探讨封闭式深基坑智慧化监测施工技术运用与结果分析

【摘要】

结合工程案例介绍一种新型的封闭式深基坑智慧化监测施工技术，并对其结果进行分析及阐述。该项技术可将深基坑周边的沉降量控制在 mm级范围，适用于环境复杂的城市中心区。为国内深基坑工程施工提供相关的理论基础，进而推动我国建筑行业可持续稳定发展。

【关键词】

深基坑； 地表沉降； 封闭式； 智慧化； 基坑监测

【中图分类号】TU94+3.9【文献标志码】A

［定稿日期］2023-05-26

［作者简介］李阳旭（1991—），男，硕士，工程师，主要从事房建工程技术工作。

［通信作者］于成红（1981—），本科，高级工程师，主要从事工程技术及BIM智慧化工作。

0 引言

为缓解土地资源紧缺的问题，城市地下空间的利用越来越得到重视。

地下空间建设工程涉及到了基坑工程，但由于基坑工程对整个建设项目、周边建筑的安全性及周边环境存在不可忽视不利影响。因此，基坑工程一直作为地下空间开发的核心工程。目前，国内常用的传统基坑支护技术有重力式、悬臂式、混合式三种挡土墙，技术基础已经相当完善，能有效保证基坑工程的安全性及功能性，但却忽略了对周围建筑及环境的负面影响。因此，在保证深基坑工程安全性的前提下，必须减小基坑工程对周边建筑及环境的影响。

1 深基坑工程安全隐患

城市地下空间工程对周边建筑物及环境的影响主要集中在周边地表沉降、周边建筑物沉降损伤、地下水环境与生态破坏、基坑围护结构失稳等方面。因为城市建筑物及道路分布密集且相互交错，在实际情况中，通常无法保证基坑工程的安全距离，由此带来一系列的安全隐患［1］。之前，世界各地的地下空间建设项目已多次出现此类问题，例如日本东京地铁施工造成地面凹陷，出现坑洞，造成严重的事故；深圳市蛇口工业区海王大厦建设项目，在40 m深的基坑工程中，由于长时间连续挖土及降水的影响，导致相邻新能源大厦发生不均匀沉降，最大日沉降量达到10.50 cm，楼外墙出现裂缝，大楼整体结构发生倾斜，甚至有加快的趋势，导致了严重的安全隐患及经济损失［2］。

在基坑工程中，降水工程是引起基坑周边一定范围内建筑及地表沉降的主要因素之一［3］。在降水过程中，由于整个片区地下水位发生变化，导致整个区域土地的土力学平衡发生了改变，更有严重的情况，引发基坑周边土体发生过大沉降及位移，导致周边建筑物结构损坏，对附近建筑物、管线以及道路带来隐患，不仅拖慢了施工进度，甚至可能出现不可挽回的重大损失［4］。

降水工程引起周边沉降的原理主要表现在两个方面：

（1）地下水位下降会引起地基土有效应力增加，使土体产生附加压缩变形。

（2）地下水位降低后，在基坑附近形成较大的水力坡度，地层中的细小颗粒可能将随水流而流失，产生潜蚀或管涌现象，引起地面沉降变形。

此外，项目现场的施工作业也会对地面产生载荷的变化，也是引起周边建筑物沉降的主要因素之一。

除结构安全方面的不良影响外，在环境危害方面，降水工程会对地下水资源造成的浪费，并且会对周边一定范围内的地上及地下生态环境造成破坏。但非本文侧重点，在此不做进一步阐述。

由于深基坑工程的施工难度及潜在危险性，在设计策划中，需要尽可能的提升深基坑工程的安全性。基于以上原因，同时考虑环境保护和资源节约的前提下，并保证基坑降水与地下室工程正常施工的情况下，现运用一种由支护桩、冠梁、高压旋喷桩、降水井、回灌井及智慧化深基坑监测系统组成的封闭式深基坑智慧化监测施工技术，简称基坑封闭系统，以解决上述问题。

