狭小空间深基坑支护智能化安全监测施工关键技术

文／姜富伟、李广、朱家军 中国电建市政建设集团有限公司 天津 310000

引言：

随着我国城市改造工程的快速推进，城市空间利用率的日益降低，工程规模密度的不断扩大，工程中逐步普遍应用的深基坑垂直支护，但是工程的施工空间受到一定的限制。而深基坑垂直支护在工程被逐渐广泛应用。为确定垂直支护的安全稳定性能，了解工程地质、水文、结构、力学等众多因素等，依据施工环境特点、原始数据计算、确定支护结构形式与施工方法。淝河镇箱涵最大开挖深度9.8m，地质为粉砂层，地下水丰富，且临近乡镇自建商铺并与G105 国道等环境复杂，施工作业空间狭小，无法进行大边坡开挖，同时临近房屋建筑较近，防止在长时间的施工过程中造成不均匀沉降，项目通过多方案对比分析，采用采用灌注桩+三轴搅拌桩+高压旋喷桩+水平支撑垂直支护。在实施过程中，在尽量避免支护结构运行过程中的工艺偏差和水文气象等外部不利因素的影响，优先保障人员安全和财产安全。对支护结构的变形、沉降、位移及周边建筑物、构筑物的位移等情况，采用智能化安全监控系统进行监测，对可能出现的异常情况及时采取必要的措施提前预测，确保项目安全，防止项目毁损事故和环境事故的发生。

1.工艺原理

智能化安全监测系统以互联网为基础，依托结构安全监测，利用云计算技术创立基坑健康状态的理念，建立集物联网架构体系、云计算、互联网等技术于一体的智能基坑在线安全监控系统。该系统通过基坑沉降监测点及周边建筑物相应监测点布设监测棱镜，在支护结构混凝土内部表面埋设传感器，通过采集终端和数据传输模块、全站仪观测并布设一定数量的静力水平测定仪辅助实时观测，并将数据传输到监控平台、输出报表和预警等软件上，实现对数据的处理，对深基坑实现智能化安全监测。该系统主要对数据采集技术、数据智能处理、项目多样化管理、能够帮助项目管理人员及时了解项目健康动态，能够为生产决策提供及时可靠的项目信息，为建筑、桥梁、市政、轨道交通等深基坑领域开发项目顺利实施提供安全护航。

2.工艺施工方法

2.1 施工工艺流程

施工准备→确定监测内容与监测频率→监测方法及测点布设→监测数据处理与分析。

2.2 施工准备

根据施工需要，对现场智能化安全监测仪器各类施工人员按照需求准备进场；同时按照进度需求计划对现场的设备材料分批次进场，并对进场的每批次的材料进行抽查，确保合格后方可使用。针对工程的难点与复杂特点编制专项施工方案，并组织专家评审后对现场施工人员分级进行交底，确保按照评审方案具体实施。要根据基坑工程施工进程开展基坑监测仪器的安装、监测点埋设与位置的测量等工作，以确定监测流程[1]。

2.3 确定监测内容与监测频率

2.3.1 监测内容

监测的重点是周边建筑物和基坑围护结构本身，在基坑开挖深度一倍的范围内，作为监测和防护对象。主要监测项目根据实际情况确定，包括以下内容：（1）监测竖向移位、水平移位及围护桩顶（坡）支撑轴力等围护结构体系。（2）对周围建筑物横向、纵向的位移情况进行监测以及开展环境监测工作。（3）加强日常安全巡查和基坑项目巡查力度。

2.3.2 监测频率

工程监测工作要待基坑主体工程土方回填工作结束后才能停止，并稳定各项监测数据的变化率，监测频次设置主要包括详见：表1 监测频率表。

表1 监测频率表

2.4 监测基准网布设

在远离基坑影响范围设置沉降(竖向位移)监测控制网和水平位移监测控制网基准点及工作基点，以便于反复测量。选择比较平缓的通视地段，不容易被阻隔。在不受基坑施工影响的建筑物上安装监测棱镜，是水平位移监测基准点的布设方式[2]。

