新時(shí)期基坑工程現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)及監(jiān)測方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)
2015-04-01
隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，高層和大型建筑物越來越多，建筑物基坑開挖的深度和規(guī)模也越來越大，基坑向著大深度、大面積方向發(fā)展，周邊環(huán)境更加復(fù)雜，深基坑開挖與支護(hù)的難度愈來愈大。為保證深基坑開挖的安全，以及為基坑支護(hù)方案的選取提供基礎(chǔ)資料，必須對基坑進(jìn)行監(jiān)測。本文結(jié)合基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移、沉降變形，較全面的總結(jié)了監(jiān)測布設(shè)的原則、監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測的方法、分析預(yù)報(bào)及預(yù)警以及結(jié)合基坑周圍建筑物的沉降變形觀測，本文較全面總結(jié)了基坑周圍建筑物變形監(jiān)測的監(jiān)測布設(shè)原則、監(jiān)測內(nèi)容、變形監(jiān)測的方法等內(nèi)容。
1. 基坑監(jiān)測的目的和意義
在巖土工程中，由于地下建（構(gòu)）筑物的受力狀態(tài)和力學(xué)機(jī)理是一個(gè)非常復(fù)雜的課題，迄今為止，巖土工程還是一門不夠嚴(yán)謹(jǐn)、不完善、不夠成熟的科學(xué)技術(shù)。所以無論用何種理論、軟件、計(jì)算方法、設(shè)計(jì)的定量計(jì)算往往與實(shí)際情況存在一定的差距，計(jì)算結(jié)果只是一個(gè)近似可能的數(shù)值。對于目前全國城市建設(shè)中大力提倡開發(fā)的地下空間涉及的深基坑工程則是巖土工程中較為突出的問題之一，基于勘察報(bào)告和傳統(tǒng)理論模式計(jì)算的圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力，采用的施工參數(shù)是否能保證圍結(jié)構(gòu)的安全、設(shè)計(jì)的安全儲備有多少、施工質(zhì)量如何、工序的安排到底是否合理以及一旦發(fā)生危機(jī)應(yīng)從何處著手、采取補(bǔ)救措施的效果如何、何種補(bǔ)救措施較為合理可靠等問題的決策和解決必須建立在擁有一個(gè)嚴(yán)密的、科學(xué)的、合理的監(jiān)測控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以此作為基坑工程決策的參考。
2. 基坑工程現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)
2.1國內(nèi)的基坑工程現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容。
基坑開挖期間施工現(xiàn)場監(jiān)測的內(nèi)容分為兩大部分， 即支護(hù)結(jié)構(gòu)本身（ 圍護(hù)結(jié)構(gòu)） 的穩(wěn)定性和相鄰環(huán)境（ 周圍環(huán)境） 的變化。
2.1.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)。
圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要監(jiān)測內(nèi)容： 圍護(hù)結(jié)構(gòu)完整性及強(qiáng)度監(jiān)測； 圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移監(jiān)測； 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測 ； 圍護(hù)結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測 ； 圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測。
2.1.2周圍環(huán)境監(jiān)測。
周圍環(huán)境的監(jiān)測主要包括： 鄰近建筑物沉降、傾斜和裂縫發(fā)生時(shí)間及發(fā)展過程的監(jiān)測； 鄰近構(gòu)筑物、道路、地下管網(wǎng)等設(shè)施變形監(jiān)測； 表層土體沉降、水平位移以及深層土體分層沉降和水平位監(jiān)測； 樁側(cè)土壓力監(jiān)測； 坑底隆起監(jiān)測； 土層孔隙水壓力測試； 地下水位測試。
2.2基坑工程監(jiān)測技術(shù)及方法。
2.2.1圍護(hù)與支撐結(jié)構(gòu)監(jiān)測。