2 封闭式深基坑智慧化监测施工技术

2.1 作用原理

基坑封闭系统是将传统施工技术进行了结合与创新，而衍生出来的新型绿色施工新技术。

该系统是由降水井、回灌井、支护桩、冠梁、高压旋喷桩及智慧化深基坑监测系统组成，见图1及图2。

支护桩和冠梁可有效支撑基坑侧壁，保证基坑的安全性。高压旋喷桩相互咬合，形成止水帷幕，可阻断基坑内外地下水层的交流，使基坑形成独立封闭的施工作业空间，阻隔了基坑工程对外界空间的不良影响。此外，高压旋喷桩连续墙也可作为挡土墙的起到一定作用，以缓解支护桩承受的土压力［5］。降水井抽出地下水，以降低基坑内地下水水位。抽出的地下水在沉淀池中净化后，可通过回灌井回灌到地下，对止水帷幕外侧地下水位进行补充回灌，也可作为施工用水进行再生利用，以保证基坑外的地下水资源平衡及提高抽取地下水的利用率。智慧化深基坑监测系统可实时监控基坑支护结构及周期建筑的安全状态。基坑封闭系统可满足基坑支护的要求，并且在回灌井的帮助下，有效解决由降水井抽水引起的周边建筑物沉降及损害的隐患［6］，以预防基坑事故的发生，并且保护地下水资源。同时，地下水资源可进行再利用，从而达到安全绿色施工的目的。

2.2 应用条件及技术要求

基坑封闭系统适用于城市中心区、建筑物密集地、周边建筑物距离施工场地过近的工程、邻近地铁的区域、场地狭小的施工区、周边环境复杂的工程、地下水面埋藏较浅的内陆地区、涉及到基坑周边地下水位高度控制的工程、下管线复杂等对变形控制要求高的基坑工程。

根据住建部2017年发布的《建筑业10项新技术》，该封闭系统的运用须满足几点技术要求：

（1）止水帷幕渗透系数小于1.0×10-6cm/s。

（2）降水井深度不宜超过截水帷幕深度层。

（3）结构安全性：截水帷幕必须在有安全的基坑支护措施下配合使用。

（4）智慧化基坑监测系统云平台支持。

3 工程案例介绍

3.1 工程背景

成都市某住宅小区项目带有2层地下室，基坑深度为8.75 m，地下室外轮廓与周边住宅建筑物最近距离不足10 m。周边住宅区域为使用状态，并有几千常住居民。基坑工程的水平方向影响范围为1.52倍基坑深度［7］，经地勘单位及设计院明确，本项目基坑施工作业的主要影响范围约为项目周边20 m，见图3。

由于附近居民区与施工现场距离过近，采用传统的基坑支护技术存在一定的安全隐患。因此，在保证基坑稳定、周边止水效果良好、周边建筑安全、环境保护、水资源节约的前提下，根据该项目的占地面积、地质条件、基坑边缘距等因素［8］，现运用一种由支护桩、冠梁、高压旋喷桩、降水井、回灌井、智慧化深基坑监测系统组成的基坑封闭系统。这个系统形成一道“围墙”将住宅小区包围并封闭，使之与施工区域分离，以此保证住宅小区地基的安全性，并降低周边生态环境的不利影响。

岩土工程与地下工程李阳旭， 李梦川， 熊安燚， 等：探讨封闭式深基坑智慧化监测施工技术运用与结果分析

3.2 施工情况

封闭式深基坑智慧化监测施工技术系统按照顺序施工：支护桩及冠梁施工（位移监测仪预埋）—降水井施工（水位计预埋）—高压旋喷桩止水帷幕施工—回灌井施工（水位计预埋）。

3.2.1 悬臂支护桩

该项目基坑支护采用悬臂桩支护，支护桩为旋挖灌注桩，桩为1.2 m，桩长18 m，埋入深度为9.25 m，桩芯间距为2.2 m。支护桩之间采用桩间锚喷，以固定桩之间土壤，桩顶采用冠梁连接支护桩，使之形成整体，成为挡土墙。此外，在悬臂桩阴角处加设钢支撑，以控制桩顶位移。

在支护桩钢筋笼下沉施工前，在钢筋笼上绑上电子位移监测仪，进行预埋。位移监测点间距约20 m。

3.2.2 降水井

按设计要求该系统共配置74口降水井，使地下水位下降到基坑工程所需水位，基坑内的水位保持在基坑底部-0.5～-1 m，以保证基坑工程的作业环境［9］。基坑降水采用大口径管井降水，管井为600 mm，孔内放入内径300 mm的钢筋混凝土滤水管，滤水管与孔壁之间采用砾石填充。降水井设置在基坑上口1.0 ～1.5 m处，间距为25.0 m，井深为17.5 m。 降水井兼做观测井，水位计预埋入降水井中，以观察基坑内地下水位。