2.4.1 桩（坡）顶竖向位移监测

（1）测点布设

在埋设围护桩顶端竖向移位观测点时，首先需要在围护桩顶端的冠梁上打一个10cm 左右深的孔，再用高效植筋胶水将强制归心监测标识放入孔洞内粘接密实。待稳定后再观察。

（2）监测方法

沉降监测基准网和变形沉降监测点布设闭合或附合水平路线，按Ⅱ等垂直位移监测控制网的技术要求观测。在每次观测，从水平控制点算起，对每个监测点的高程进行测算。两个相邻考点的高程差即为该考点的下沉量：此下沉量dhi=前方高程（hi-1）－此高程hi；累计沉降量∑dh 为第一沉降量累加至该测点的累计沉降量，即dh1+dh2+…+dhi。初次对测点高程测量两遍并取中数。最后，变形值、累计变形值和变形量曲线是在历次监测点的观测值和初始值对比计算得出的。

2.4.2 桩（坡）顶水平位移监测

（1）测点布设

围护结构顶部横向位移监测点与纵向位移监测点在围护结构顶部共用一个布设位置，并将一个小棱镜连接在该测点上。

（2）监测方法：在基坑周围稳定易监测的位置设置工作基点，并设置的对中标志观测墩要用来监测。采用Ⅱ等导线测量方法进行水平位移监测控制网，可采用极坐标法，也可采用小角度方法进行观测。水平位移监测控制网采用Ⅱ等导线测量方法，观测采用极坐标法或小角度法。

2.4.3 支撑内力监测

（1）混凝土支撑内力监测

①支撑测点布设：在设置混凝土支承内力监测点时，应在支承结构长度1/3 处进行布置。同时，各层的监控点要保持竖向上的位置一致钢筋应力计螺母应与钢筋笼的主要钢筋直径相配，安装时需将钢筋计拉杆与一根长约0.5m、直径相同的钢筋进行碰焊，再用钢筋螺丝与螺母将口拧紧，使其整体性成型，这样才能完成钢筋计拉杆的安装。接下来，钢筋支承的主筋上要焊上钢筋计量计，焊长要达到规范要求。应注意对钢筋应力计电缆线保护，在混凝土浇注时。

②支撑监测方法：在开挖前一天要测试钢筋计的初始频率值。测试时需要使用频率接收器将钢筋计的缆线连接起来，等待频率稳定，这个测试结果就是本次的频率值。通过这种方法对每个钢筋计的频率进行逐一观测。以下公式需要用到支撑轴力的计算：

式中：N—支撑轴力（kN）；Ab、As—支撑截面面积和钢筋截面面积（m2）；Ec、Es—混凝土、钢筋弹性模量（kPa）；Ks—钢筋计的标定系数（kN/Hz2）；fi—本次频率值（Hz）；f0—初始频率值（Hz）；Ts—钢筋计的温度修正系数（kN/℃）；Ti—钢筋计的本次测试温度值（℃）；T0—钢筋计的初始测试温度值（℃）。

安全判断条件：n 不大于[N]，其中[N]为允许值。由于轴力监测元件对温度比较敏感，在进行轴力监测时应注意环境温度对测量的影响，因此建议在温度相同的情况下测量。

（2）钢支撑内力监测

①轴力测点布设：轴力测定仪在钢撑各测点位置安装1 台，在安装钢管支承前先在支承上焊接轴力测定仪。钢支承的轴心、轴力计一定要成直线，彼此接触面要平。这样可以保证钢支撑在正常受力状态下，通过轴力计把力准确地输送到支护结构上。先将一块尺寸为250×250×25mm 的加固垫片焊接在安装轴力计的墙体上，使之与钢支撑的末端相吻合，再将轴力计安装支架与加固垫片进行紧密焊接固定。避免钢制支撑受力，轴力计陷入钢制围架，从而影响试验结果。轴力测定仪插在安装框内，待焊接温度冷却后用螺丝固定。详情见图1。

图1 轴力计安装示意图

②钢支撑轴力监测方法：把轴力测定仪安装在钢支承的端头轴力测设，通过轴力计测量出在某一负载下的自振频率，使用频率接收器记录这一数据。钢支承轴力计算公式为：

式中：P—钢支撑轴力值（kN）；K—传感器的标定系数（kN/Hz2）；f0—传感器的初始振动频率在承受外力之前（Hz）；fi—轴力测定仪测得的某一荷载下自振频率（Hz）。安全判断条件：P ≤[P]，式中[P]为允许值。

