建筑工程深基坑围护结构的动态监测技术

1 引言

在对深基坑支护结构进行设计过程中， 虽然设计人员会结合前期的勘察数据对深基坑的支护形式进行设计， 但是由于土层具备显著的复杂性与离散性， 导致前期勘探数据无法完整地展现出土层的全部情况。 土层取样过程中，必然会对土体造成扰动，加之试验时产生的误差，导致勘察数据与土层的实际情况存在一定的偏差，进而导致支护结构的荷载设计、土方开挖与实际情况存在较大的偏差。 整体而言，支护结构的设计内力值与实际施工状况基本上很难保持一致。 因此，在开挖深基坑以及支护结构施工过程中， 施工单位应该加大对支护结构与周围环境的监测力度，第一时间掌握土层、支护结构内力的变化状况，同时观测附近建筑物、地下管线的变形及位移状况，然后对观测数据与设计值进行对比分析，如若二者之间的偏差过大，可以采取必要的防护措施，保证深基坑开挖过程中的安全性与稳定性，为施工人员提供安全保障。

2 工程概况

本文以某建筑工程中的深基坑施工项目作为研究案例，属于是城区商业办公楼，建筑物的层数设计为44 层，建筑层高设计为187.50 m。 建筑物使用的钢筋混凝土剪力墙结构形式，基础形式使用的是桩基础。 该项目中设计有3 层地下室，地下室的底面标高设计为-9.55 m、 底板的厚度设计为0.80 m、垫层的厚度设计为0.10 m。该项目的基坑面积约为5 190.32 m2，基坑的周长约为288.37 m。

3 支护设计

基坑支护的基本原则为保证支护结构具备良好的安全性与稳定性，保证附近建筑物、地下管线的安全性，同时应该满足经济性、可行性要求，并符合现行管理规范的基本要求，施工便捷，提高施工效率，缩短施工工期。

结合该项目基坑开挖过程中的实际情况、 施工现场的地质条件、基坑附近的环境，本工程各支护剖面采用“φ850 mm三轴搅拌桩+桩间旋喷桩” 止水帷幕形式、“支护桩+ 三道钢筋混凝土角撑”支护形式。

4 围护结构动态监测技术

使用测斜仪对深基坑维护结构、 边侧土体的侧向深层水平位移进行监测； 使用高精度全站仪建立三维坐标对支护桩顶度水平、竖向位移进行监测；使用埋设在钢筋混凝土内的应力传感器进行应力监测。

4.1 测点布置

1）桩顶部位的水平位移与沉降观测点布设。 沿着基坑四周按照20 m 的间隔在基坑的两侧钻孔桩上布设观测点，对钻孔桩的沉降与水平方向位移进行观测，总计需要设置15 个断面。

2）桩身水平位移观测点布设。 沿基坑四周按照30 m 的间隔在基坑两侧的钻孔桩上安装测斜管， 用来观测钻孔桩的变形状况，总计需要设置测斜孔的数量为10 个，为了保证监测数据的完整性与有效性， 可以将侧斜管的长度设置为与钻孔桩的长度一样，但是测斜管的顶部应该高于冠梁20 cm，将测斜管固定在钢筋上，不得出现松动现象[1]。

3）混凝土支撑轴力测点布设。 对各主要混凝土支撑梁的监测截面宜选择在两支点间的1/3 部位， 并避开节点位置，总计需要布设5 个断面。

4.2 监测方法

4.2.1 基准点设置

1）基准点设置：应设置在基坑开挖深度的3 倍范围外且稳定的地方，应避开交通干道主路、地下管线、河岸、滑坡地段以及其他可能使标志容易腐蚀和破坏的地方， 利用钻机钻孔至基岩面后，安装保护管后，再钻至预定深度，然后清孔倒入适量混凝土，随后安装芯管。

2）深埋式基准点的详细情况如图1 所示。

图1 深埋式基准点设置示意图（单位：m）

4.2.2 支护结构顶水平、竖向位移监测

（1）部位：支护结构的顶部。 （2）监测点埋设：将其设置在支护桩的顶部或是冠梁上， 可以使用膨胀螺丝将角铁加固在冠梁表面，同时在角铁表面粘贴反光贴，如若基坑的顶部为土体时，那么钢筋插入的深度则不得小于50 cm。（3）测量方法及计算： 使用二等导线网对支护结构的水平方向位移与竖向位移进行观测。 外部测量活动则可以使用莱卡全站仪进行观测。①观测要求可以参照表1 中信息。 ②使用极坐标法或是小角度法对基坑的水平方向位移进行观测。 使用导线测量或是后方交会方法对工作基准点的稳定性进行检查。 在使用极坐标法或是小角度法进行观测活动时， 需保证全站仪具备较高的精准度[2]。 （4）测量仪器：高精准度的全站仪。