?。?） 圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移監(jiān)測。圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移是圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最直觀的體現(xiàn)， 因此， 圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移的監(jiān)測也就成了深基坑監(jiān)測工作中最重要的一個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目。
（ 2） 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測。圍護(hù)結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測一般用測斜儀進(jìn)行。根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及周圍環(huán)境等因素， 在關(guān)鍵地方鉆孔布設(shè)測斜管， 用高精度測斜儀進(jìn)行監(jiān)測， 以根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)在各開挖施工階段傾斜變化，及時(shí)提供圍護(hù)結(jié)構(gòu)沿深度方向水平位移隨時(shí)間變化曲線。目前工程中使用最多的是滑移式測斜儀。
（ 3） 圍護(hù)結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測。用精密水準(zhǔn)儀按常規(guī)方法對圍護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位進(jìn)行沉降監(jiān)測。
?。?nbsp;4） 圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測。圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測就是用鋼筋應(yīng)力計(jì)對樁身鋼筋和鎖口梁鋼筋中較大應(yīng)力斷面處應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測， 以防圍護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性破壞。
（ 5） 支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測。支撐結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測就是對錨桿和鋼筋混凝土及鋼筋內(nèi)支撐受力狀況進(jìn)行監(jiān)測。對錨桿施工前應(yīng)進(jìn)行錨桿現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)， 以求得錨桿容許拉力。施工過程中用錨桿測力計(jì)監(jiān)測錨桿實(shí)際受力情況， 對銅管支撐可用壓應(yīng)力傳感器或應(yīng)變計(jì)等監(jiān)測其受力狀態(tài)變化。
2.2.2周圍環(huán)境監(jiān)測。
（ 1） 鄰近建筑物沉降和傾斜監(jiān)測。觀測點(diǎn)布置應(yīng)根據(jù)建筑物體積、結(jié)構(gòu)、工程地質(zhì)條件、開挖方案等因素綜合考慮， 一般在建筑物角點(diǎn)、中點(diǎn)及周邊設(shè)置， 每棟建筑物觀測點(diǎn)不少于 8 個(gè)， 觀測方法和觀測精度與一般沉降觀測相同。
?。?nbsp;2） 鄰近建筑物裂縫監(jiān)測。對觀測裂縫統(tǒng)一編號， 每條裂縫至少應(yīng)布設(shè)兩組（ 兩側(cè)各一個(gè)標(biāo)志為一組） 觀測標(biāo)志， 裂縫寬度數(shù)據(jù)應(yīng)精確至 0.1mm， 一組在裂縫最寬處， 另一組在裂縫末端進(jìn)行測繪。
?。?nbsp;3） 鄰近道路、管錢變形監(jiān)測基坑開挖過程中， 應(yīng)同時(shí)對鄰近道路、管線等設(shè)施進(jìn)行水平位移和沉降觀測， 基坑開挖時(shí)水平方向影響范圍為 1.5倍～2 倍開挖深度， 因此用于水平位移及沉降的控制點(diǎn)一般應(yīng)設(shè)置在基坑邊 2.5 倍～3.0 倍開挖距離以外， 水平位移控制點(diǎn)后方向可更遠(yuǎn)一些。
?。?nbsp;4） 地下水位測試。一般通過監(jiān)測井監(jiān)測， 監(jiān)測井布置較為隨意， 只要設(shè)置在止水帷幕以外即可。監(jiān)測井不必埋設(shè)很深， 井底標(biāo)高一般在常年水位以下 4 m～5 m 即可。
?。?nbsp;5） 土體分層沉降和水土壓力測試。應(yīng)布置在圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系中受力有代表性的位置， 土體分層沉降和空隙水壓力計(jì)測孔應(yīng)緊鄰圍護(hù)樁墻埋設(shè)，土壓力盒應(yīng)盡量在施工圍護(hù)樁墻時(shí)埋設(shè)在土體與圍護(hù)樁墻的接觸面上。