3.2.3 高压旋喷桩止水帷幕

项目基坑距离周边住宅小区建筑物较近，最近距离不足10 m，为控制由地下水位变化及项目施工作业引起的周围地表的变形，现需设置止水帷幕。目的是要保证坑内降水而坑外地下水位基本不变的情况［10］。此外，高压旋喷桩止水帷幕也可作为基坑侧壁挡土墙，分解一部分由支护桩承受的土压力。高压旋喷桩设置在项目现场与已建住宅区之间，形成封闭型止水帷幕，经相关研究实验表明，随着止水帷幕深度的增加，周边地面地表沉降会相应减小，经过地勘院及设计院确认，高压旋喷桩桩长为18.0 m，但其桩顶标高为-2.0 m，因此，其深度为-20 m，桩径550 mm，桩芯间距为300 mm，相互咬合250 mm，止水帷幕长度约为300 m，将住宅区包围起来，使之与施工现场隔离。

3.2.4 回灌井

回灌井布置围绕临近居民区外围，以保证居民住宅区地下水水位不发生较大变化，造成周边建筑及环境的破坏。

在已建住宅小区与项目施工现场之间的止水帷幕外围设置7口回灌井，该措施能大幅度减缓基坑外围地下水位的下降速度，使之几乎不发生变化，并且保持较高的水头，从而减小周边建筑物的沉降变形量［11］。此外，地下水回灌不仅用于控制周边地面沉降，也有地下含水层储能的作用，例如在深井中，冬季回灌，夏季使用，提供热、冷水源，在贫水区及富水季节回灌，枯水季节使用，从而达到节约能源及水源的目的。

回灌井与降水井技术参数相同，经相关实验资料表明，基坑周边的地面沉降量随回灌井深度的增加而减小［12］。经设计确定，回灌井深为15 m，间距30m。在回灌井中预埋地下水位监测仪，以观测基坑外地下水水位变化。

3.2.5 智慧化深基坑监测系统

智慧化深基坑监测系统由现场监测器、数据采集终端主机、报警器、预警平台APP组成。

智慧化深基坑监测系统是通过物联网技术将现场监测采集设备和智能传感器的数据通过互联网自动传输到云平台。采用主动或被动触发的方式，实现监测单元的数据自动采集和实时传输，保证数据的真实性、完整性和时效性。系统通过对原始数据的实时处理，以及运用数学模型和回归分析、差异分析等数理方法，对采集到的各类数据进行数字化建模分析，形成各类变化曲线和图形、图表，并具备形式多样的实时报警功能，对问题工程进行追踪处理。智慧化深基坑监测系统通过自动的数据采集、传输、分析保证基坑工程安全监测的真实性和实时性。

3.3 结果分析

智慧化基坑监测系统每天对周边建筑沉降及周边地表道路沉降进行在线监测，并记录周边沉降的相关数据，通过系统云平台对数据进行实时处理与分析，以预防重大事故的发生。

周边地表及建筑的累积沉降量和沉降变化速率为基坑周边风险评估的主要因素［13］，因此重点分析这2项数据。

有关周边建筑物、周边地表道路沉降观测报警值的确定，规范并无明确规定，相关规范和标准只给出了确定原则和参考值范围，根据国家GB 50497-2019《建筑基坑工程监测技术标准》规定：毗邻建筑物沉降报警值范围为10～60 mm（累计沉降量），基坑周边地表竖向位移观测报警值范围为25～35 mm（累计沉降量）。在满足规范要求的前提下，结合本工程实际情况，由具备相应资质的基坑监测单位及设计院确定：本次基坑周边道路及周边建筑物沉降观测报警值确定为20 mm，沉降变化速率报警值为3 mm/d，具体数值详见表1。

根据封闭系统的运用范围，将项目现场四周分为A、B、C及D四个区域。A区和B区为市政道路（光友路及双楠大道延伸线），C区为荒地，这3个区域均未采用基坑封闭系统。D区为居民住宅区，该区域运用了基坑封闭系统。A区距离D区最远，平均距离dAD约为200 m；B区和C区离D区较近，平均距离dBCD约为100" m，见图4。

图5～图8为2021年1月至2022年5月，在施项目四周沉降的观测情况。

图中ZC为周边建筑物沉降情况观测点，D为周边地表道路沉降情况观测点。观测点按照下表分布在项目四周各个区域，见表2。

图5为周边建筑物累积沉降量观测结果，图6为周边地表道路累积沉降量观测结果。

由图5、图6可知，A区（ZC01、ZC02及D01、D02）周边建筑物累计沉降量的最大值约为6.6 mm，周边地表道路的最大值为约为6.0 mm，为所有区域中的最大值，且小于累计沉降预警值17 mm。由于A区距离基坑封闭系统较远，该系统对A区的影响可忽略不计，A区沉降量为未受基坑封闭系统影响的数值。

