新時期基坑工程現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)及監(jiān)測方案的優(yōu)化設計
2015-04-01
隨著經(jīng)濟的飛速發(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)境更加復雜，深基坑開挖與支護的難度愈來愈大。為保證深基坑開挖的安全，以及為基坑支護方案的選取提供基礎資料，必須對基坑進行監(jiān)測。本文結(jié)合基坑維護結(jié)構(gòu)的水平位移、沉降變形，較全面的總結(jié)了監(jiān)測布設的原則、監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測的方法、分析預報及預警以及結(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)和力學機理是一個非常復雜的課題，迄今為止，巖土工程還是一門不夠嚴謹、不完善、不夠成熟的科學技術(shù)。所以無論用何種理論、軟件、計算方法、設計的定量計算往往與實際情況存在一定的差距，計算結(jié)果只是一個近似可能的數(shù)值。對于目前全國城市建設中大力提倡開發(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，基于勘察報告和傳統(tǒng)理論模式計算的圍護結(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、設計的安全儲備有多少、施工質(zhì)量如何、工序的安排到底是否合理以及一旦發(fā)生危機應從何處著手、采取補救措施的效果如何、何種補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嚴密的、科學的、合理的監(jiān)測控制系統(tǒng)的基礎上，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， 即支護結(jié)構(gòu)本身（ 圍護結(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圍護結(jié)構(gòu)。
圍護結(jié)構(gòu)的主要監(jiān)測內(nèi)容： 圍護結(jié)構(gòu)完整性及強度監(jiān)測； 圍護結(jié)構(gòu)頂部水平位移監(jiān)測； 圍護結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測 ； 圍護結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測 ； 圍護結(jié)構(gòu)應力監(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圍護與支撐結(jié)構(gòu)監(jiān)測。
?。?） 圍護結(jié)構(gòu)頂部水平位移監(jiān)測。圍護結(jié)構(gòu)頂部水平位移是圍護結(jié)構(gòu)變形最直觀的體現(xiàn)， 因此， 圍護結(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監(jiān)測項目。
?。?nbsp;2） 圍護結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測。圍護結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測一般用測斜儀進行。根據(jù)圍護結(jié)構(gòu)受力特點及周圍環(huán)境等因素， 在關(guān)鍵地方鉆孔布設測斜管， 用高精度測斜儀進行監(jiān)測， 以根據(jù)圍護結(jié)構(gòu)在各開挖施工階段傾斜變化，及時提供圍護結(jié)構(gòu)沿深度方向水平位移隨時間變化曲線。目前工程中使用最多的是滑移式測斜儀。
?。?nbsp;3） 圍護結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測。用精密水準儀按常規(guī)方法對圍護結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位進行沉降監(jiān)測。
?。?nbsp;4） 圍護結(jié)構(gòu)應力監(jiān)測。圍護結(jié)構(gòu)應力監(jiān)測就是用鋼筋應力計對樁身鋼筋和鎖口梁鋼筋中較大應力斷面處應力進行監(jiān)測， 以防圍護結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性破壞。
（ 5） 支撐結(jié)構(gòu)應力監(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)支撐受力狀況進行監(jiān)測。對錨桿施工前應進行錨桿現(xiàn)場拉拔試驗， 以求得錨桿容許拉力。施工過程中用錨桿測力計監(jiān)測錨桿實際受力情況， 對銅管支撐可用壓應力傳感器或應變計等監(jiān)測其受力狀態(tài)變化。
2.2.2周圍環(huán)境監(jiān)測。
?。?nbsp;1） 鄰近建筑物沉降和傾斜監(jiān)測。觀測點布置應根據(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、中點及周邊設置， 每棟建筑物觀測點不少于 8 個， 觀測方法和觀測精度與一般沉降觀測相同。
（ 2） 鄰近建筑物裂縫監(jiān)測。對觀測裂縫統(tǒng)一編號， 每條裂縫至少應布設兩組（ 兩側(cè)各一個標志為一組） 觀測標志， 裂縫寬度數(shù)據(jù)應精確至 0.1mm， 一組在裂縫最寬處， 另一組在裂縫末端進行測繪。
?。?nbsp;3） 鄰近道路、管錢變形監(jiān)測基坑開挖過程中， 應同時對鄰近道路、管線等設施進行水平位移和沉降觀測， 基坑開挖時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一般應設置在基坑邊 2.5 倍～3.0 倍開挖距離以外， 水平位移控制點后方向可更遠一些。
