基坑监测系统的研究和应用

基坑监测系统的研究和应用

陶阳平

陶阳平

深圳市工勘岩土集团有限公司

摘要：深基坑的应用，加速了社会地下空间的发展，基坑深度的增加给安全施工带来了巨大的挑战，因此基坑的施工，必须选择适当的基坑变形监测体系。本文在提出基坑变形有自然原因和社会发展原因后，分析了会发生基坑坑底隆起、周围地表沉降加大等现象，这些现象也在工程实例中得到了证明。本文接着提出了基坑监测布置体系，讲述了基坑监测体系布置时的要点和监测时的注意事项，为以后得到准确的监测数据提供帮助。

1绪论

为了满足社会发展和经济需求，高层建筑和地下空间得到了明显的发展，如何安全高效地利用地下空间已成为广大工程建设者们亟待解决的问题。基坑工程是一个综合性的研究课题，需要考虑的因素非常复杂，如在基坑开挖过程中产生的超静水压力导致的管涌现象。基坑发生破坏之前，通常可以通过变形监测发出预警，因此，变形监测成为保证基坑正常使用的“前哨战”。

深基坑是指开挖深度大于等于5m或开挖深度下雨5m但现场地质情况和周围环境较复杂的基坑。城市化进程的加深使得深基坑开挖环境愈加复杂，地下管线和周围构筑物导致地下施工场地受限，需要更紧凑的基坑支护方式。必须通过更高效的资源整合才能顺利完成施工[5]。

Yoder[1]通过试验研究定性分析了深基坑开挖对邻近建筑物产生的影响，姜志强[2]在对大量实测数据整合后得到了基坑抗变形能力和开挖深度及土层特性的关系。除研究变形规律外，潘泓[3]也通过有限差分法得出圆形围护结构的变形最小。监测仪器的选择及安装，是得到准确变形数据的根本保障[4]。

2基坑变形监测体系

2.1土体变形形式

基坑开挖引起的土体变形形式主要有3种：地表沉降、基坑回弹以及围护结构的位移。地表的沉降是由于基坑开挖的过程中，地下水渗流路径改变、土体受力不均导致的失稳，严重时会导致周围道路和构筑物的下沉和倾斜。而基坑底部是因为上部覆载卸载后土体回弹导致的变形。基坑围护结构的位移则是因为自身结构的刚度、制造工艺和施工管理等问题，遭遇周围条件的变化、主要是侧向土压力的变化导致变形。

2.2基坑变形影响机理

近年来，关于基坑支护结构的土压力及计算问题，有着很大的争论。一方面，假设土为连续介质的弹性体，且各向同性，这样的假设是计算参数少，计算模式化，效率高，但是这种方法计算出的数据会偏小，为了保证基坑的安全，往往会提出相对较大的安全保证系数，这样会造成资源的浪费。另一种认为土为不连续介质，需要充分考虑水土压力的分、合算问题。

2.3拟定监测方案

2.3.1基坑支护结构变形监测网的布设

变形监测网布置应根据周边环境和支护结构情况综合考虑，要求所布设控制网的点位在施工期间，既要建筑物在见到标准高度之前，能够顺利监测到支护结构所设的监测点，又要考虑监测网的图形强度。

2.3.2水平和竖向位移监测点的设置

监测点的设置应根据基坑的基本情况和功能来确定[6]，一般在支护结构或基坑边坡顶部，选在变形最敏感的区段，如周边中部、阳角处，监测点水平间距不宜大于20m，视基坑大小每边布置不少于3个监测点。一般水平和竖向位移监测点为共用点。

2.3.3支护结构深层水平位移监测点的设置

支护结构或土体深层水平位移监测点宜布置在基坑周边的中部、阳角处及有代表性的部位，监测点水平间距宜为20m~50m，每边监测点数目不少于1个。深层水平的监测宜采用在墙体或土体中预埋测斜管、通过测斜仪观测各深度处水平位移的方法。

基坑变形量的监测包括支护结构的监测和基坑开挖对周围环境影响的监测。支护结构的变形包括水平位移、竖向位移、深层水平位移以及支护结构的内力监测；周围环境包括临近构筑物及其配套设施的变形、地表的下沉以及地下水的监测等。针对不同工程需制定不同方案，对于建筑密集区域，除基坑自身的凸起及位移需要关注外，还需要增加外部道路以及邻近构筑物的沉降与倾斜、地下水位上升或下降等。而对于远离市区的基坑工程仅需对自身构筑物进行重点监测。