?。?nbsp;6） 土體回彈。深大基坑的回彈量對基坑本身和鄰近建筑物都有較大影響， 因此需做基坑回彈監(jiān)測。在基坑中央和距坑底邊緣 1/4 坑底寬度處及特征變形點(diǎn)必須設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)， 方形、圓形基坑可按單向?qū)ΨQ布點(diǎn)， 矩形基坑可按縱橫向布點(diǎn)， 復(fù)合矩形基坑可多向布點(diǎn)， 地質(zhì)情況復(fù)雜時(shí)可適當(dāng)增加點(diǎn)數(shù)。
?。?nbsp;7） 環(huán)境監(jiān)測。環(huán)境監(jiān)測的范圍是基坑開挖 3 倍深度以內(nèi)的區(qū)域， 建筑物以沉降觀測為主， 測點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在墻角、樁身等部位， 應(yīng)能充分反映建筑物各部分的不均勻沉降。 2.3基坑工程現(xiàn)場監(jiān)測的要求。
2.3.1基坑的變形監(jiān)測。
為監(jiān)測深基坑工程施工質(zhì)量與邊坡穩(wěn)定性， 為驗(yàn)證有關(guān)基坑工程設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確性提供技術(shù)數(shù)據(jù)。由于變形監(jiān)測方法簡單， 在實(shí)際工程中應(yīng)用最廣泛。
2.3.2水平位移的觀測方法。
觀測水平位移的方法是根據(jù)現(xiàn)場條件及觀測儀器而定， 常用的方法有方向線法（ 簡稱照準(zhǔn)線法或視準(zhǔn)線法） 、三角測量法、導(dǎo)線測量法、前方交會法、小角度法等。
2.3.3基坑監(jiān)測的要求。
在基坑工程中， 基坑工程的監(jiān)測應(yīng)與施工過程密切配合， 根據(jù)施工速度， 對監(jiān)測到內(nèi)力或變形的絕對值及變化速率進(jìn)行認(rèn)真分析， 根據(jù)需要調(diào)整監(jiān)測的時(shí)間間隔， 必要時(shí)進(jìn)行跟蹤檢測。應(yīng)將檢測結(jié)果及響應(yīng)的施工工序、工況記錄及時(shí)提供給施工管理人員。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過警戒指標(biāo)時(shí)， 應(yīng)不失時(shí)機(jī)地采取相應(yīng)的技術(shù)措施。對重要而復(fù)雜地工程， 應(yīng)選擇適當(dāng)范圍進(jìn)行信息化施工。在施工監(jiān)測中， 運(yùn)用反分析方法優(yōu)化后續(xù)施工。在基坑工程中， 確定各監(jiān)測項(xiàng)目的警戒線和允許值是一項(xiàng)十分嚴(yán)肅的工作。它不僅是設(shè)計(jì)計(jì)算的重要基礎(chǔ)， 同時(shí)也是確定合理施工流程、保證周圍環(huán)境安全的主要依據(jù)。監(jiān)測項(xiàng)目的警戒值應(yīng)根據(jù)基坑自身的特點(diǎn)、監(jiān)測目的、周圍環(huán)境的要求， 結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)并和有關(guān)部門協(xié)商綜合確定。
確定預(yù)警值的方法主要有 3 種。
（ 1） 參照相關(guān)規(guī)范和規(guī)程的規(guī)定值。我國各地方標(biāo)準(zhǔn)中對基坑工程預(yù)警值的規(guī)定多為最大允許位移或變形值， 如表 1 是上海市基坑設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定的各級基坑變形的設(shè)計(jì)和控制值。
?。?nbsp;2） 經(jīng)驗(yàn)類比值。經(jīng)驗(yàn)類比值是根據(jù)大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累而確定的預(yù)警值， 如基坑內(nèi)降水或基坑開挖引起的基坑外水位下降不得超過1 000 mm， 每天發(fā)展不得超過 500 mm； 基坑開挖中引起的立柱樁隆起或沉降不得超過 10 mm， 每天發(fā)展不得超過 2 mm。
?。?nbsp;3） 設(shè)計(jì)預(yù)估值?；雍椭車h(huán)境的位移與變形值是為了基坑和周圍環(huán)境的安全需要在設(shè)計(jì)和監(jiān)測時(shí)嚴(yán)格控制的， 而圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐的內(nèi)力、錨桿拉力等， 則是在滿足以上基坑和周圍環(huán)境的位移與變形控制值的前提下由設(shè)計(jì)計(jì)算得到的， 因此， 圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐內(nèi)力、錨桿拉力等應(yīng)以設(shè)計(jì)預(yù)估值為確定預(yù)警值的依據(jù)， 一般將預(yù)警值確定為設(shè)計(jì)允許最大值的 80%。