2.4.4 周边建筑物沉降监测

（1）测点布设

建筑四角、大转角及建筑物伸缩缝处均设置建筑物垂直沉降监测点的位置，与靠近建筑工地方向适当多布点，同时与工地方向较远距离布点加测。

在埋设标志时，要考虑到立尺与墙体或地面有一定距离，应避开任何会妨碍标志埋设或观察的障碍物。在建筑物接近地面的结构中打入鼓型测钉，将其露出3～5cm在结构表面，测点的头部呈凸球状。

沉降观测点的建筑物不方便直接布设的，可采用将沉降条形码反射贴贴在建筑物表面的方式。

（2）监测方法

按垂直位移监测网Ⅱ级技术要求设置沉降监测点，并闭合水准路线。测量沉降通过水平测量法，利用索加SDL03 电子水准仪和铟钢条码尺组合来观测沉降。

2.5 监测数据处理与分析

2.5.1 桩（坡）顶竖移位监测数据处理分析

（1）数据传输及平差计算

观测记录采用电子水准仪自带的记录程序，完成后生成原始的电子观测文件，再通过数据传输到计算机，利用水准网平差软件进行计算，最终得出每个点的高程值。在进行平差计算时，应选择一个稳定的基准点作为起始点，并检查独立的闭合差，以及为了满足所需的精度要求，至少要检查与两个基准点有附合的差值，这样才能保证计算出来的数据准确无误。在进行平差前，需要先对观测资料的准确性、可靠性进行检查，用严谨的平差方法计算后，才能通过检查；平差做完后，数据要精确到0.1mm 方可。阶段性沉降量、变形率、累计沉降等数据，通过比较不同时间点的变形观测点高程值进行计算得到。

（2）变形数据分析

以稳定的基准点为基础进行平差测算，对观测点的稳定性进行分析。为了进行分析，将相邻两期的变化进行对比，取其中误差的两倍，分析最大变形量和最大测量误差。若变形量小于最大误差，则可推知在这两个循环中，该观测点并无明显的变化。若相邻观测周期变形量不大，但多期变化趋势明显，则应视其变化情况而定。

2.5.2 桩（坡）顶水平位移监测数据处理分析

（1）数据传输及平差计算

利用全站仪，记录观测资料，生成电子原始观测档案，进行多个角度的测量和回测。每个点的坐标都是通过控制网平差软件经过严密的平差处理后得出的。各期相邻控制点之间的夹角、距离等进行比较，确保起算数据的可靠性，才能进行控制点平差的测试；然后，用严密的平差方法计算出控制网平差软件。平差后的数据精确到0.1mm。随着时间变化而变化的观测点二维平面坐标值，可以计算变化的向量位移投射到与基坑垂直的位置上，并推算出形变、位移速率等各时期的数据，以及累积的形变。

（2）变形数据分析

与2.5.1 桩（坡）顶竖移位变形数据分析相同。

2.5.3 水平支撑内力监测数据处理分析

钢支撑及砼支撑监测的数据利用自动采集仪采集，并通过4G 传输模块传输至云平台。

2.5.4 周边建筑沉降监测资料处理分析

在计算内业成果前，为确保测高差、闭合差等往返程控制指标符合严格标准，按技术要求对外业观测记录进行检查，内业平差参数必须全部合格。

利用平差软件对观测成果进行处理，开展了基准网观测成果处理与稳定性测试。在平差过程中，以测站数为权重计算，从而得出历次观测高程值，对高程的误差状况进行评定。基线网在初期进行两次独立观测，并以两次平均值作为基线点的初期高程。基准网的稳定性分析需要在每次基准网观测结束后进行，这是比较各个基准点的观测高程和初始高程的过程。若发现测差大于2 倍以上高程中误差，则基准网不稳定，需重新观察或优化该点，对其实施高程修正；若未找到不稳定之处，则取其原始数值。本次沉降量可根据当期高程与上期高程差值比较后推算得出；累计沉降量可与初始高程相比较推算得出。沉降量以下沉为正值，上浮为负值[3]。

结语：

淝河镇箱涵开挖深度达9.8m，且周边环境复杂，施工难度大，通过采用灌注桩+三轴搅拌桩+高压旋喷桩+水平支承垂直支护，结合智能安全监控系统，对支护结构变形、沉降、位移以及周边建筑物、构筑物等情况进行监控，解决了自建商铺导致的施工作业空间狭窄、施工作业空间狭小等问题，同时还解决了同时，通过对深基坑的现场智能监控和安全监控数据分析，解决了该区域因施工需要，提前预警排除各类隐患，为项目整体施工提供了有力保障，较好地完成了监控任务。