3监测实施方案

3.1工程概况

拟建工程位于深圳市笋岗东路与宝安北路路口，场地原为帝豪酒店，现已拆除。该场地拟建1栋地上43层、地下5层的建筑物。北侧紧临嘉宝路和百合隆旧货市场，用地红线距离百合隆旧货市场约18m，东侧紧临宝安北路，南侧临近笋岗东路，用地红线距离笋岗东路约50m，西侧距离万通大厦大约12米。

根据甲方提供的基坑开挖资料，基坑开挖底标高为-10.1m(结构底板厚0.6m，垫层0.15m)，基坑开挖最大深度22.7m，基坑支护总长约为285m。

根据深圳市标准《地基基础勘察设计规范》SJG01-2010，结合各岩土层岩性特征、原位测试试验、室内土工试验结果，提供场地内各岩土层的承载力特征值fak、压缩模量Es和变形模量E0等指标建议值，见表1。

3.2.1水平和沉降监测

该基坑工程施工现场较为复杂，施工现场处于人多流量大的地带，建筑材料堆放较为密集，且工程运输车来往频繁，所以不能将全站仪始终立于固定一点进行监测，因此考虑采用自由设站法测定基坑支护结构的平面位移会更便于实施，同时也会得到更高的效率。在远离变形监测区域的构筑物上选取若干个稳定观测点作为监测基准点，然后进行测站定向。

3.2.2侧向变形监测

侧向变形主要是由于支护结构背后受力不均导致的，主要有2种原因：第一种，土体分布不均匀，地质由于风化程度不同，导致土体的类别和状态在不同深度，不同水平位置会有很大的差异；第二种，周围相邻道路和建筑分布不同，开阔的空间和建筑密集空间对土挤压程度不同，且相邻建筑的基坑工程会影响地下水渗流方向，影响渗透压力的大小。本工程中，除上部有少量素填土外，均为粉质粘土，土层较为均匀，因此，侧向变形可以在建筑物较多侧分布。

测斜仪是一种可精确地测量沿垂直方向土层或围护结构内部水平位移的工程测量仪器。测斜仪在建筑基坑工程中可以量测以下参数:(1)打桩或基坑开挖所引起的土体水平位移;(2)围护桩、围护墙或其他围护结构的水平位移;(3)地下室垂直墙面的水平位移。测斜仪可分为活（下转第301页）

）动式和固定式两种，在基坑开挖支护监测中常用活动式测斜仪。在深基坑开挖之前先将有四个相互垂直导槽的测斜管埋入支护结构或被支护的土体。测量时，将活动式测头放入测斜管，使测头上的导向滚轮卡在测斜管内壁的导槽中，沿槽滚动，活动式测头可连续地测定沿测斜管整个深度的水平位移变化。测斜管的工作原理是根据摆锤受重力作用为基础测定以摆锤为基准的弧角变化。当土体产生位移时，埋入土体中的测斜管随土体同步位移，测斜管的位移即为土体的位移量。放入测斜管内的活动探头，测出的量是各个不同分段点上测斜管的倾角变化只，而该段测斜管的位移增量S，为:

（式1）

Li为各端点之间的单位长度。

当测斜管埋设得足够深时，管底位于基坑开挖平面以下，可以认为管底是位移不动点，管口的水平位移值S，，就是各分段位移增量的总和:

（式2）

伺服加速度计式测斜仪的工作原理是基于测头传感器加速度计测量重力矢量在测头轴线垂直面上的分量大小，从而确定测头轴线相对于水平面的倾斜角。当加速度计敏感轴在水平面内时，矢量在敏感轴上的投影为零，加速度计输出为零，当加速度计敏感轴与水平面存在一倾角时，加速度计输出一个电压信号Uout1:

Uout1=K。+Klgsinθ（式3）

式中:K。为加速度计偏值，K，为加速度计电压刻度因数，g为重力加速度。

长期来言，K。是一个缓慢变化的变量，存在K。漂移误差;而对某次观测而言，K。可以看作是常量不予考虑。所以为了消除K。变动的影响，可将测头调转180度，在该点进行两次测量，得:

（式4）

两次求平均值即可消除K。变量对测斜的影响。

当测斜管发生变形以及导轮运转受卡或因为导轮的弹力不足的情况下，使导轮不能进入准确的位置，在特定的位置总是产生一定的误差。理论上这种误差是有规律的，但由于测斜管位于地下没法知道它的规律性并进而消除，观测中要尽量避免出现这种误差。