3. 施工監(jiān)測方案的優(yōu)化
工程實(shí)踐中， 對施工監(jiān)控量測方案作優(yōu)化考慮， 對基坑支護(hù)動態(tài)施工的順利實(shí)現(xiàn)有較大的意義。在對監(jiān)控量測方案作優(yōu)化考慮時(shí)， 應(yīng)遵循以下原則： 一是監(jiān)測項(xiàng)目的選擇應(yīng)有利于對基坑支護(hù)的穩(wěn)定性和周圍地層變形的安全性進(jìn)行全面有效的分析； 二是監(jiān)測斷面及其測點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)滿足動態(tài)施工足夠數(shù)量的分析斷面和測試數(shù)據(jù)； 三是有利于提高采集數(shù)據(jù)的精確度， 以提高分析判斷的準(zhǔn)確性。
3.1監(jiān)測項(xiàng)目的選項(xiàng)原則。
基坑工程的現(xiàn)場監(jiān)測主要包括對支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測、對周圍環(huán)境的監(jiān)測和對巖土性狀受施工影響而引起變化的監(jiān)測， 其監(jiān)測項(xiàng)目如下： 支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移監(jiān)測； 支護(hù)結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測；支護(hù)結(jié)構(gòu)沉降觀測；支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測； 基坑開挖前應(yīng)進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)完整性檢測； 鄰近建筑物的沉降、傾斜和裂縫的發(fā)生時(shí)間和發(fā)展過程的監(jiān)測； 鄰近構(gòu)筑物、道路、地下管網(wǎng)設(shè)施的沉降和變形監(jiān)測； 對巖土性狀受施工影響力引起變化的監(jiān)測， 包括對表層沉降和水平位移的觀測以及深層沉降和傾斜的監(jiān)測；樁側(cè)土壓力測試；基坑開挖后的基底隆起觀測； 土層孔隙水壓力變化的測試；地下水位監(jiān)測； 肉眼巡視與裂縫觀測。
3.2監(jiān)測斷面及其測點(diǎn)的設(shè)置。
設(shè)計(jì)計(jì)算通常都針對某一斷面的受力變形狀態(tài)建立計(jì)算過程和公式， 因而對基坑工程的施工采用動態(tài)施工與監(jiān)測技術(shù)時(shí)， 必然要求設(shè)置數(shù)量足夠的和有代表性的監(jiān)測斷面， 并通過合理布置測點(diǎn)使其可提供數(shù)量足夠的監(jiān)測數(shù)據(jù)。
3.3監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性與精度控制。
影響量測數(shù)據(jù)的可靠性與精度的因素很多， 其中有的無法避免， 有的則可采取措施予以防止或減小其影響。
3.3.1可靠性控制。
影響監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性的主要因素是儀器和人員兩個(gè)方面， 為確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性， 可從 3 個(gè)方面入手： 一是監(jiān)測系統(tǒng)需要采用可靠的儀器，一般而言， 機(jī)測試儀器的可靠性高于電測式儀器， 所以如果使用電測式儀器則通常要求具有目標(biāo)系統(tǒng)或與其他機(jī)測式儀器互相校核； 二是應(yīng)在監(jiān)測期間內(nèi)保護(hù)好測點(diǎn)； 三是監(jiān)測人員要具有監(jiān)測經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心， 當(dāng)發(fā)現(xiàn)量測數(shù)據(jù)異常時(shí)， 應(yīng)及時(shí)進(jìn)行復(fù)測， 開加密量測的次數(shù)， 防止虛假數(shù)據(jù)出現(xiàn)。
3.3.2精度控制。
讀數(shù)誤差有系統(tǒng)誤差、儀表讀數(shù)誤差和出錯(cuò)等， 其中系統(tǒng)誤差可予以修正， 錯(cuò)誤可通過仔細(xì)操作和校核防止。以下假設(shè)讀數(shù)誤差是由儀表讀數(shù)誤差引起， 以此討論減小誤差的途徑。經(jīng)研究表明， 這類誤差的影響程度通常取決于儀表讀數(shù)誤差與量測值的比值， 即相對誤差的量值： 量測的絕對值較大時(shí)， 由此引起的計(jì)算誤差將較小， 反之則較大。由此可見對動態(tài)施工與監(jiān)測技術(shù)， 主要應(yīng)注意在位移量或應(yīng)力值等較大的位置上接受量測信息。
