深基坑工程变形监测实例分析
2015-04-14
随着我国城市进程的不断加快，建筑行业得到了进一步的发展，许多建筑空间逐渐向地下室发展，基坑的开挖深度越来越大，对深基坑工程的施工技术和施工质量要求也有所提高。在深基坑工程施工中，由于受到地质条件、周边环境、降水不到位和施工环境等复杂因素的影响，基坑施工必然会影响到周围建筑物、地下设施和周围环境，因此，施工人员有必要加强深基坑工程变形监测工作，通过运行专业的仪器和各种方法对深基坑变形进行监测，能够准确掌握深基坑工程施工情况和预测基坑施工未来发展的趋势，对确保深基坑工程的质量安全具有重要的意义。
1基坑变形监测的内容
深基坑监测的主要内容有围护结构的水平位移监测、沉降监测、应力监测，及地下水位监测、护坡监测和周围环境监测等，一般通过设定监测项目的报警值来保障基坑施工和周边环境的安全。在监测过程中，不仅要提供精确的监测数据，还应加强对基坑水文地质的了解与分析、基坑与周边相邻建筑物关系的分析研究。
2.1围护结构的监测
（1）水平位移监测
围护结构顶部水平位移是围护结构变形最直观的体现，是整个监测过程的重点。围护结构变形是由于水平方向上基坑内外土体的原始应力状态改变而引起的地层移动。
（2）沉降监测
基坑围护结构的沉降多与地下水活动有关。地下水位的升降使基底压力产生不同的变化，造成基底的突涌或下陷。通常使用精密电子水准仪按水准测量方法对围护结构的关键部位进行沉降监测。
（3）应力监测
基坑稳定状态下，侧壁受主动土压力，围护结构受被动土压力，主动土压力与被动土压力之间成动态平衡。随着基坑的开挖，平衡被破坏，基坑将发生变形。
2.2周围环境监测
（1）邻近建筑物沉降监测
当软土地区开挖深基坑时，基坑周围土体塑性区比较大，土的塑性流动也比较大，土体从围护结构外侧向坑内和基底流动，因此地表产生沉降，这是沉降产生的主要原因。
（2）邻近建筑物裂缝监测
地基发生不均匀沉降后，基础产生相对位移，建筑物出现倾斜。倾斜使结构上产生附加拉力和剪力，当应力大于材料的承载能力时即会出现裂缝。裂缝多出现在房屋下部沉降变化剧烈处附近的纵墙。
（3）道路、管线变形监测
基坑开挖过程中，应同时对邻近道路、管线等设施进行水平位移和沉降观测。尽可能以仪器观测或测试为主、目测调查为辅相结合，通过目测对仪器观测进行定性补充。
3典型工程实例分析
3.1工程概况
某深基坑工程，基坑长度为150m，宽度为90m，开挖深度约23m。基坑东侧紧邻某7层大酒店，西侧紧邻某9层大楼，且地下为回填杂土，地下水位较高，涌水量约2000m3/d。周边市政管线密布。深基坑西边坡土质为回填土，基坑周边放坡空间有限，几乎垂直放坡，支护结构复杂。因此，西边坡的变形监测为本工程的重点。
3.2围护结构水平位移监测
水平位移监测采用坐标法和基线法。
（1）坐标法
坐标法为全站仪结合反射片进行动态扫描式变形点监测，采用整体平面控制网法对变形监测点进行观测。在基坑区北面道路和南面道路上共选择4个稳定点，构成平面控制基准点。在基坑支护结构顶端布置3排围护结构变形监测点，如图1所示。沿基坑周边道路及施工道路布设控制网过渡点，以连接围护结构位移监测点与基准点成网，通过监测基准点，对基坑内锚杆、桩顶冠梁及护坡变形点进行监测。但受场地条件限制，其组成的监测控制网图形规则性较弱，因此需定期进行整体控制网的复测。为提高对中精度，埋设观测墩在监测基准点上进行强制对中，各变形观测点设置固定反射片装置，采用全站仪极坐标法直接扫描式观测基坑侧壁各观测点的坐标，以三维坐标的变化来反映基坑的水平与竖向位移，高效准确地采集基坑侧壁的动态变化数据。
（2）基线位移观测觇法
同时，利用基线法测量围护结构水平位移。在基坑西边坡坡顶北部选择1个监测基准点，利用经纬仪基线法，在基准点上架设仪器，瞄准基坑西边坡南部开挖影响范围外的目标，确定基线，然后在基线上每5m选择1个位移变形监测点，共选择16个边坡变形监测点。随着基坑的开挖，变形监测点将向着基坑开挖的方向移动。其移动的距离即为变形监测点的位移。
