位移常被称为“深层水平位移”。该项目能够观测出桩(墙)体不同深度的位移量,分析和判断支护桩(墙)的稳定和变形发展趋势,是目前基坑施工安全控制中最重要的监测项目。成果实现的原理是利用测斜仪在测斜管导槽内定位及上下滑动,根据每个测点的倾角变化计算出导槽方向的位移量[1-3]。重要的是导槽方向必须垂直于基坑边线(正对基坑内),才能体现出危险位移方向上的变化,有特定方向的要求,而不是指包含桩(墙)间平行方向在内的其他任意方向上的位移值。

测斜管的埋设质量是获得可靠数据和精度保证的前提,共有四项验收要求：通畅性良好、深度要求达标、平面位置准确和导槽方向准确。作为测斜仪的通道,测斜管内有两对相互垂直的十字导槽。在钢筋笼绑扎吊装时,应保证其中一对导槽垂直于基坑边线。随着混凝土浇筑完成,测斜管形态在桩(墙)体内被最终固定,不可改变。后期仅需测量这一对导槽就可以得出基坑的位移量数据。

长期以来,导槽方向在测点验收时常被忽视或弱化,存在角度偏差的现象普遍存在[4-8],其测值只能反映导槽方向的位移量,并不是基坑危险方向的位移量。规范[9]在条文说明中指出,导槽方向如与所需测量的位移方向存在夹角,所测得的变形量会比实际变形偏小。

忽视夹角问题会产生严重影响。在科研工作中,由于采信了偏小的数据,会使相关研究失准,甚至带来错误结论。在基坑安全分析时,所测数据偏小不但会使预警发布滞后,还会使监测体系不能协同反映变化情况,影响风险应对决策的制定。例如，同一监测断面地表点有沉降趋势、支撑轴力也在增大,但最重要的深层水平位移却变化很小,容易干扰或弱化风险研判。经查阅,夹角问题的相关文献资料很少,值得广泛关注并开展试验研究。

1 试验布置

某地铁车站深基坑采用明挖法施工,围护结构采用800 mm厚地下连续墙,竖向设置四道支撑,第一道为800 mm×800 mm的砼支撑,其余三道为φ609钢支撑。基坑长212 m,标准段宽19.8 m,开挖深度约20 m。开挖范围内地层由上至下分别为杂填土层、粉质黏土、粉砂、细砂、中密的中砂和泥岩组成,如图1所示。参照规范[10]对工程场地内上部土层划分为中软土层,下部土层划分为中硬土层。地下水位较浅,常年稳定在自然地面下2.3～8.9 m。基坑深层水平位移的监测实施严格按设计和规范要求进行,基坑自身风险等级、周边环境风险等级和工程监测等级均为一级,测斜累计控制值为30 mm,速率控制值为2 mm,预警标准为控制值的70%。

图1 基坑测斜管布置平面和剖面示意图

测斜管安装埋设阶段,每处测点除了正常埋设监测方案要求的实测管外,还在附近约1 m位置安装一根测试管。测试管选取一对导槽与基坑方向保持夹角,范围在0°～90°(当夹角等于90°时,另一对导槽会正对基坑方向),用于测试夹角数据。

考虑到一定的误差范围,夹角居中设置为8°、23°、38°、53°、68°、83°,代表了以15°为间隔的6个试验段,平均分布在基坑的14个测点位置,开展了现场试验。

基坑开挖前对所有测点检查验收,除ZQT14测试管深度不足外(意外堵管),其余测点均符合要求。经测量,测试管成型后的夹角误差也符合预期,试验布置总体效果良好。

2 监测数据采集

实测管正对基坑的导槽监测成果代表墙体位移的实际值。测试管由于存在夹角,需要分别测量两对导槽方向,得出两个方向上的位移值。

实测管和测试管成型后的深度不同,但均已埋入稳定土层内,为保证数据对比性,统一采用深度较小的测斜管底作为起算点。在基坑中板结构完成后(数据基本稳定),对所有测点数据进行统计分析。由于篇幅限制,仅选取各试验段内累计变形最大的测点数据,以便能够突出差异、直观对比,如表1所示。

表1 选取的试验点信息统计表

3 数据分析与修正

桩(墙)体向基坑方向位移的数据通常设定为正值,反之为负。面对基坑,假定左侧靠近基坑方向的一对导槽为LX位移方向,右侧为LY位移方向,则夹角α的定值范围在0°～90°(如图2所示)。基坑开挖后,测斜管在不同深度点发生位移变形,其变形后位置可以通过两对导槽方向的测量数据计算得出。再将其投影到基坑方向上,即可得出要求的监测成果值(修正位移量S)。根据图示,修正位移量应为LX测值投影长度与LY测值投影长度之和,计算公式如下：

图2 方向夹角的数据修正示意图

(1)