（ 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， 只要設置在止水帷幕以外即可。監(jiān)測井不必埋設很深， 井底標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。應布置在圍護結(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測孔應緊鄰圍護樁墻埋設，土壓力盒應盡量在施工圍護樁墻時埋設在土體與圍護樁墻的接觸面上。
?。?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必須設置監(jiān)測點， 方形、圓形基坑可按單向?qū)ΨQ布點， 矩形基坑可按縱橫向布點， 復合矩形基坑可多向布點， 地質(zhì)情況復雜時可適當增加點數(shù)。
（ 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， 測點應布設在墻角、樁身等部位， 應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， 為驗證有關(guān)基坑工程設計理論與設計參數(shù)的準確性提供技術(shù)數(shù)據(jù)。由于變形監(jiān)測方法簡單， 在實際工程中應用最廣泛。
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（ 簡稱照準線法或視準線法） 、三角測量法、導線測量法、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行認真分析， 根據(jù)需要調(diào)整監(jiān)測的時間間隔， 必要時進行跟蹤檢測。應將檢測結(jié)果及響應的施工工序、工況記錄及時提供給施工管理人員。當監(jiān)測數(shù)據(jù)超過警戒指標時， 應不失時機地采取相應的技術(shù)措施。對重要而復雜地工程， 應選擇適當范圍進行信息化施工。在施工監(jiān)測中， 運用反分析方法優(yōu)化后續(xù)施工。在基坑工程中， 確定各監(jiān)測項目的警戒線和允許值是一項十分嚴肅的工作。它不僅是設計計算的重要基礎， 同時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)測項目的警戒值應根據(jù)基坑自身的特點、監(jiān)測目的、周圍環(huán)境的要求， 結(jié)合當?shù)毓こ探?jīng)驗并和有關(guān)部門協(xié)商綜合確定。
確定預警值的方法主要有 3 種。
?。?nbsp;1） 參照相關(guān)規(guī)范和規(guī)程的規(guī)定值。我國各地方標準中對基坑工程預警值的規(guī)定多為最大允許位移或變形值， 如表 1 是上海市基坑設計規(guī)程規(guī)定的各級基坑變形的設計和控制值。
（ 2） 經(jīng)驗類比值。經(jīng)驗類比值是根據(jù)大量工程實踐經(jīng)驗積累而確定的預警值， 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。
（ 3） 設計預估值?；雍椭車h(huán)境的位移與變形值是為了基坑和周圍環(huán)境的安全需要在設計和監(jiān)測時嚴格控制的， 而圍護結(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計計算得到的， 因此， 圍護結(jié)構(gòu)和支撐內(nèi)力、錨桿拉力等應以設計預估值為確定預警值的依據(jù)， 一般將預警值確定為設計允許最大值的 80%。
3. 施工監(jiān)測方案的優(yōu)化
工程實踐中， 對施工監(jiān)控量測方案作優(yōu)化考慮， 對基坑支護動態(tài)施工的順利實現(xiàn)有較大的意義。在對監(jiān)控量測方案作優(yōu)化考慮時， 應遵循以下原則： 一是監(jiān)測項目的選擇應有利于對基坑支護的穩(wěn)定性和周圍地層變形的安全性進行全面有效的分析； 二是監(jiān)測斷面及其測點的設置應滿足動態(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確性。
3.1監(jiān)測項目的選項原則。
基坑工程的現(xiàn)場監(jiān)測主要包括對支護結(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)測項目如下： 支護結(jié)構(gòu)頂部水平位移監(jiān)測； 支護結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測；支護結(jié)構(gòu)沉降觀測；支護結(jié)構(gòu)應力監(jiān)測； 基坑開挖前應進行支護結(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)測斷面及其測點的設置。
設計計算通常都針對某一斷面的受力變形狀態(tài)建立計算過程和公式， 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， 必然要求設置數(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方面， 為確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性， 可從 3 個方面入手： 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系統(tǒng)或與其他機測式儀器互相校核； 二是應在監(jiān)測期間內(nèi)保護好測點； 三是監(jiān)測人員要具有監(jiān)測經(jīng)驗和責任心， 當發(fā)現(xiàn)量測數(shù)據(jù)異常時， 應及時進行復測， 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)誤差和出錯等， 其中系統(tǒng)誤差可予以修正， 錯誤可通過仔細操作和校核防止。以下假設讀數(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， 由此引起的計算誤差將較小， 反之則較大。由此可見對動態(tài)施工與監(jiān)測技術(shù)， 主要應注意在位移量或應力值等較大的位置上接受量測信息。