传统的方法为在变形监测点处多次立测钎，使测钎处于基线上，利用直尺直接读出数值，两次读数的差值即为变形监测点的位移值。实践中发现，采用基线法时，传统的瞄准方式为测钎与直尺读数，误差较大，而且经纬仪对中测钎是一个往复定位的过程，立钎者需要左右移动测钎，同时保持测钎的垂直状态，这都降低了测量的精确度与效率。为提高基线法的观测精度与效率，可制作一种轨道化标尺，使繁琐的立测钎过程通过标尺的一次滑动即可完成。于是研制出了一种测量辅助装置―基线位移观测觇。
该装置具有以下优点：
1）觇板与反射片的强制对中作用，使经纬仪能够精确瞄准目标；
2）激光器具有调节方向的作用，能够使观测觇精确对准经纬仪，确保在经纬仪确定的基线上；
3）上部瞄准系统可以在基座平台轨道上滑动，一次滑动便可测出位移量；
4）基座可以利用3个调节螺旋整平，由圆水准器体现；
5）读数系统由指针与刻度尺组成，可估读到0.1mm。
使用时在基准点上架设经纬仪，确定基线。将观测觇某一刻度贴紧变形观测点，转动经纬仪望远镜，粗瞄位移观测觇。然后滑动上部系统使观测觇上的反射片位于望远镜中心，从刻度盘上直接读出观测点的位移值。观测台的读数可估读至0.1mm，而传统基线法只能精确到1mm，精度大大提高。 3.3周围建筑物沉降监测
周围建筑物的沉降监测采用精密水准测量的方法，利用高精度电子水准仪周期性地观测建筑物上的沉降观测点和水准基点之间的高差变化值。在基坑西边坡周边道路上选择10个地下管线沉降监测点。在大楼上靠基坑边选择8个建筑物沉降监测点。
3.4锚索应力监测
锚索测力计为高强度的合金钢圆筒，不同荷载的锚索测力计分别内置3～6支高精度振弦式传感器。传感器可监测作用在锚索测力计上的总荷载，同时通过测读每只传感器，还可测出不均匀荷载或偏心荷载。本工程使用基康三弦式锚索测力计。在基坑西边坡下挖后，根据支护施工进度，在西边坡内壁2排桩顶冠梁处选定5根锚索进行锚索应力监测。
该锚索测力计处于基坑位移较大处，应力变化具有典型性。锚索应力与基坑变形有着必然的联系，将锚索应力监测与基坑位移监测统一进行变形数据分析，更有效准确地反映出了基坑的变化状态。由图2可以看出，在第43d左右，锚索应力监测数据迅速增加，呈直线上升态势。如此下去，当应力超出锚索承载力时，基坑必将超出稳态，破坏将难以阻止。通过与变形监测数据比对发现，在此阶段基坑发生明显水平位移，最大位移量可达3mm/d。规范指出，观测值为基坑开挖深度的3‰或位移速率连续3d不小于3mm/d时，基坑的变形超限。而该基坑的侧移量已超限，必须采取防治加固措施。
通过对基坑现场考察得出，变形主要是由于基坑爆破施工过程中对地基土体产生扰动，使地基土原有的受力平衡遭到破坏。因此，提出了采用设置钢支撑的方法对围护结构进行加固。即将双拼H型钢一端支撑于东侧浇筑完成的地下室底板预留的钢筋混凝土牛腿上，另一端支撑于原围护结构中部的圈梁上，并施加1000kN的预应力。由于对围护结构背后的土体形成有效的抵抗作用，从而控制了位移的继续发展。该支护方案取得了良好的效果，有效避免了基坑危险情况的出现。
3.5周围环境监测
在基坑开挖到底部时，毗邻基坑西侧的地面沉降最为明显。多处路面产生纵向裂痕，在古力井盖、道路中缝、建筑物地基交接处裂缝较为明显。经过实时监测与分析发现，裂缝主要是由于第43d左右基坑侧壁移动而产生的，在采取支护措施后，并没有超限值发展，建筑物虽有轻微沉降，但沉降在允许范围之内。可见，采用斜向支撑的支护方案已经快速有效地遏了基坑位移的发展，及时防止了灾害的产生。
4结束语
深基坑工程变形监测是确保基坑和周围建筑物安全的重要举措。因此，在基坑施工过程中，当位移检测值接近规范规定的报警值时，施工单位应给与高度重视，根据变形监测实时数据采取积极的控制措施，确保基坑工程的质量安全，避免基坑施工对周围建筑物、地下设施和各种管线的破坏性影响，从而发挥出工程的综合效益。