式中,LX为左侧一对导槽的位移量;LY为右侧一对导槽的位移量;α为左侧导槽与基坑方向夹角。

考虑基坑开挖过程复杂,测斜管的变形位置有可能出现在任何方位。经理论演算,测斜管在夹角坐标系四个象限的位移均能通过修正公式有效计算。

将实测管的实际值、测试管的两对导槽测值和通过公式计算的修正值同图绘制,如图3所示。

(a)ZQT1数据变化曲线

观察图形曲线,各测斜管的底部变形较小,表明起算点稳定[11-14]。各测点变形曲线总体过渡平稳,表明测点位移数据采集质量较高。

(1)将所有测点的LX测值和LY测值代入公式计算后,得出的修正值与实际值非常接近,差值很小,主要原因是实测管与测试管在基坑平面位置上的差异。若以实际值为基准,修正值的最大误差均控制在±2 mm内,最大值比值均保持在0.9以上(如图4所示),表明夹角修正公式是可靠的,修正值可以视为测试管的实际值。

图4 修正值与实际值的差异关系

(2)测点ZQT8受基坑开挖影响,接近基坑方向的LX测值与修正值曲线高度相似,最大值比为99.2%,具有很强的代表性。由于缺乏作用力并且受到地下连续墙横向阻力限制,测点在基坑边长方向很少发生位移,因此LY测值变化不明显。同理,测点ZQT11由于LY接近基坑方向,其测值与修正值曲线高度相似,最大比值为98.6%,具有很强的代表性。LX测值则变化不明显。

(3)测点ZQT4靠近基坑方向的LX测值与修正值曲线相似,最大值比为92.0%,具有一定代表性。由于LY方向与基坑边长方向夹角增大,地下连续墙横向限制减弱,其测值出现了小幅度变化。同理,测点ZQT7靠近基坑方向的LY测值与修正值曲线相似,最大值比为94.1%,具有一定代表性。LX测值呈现小幅度变化。

(4)测点ZQT5的两个导槽方向均有较大的角度偏差。受基坑开挖影响,测点在LX方向和LY方向均发生明显位移,且都与修正值曲线差别较大,最大值比值分别为77.6%和62.3%,代表性很差。同理,测点ZQT1的LX和LY测值与修正值的最大比值分别为55.9%和78.8%,代表性同样很差。

4 影响规律分析

公式和试验结果表明,夹角α越小,LX测值越接近实际值;夹角α越大,LY测值越接近实际值;导槽方向与基坑边长方向的夹角越小,其位移量越小,对修正值的影响程度也越小。其影响程度与角度的函数关系密切,如图5所示。

图5 不同夹角下各导槽对监测成果的影响程度

根据不同夹角的影响程度,综合考虑工程风险与实施成本之间的关系,可以将6个夹角试验段划分为强代表性、弱代表性和无代表性三类,用于指导后续监测工作。

(1)当α<15°时,LX位移量属于强代表性,此时仅对LX方向进行监测,不修正数据。

(2)当30°>α>15°时,LX位移量属于弱代表性,是否需要监测LY方向并进行数据修正,可以视情况决定。监测等级高或规模大的基坑应进行修正。

(3)当60°>α>30°时,LX和LY方向均无代表性。应监测两对导槽方向的位移,并进行数据修正。

(4)当75°>α>60°时,LY位移量属于弱代表性,同上,是否监测LX位移量并修正,可视情况确定。

(5)当时α>75°时,LY位移量属于强代表性,此时仅对LY方向进行监测,不修正数据。

5 结论

(1)相关试验曾在钻孔灌注桩围护形式的基坑开展,未能达到预期效果。原因是圆形钢筋笼吊装时易发生角度偏转,试验布置难度大。由于灌注桩间存在间隙,基坑边长方向的限制可能会减弱,应加强后续研究。

(2)测斜管布点实施过程中,导槽方向很难精准控制,应允许存在一定误差。根据夹角的三类划分,在制定测点验收标准时,可以允许测斜管的角度偏差左、右不大于15°。

(3)测斜管存在夹角时,在其他验收指标良好的情况下,可以通过测量两对导槽,运用三角函数的边角关系,对测斜管各深度点的水平位移量进行数据修正,使其回归到基坑的危险位移方向,试验验证了夹角修正公式的可靠性。

(4)管底保持稳定是数据可靠和试验分析的基础。经观察所有测斜管的变形曲线,均在20 m以下开始数据收敛,并在25 m以下相邻点平均位移在误差范围内,属于稳定状态。因此,类似地层中(中硬土层),以管底作为起算点的最低深度标准应为1.25 H(基坑开挖深度),可暂时作为可靠性与经济性权衡后的参考要求(非土体测斜),布点实施中应尽量实现更大深度,不可以此为准。

(5)测斜管导槽方向控制应以预防为主。若夹角过大,需要监测两个方向的位移量进行数据修正,不但日常监测工作量提高一倍,而且在基坑发生事故抢险时,会降低应急监测数据的反馈时效,拖延抢险决策的研究部署。经过对失败教训和成功经验的总结,为防止导槽偏转,应重点做好三点。首先是找准基坑方向。监测人员应加强与现场施工人员的沟通,标记钢筋笼朝向基坑的位置,选定一根主筋作为绑扎对象。其次是防止自身偏转。钢筋笼内绑扎时应提前控制好导槽方向,绑扎距离不大于1.5 m,管口与管底应重点绑扎牢固。最后,钻孔灌注桩要重点防止笼体偏转。可以提前对钢筋笼做标记试验,观察偏转规律和操控程度。若钢筋笼下放过程中发生偏转,在纠偏操控困难时,也可以顺势将笼体旋转90°,使另外一对导槽对准基坑方向。