B、C区（ZC03～ZC06及D03～D06）累积沉降量数值接近，数值大小在A区及D区的值之间，周边建筑物累积沉降量的最大值约为4 mm，周边地表道路的最大值约为4.5 mm。B、C区距离基坑封闭系统较近，该系统对该区域起到一定的效果，由此可推断，B、C区的累计沉降量受封闭系统影响而减小。

D区（ZC07～ZC42及D07、D08）的周边建筑物累积沉降量的最大值约为2.2 mm，周边地表道路的最大值约为3 mm，明显小于其他区域的累计沉降量数值，D区的累计沉降量约为A区数值的50%。该区域为基坑封闭系统应用区，由此可推断，封闭系统能有效缓解周边的沉降情况。

因为D区为封闭系统应用区域，现仅对D区的观测数据作进一步分析。

从图5、图6得出，在2022年3月之前，周边区域的累积沉降量随时间呈现递增关系。主体结构完工约在2022年3月，在此过程中包括基坑降水、土方开挖、地下室结构、主体结构等工程，此类施工作业活动，对整个地区的力学平衡影响非常大，由此所引起的周边沉降量也是非常大，周边区域的累计沉降量也在该段时间达到峰值。2022年3月之后，主体结构完工后，主要的施工活动已经结束，地面载荷变化不大，周边累积沉降量无明显变化。

图7为周边建筑物沉降变化速率的观测结果，图8为周边地表道路沉降变化速率的观测结果。

A、B、C及D区沉降变化速率的情况与累计沉降量的结果一致。A、B、C区的沉降速率变化值均大于D区。A区的沉降变化速率为最大值，约为0.38 mm/d（周边建筑物）及0.6 mm/d（周边地表道路）。D区的沉降变化速率为最小值，约为0.12 mm/d（周边建筑物），约为0.1 mm/d（周边地表道路），D区数值大小约为A区的30%。

对D区的数值做进一步分析，可知，2021年3月至2021年7月，地下室工程进行大规模施工，该分项工程对土地的力学平衡较大，导致沉降变化速率波动较大，最大绝对值为0.14 mm/d及0.57 mm/d。在地下室工程大面完工后（2021年7月之后），沉降变化速率波动逐渐变小，且稳定在0.05 mm/d及0.5 mm/d浮动。在2022年3月之后，沉降速率趋于稳定，呈直线状态，且趋近于0 mm/d。

累计沉降量及沉降变化速率为保证深基坑工程安全性的重要指标，表3为各区域沉降观测数据最大值。

由表3监测结果数据分析可知，基坑封闭系统将由基坑工程引起的周边建筑物沉降量控制在毫米级单位范围内。A、B、C及D区的沉降数据数值（累计沉降量及沉降变化速率）均小于预警值及报警值，满足设计及规范要求，由此判断，项目周边达到安全水平。与其他区域的数据相比，基坑封闭系统应用区域（D区）的沉降数值远小于预警值，累积沉降量大小约为预警值的15%，沉降变化速率大小约为预警值的5%。由此可推断，基坑封闭系统可大幅度减小基坑工程引起的周边建筑物沉降量，并将其控制在mm级范围内，效果显著。

基坑封闭系统在住建部推广的绿色施工10项新技术-封闭降水及水收集综合利用技术的原理上，结合工程实际情况，进行创新与应用。相比传统的基坑工程技术，该技术在技术、环保、人力等各方面体现出巨大的优势，具体优点：

（1）安全可靠，可有效满足基坑支护的力学要求，对基坑侧壁进行有效的安全支护，同时避免由地下水位变化引起的建筑物沉降，排除周边建筑物沉降及损伤的隐患。

（2）绿色环保，对周边地下水体系无明显影响，在基坑施工的同时，可有效保证区域地下水系统的平衡，保护当地生态环境。

（3）资源利用，把基坑内抽出的地下水与基坑积水，回灌地下，从而补给周边地下水水量；抽出的水也可用于路面喷洒，清洗用水和厕所用水等，达到水资源再利用的目的。

（4）施工简单，可行性高，基坑封闭系统的核心技术都是成熟的施工工艺，可避免由技术运用生疏而引起的问题，降低施工难度，对经验丰富的施工单位具有极高的操作性和可控性。

（5）节约人力，通过智慧化深基坑监测系统，节约人工检测的人力成本，24 h不间断监测，实现了实时监测，提高基坑工程的安全性，避免重大事故隐患。

4 结束语

在国家绿色可持续发展的政策方针下，基坑封闭系统凭借其良好的安全性、可靠性、可行性及环保性，具有优良的应用前景，但仍需要累积工程经验，进一步优化该技术。如果该系统能在建筑行业中得到有效推广，一定会形成良好的社会和经济效益。

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