表1 水平位移监测基准网的主要技术要求

4.2.3 钢筋应力监测

1）部位：混凝土支撑梁。

2）钢筋测力计埋设：使用钢筋应力传感器对钢筋的应力变化进行监测，传感器使用的串联安装方式，采用套筒进行连接。 在安装应力计过程中，应该逐一将每一条导线有条不紊地整理好，并对其进行加固，而后将导线的编号标记在防护栏杆上。 监测点的布设状况如图2 所示。

图2 应力计埋设示意图（单位：mm）

3）测量方法：将准备好的连接线的两极与传感器的导线两极进行连接，监测人员控制读数仪，显示屏会将传感器监测到的数据显示出来， 同时传感器监测到的数据会被记录在对应的记录表中。

4）测量仪器：测力计、频率仪。

4.2.4 钢支撑内力监测

1）部位：钢支撑梁表面。

2）测力计埋设：使用应力传感器对钢支撑的内力变化进行监测，传感器可以直接与钢管以并联的形式进行连接，使用焊接方式对其进行加固。 在安装应力计过程中，应该逐一将每一条导线有条不紊地整理好，并对其进行加固，而后将导线的编号标记在防护栏杆上[3]。

3）测量方法：将准备好的连接线的两极与传感器的导线两极进行连接，监测人员控制读数仪，显示屏会将传感器监测到的数据显示出来， 同时传感器监测到的数据会被记录在对应的记录表中。

4）测量仪器：测力计，频率仪。

4.3 监测结果分析

4.3.1 桩顶水平位移分析

结合监测仪器所收集到的数据进行分析，不难发现，自基坑开挖作业开始， 围护结构背侧的土层的应力就已经开始释放，随着基坑开挖深度的不断加深，钻孔桩顶部水平方向的位移随之增大。 该项目中的基坑开挖使用的是分层开挖方式，每开挖一层，钻孔桩的位移量会逐渐增大，且每层的位移量变化幅度比较大，但是在施加支撑以后，钻孔桩的水平位移量开始减缓，这是因为桩顶部位的混凝土结构刚度非常大，在经过测量以后得出桩顶的最大位移量为3.2 mm。 由此可以发现，在测量过程中钻孔桩的位移量波动相对比较小。

4.3.2 桩身水平位移分析

钻孔桩桩身部位的水平位移主要是随着开挖的深度不断加深而产生相应的变化。 在开挖土方过程中，桩身水平位移逐渐增大，开挖至基底标高后，变形基本上趋于稳定，累计最大变形发生在桩号CX1-2 位置的7 m 深处， 最大位移量为18.2 mm， 远小于最大容许值90 mm， 基坑结构安全。 通过CX1-2 的桩身水平位移监测数据进行分析可以看到，1 月8日第一层土体开挖结束，此时围护桩整体变形均较小，这是由于大部分桩体仍埋在土体中，产生这样的情况是合理的，在3月1 日时，第二层基坑开挖完成，这时的开挖深度为9 m，最大位移量为10.2 mm；在3 月10 日时，基坑开挖至13 m 深度部位，这时的桩体位移量明显增大；在4 月22 日时，已经开挖至基坑底部，开挖的深度为17 m，围护结构受到的主动土压力大幅度提高，桩体的最大位移量出现在4 月12 日，单日位移量为4.8 mm，当底板部位的混凝土浇筑完成以后，底板与支撑体系能够在断面处形成强有力的支撑结构，提高桩身的稳定性。桩身侧向变形图见图3。 结合整体情况而言，本文认为该项目中的围护结构具备较高的安全性。 结合施工过程中监测到的数据来看，钻孔桩水平方向的位移量与施工现场的实际情况、基坑的开挖深度存在同步性，所以，在实际施工过程中，必须对基坑变形的时间因素与空间因素予以考虑， 严格按照标准流程施工，及时做好支撑，确保施工项目的安全性。

图3 桩身侧向变形图

5 结语

1）钻孔桩顶部的水平方向位移的每日变化量最大值为3.2 mm/d，最大日变化量出现在第一层土开挖过程中，待第一层内支撑完成并形成一定强度后，变形显著减少，最终的水平位移量达到13.70 mm， 说明钻孔桩的顶部水平位移在内支撑的作用下受到显著的约束。