新时期基坑工程现场监测技术及监测方案的优化设计
2015-04-01
随着经济的飞速发展，高层和大型建筑物越来越多，建筑物基坑开挖的深度和规模也越来越大，基坑向着大深度、大面积方向发展，周边环境更加复杂，深基坑开挖与支护的难度愈来愈大。为保证深基坑开挖的安全，以及为基坑支护方案的选取提供基础资料，必须对基坑进行监测。本文结合基坑维护结构的水平位移、沉降变形，较全面的总结了监测布设的原则、监测内容、监测的方法、分析预报及预警以及结合基坑周围建筑物的沉降变形观测，本文较全面总结了基坑周围建筑物变形监测的监测布设原则、监测内容、变形监测的方法等内容。
1. 基坑监测的目的和意义
在岩土工程中，由于地下建（构）筑物的受力状态和力学机理是一个非常复杂的课题，迄今为止，岩土工程还是一门不够严谨、不完善、不够成熟的科学技术。所以无论用何种理论、软件、计算方法、设计的定量计算往往与实际情况存在一定的差距，计算结果只是一个近似可能的数值。对于目前全国城市建设中大力提倡开发的地下空间涉及的深基坑工程则是岩土工程中较为突出的问题之一，基于勘察报告和传统理论模式计算的围护结构受力，采用的施工参数是否能保证围结构的安全、设计的安全储备有多少、施工质量如何、工序的安排到底是否合理以及一旦发生危机应从何处着手、采取补救措施的效果如何、何种补救措施较为合理可靠等问题的决策和解决必须建立在拥有一个严密的、科学的、合理的监测控制系统的基础上，以此作为基坑工程决策的参考。
2. 基坑工程现场监测技术
2.1国内的基坑工程现场监测内容。
基坑开挖期间施工现场监测的内容分为两大部分， 即支护结构本身（ 围护结构） 的稳定性和相邻环境（ 周围环境） 的变化。
2.1.1围护结构。
围护结构的主要监测内容： 围护结构完整性及强度监测； 围护结构顶部水平位移监测； 围护结构倾斜监测 ； 围护结构沉降监测 ； 围护结构应力监测。
2.1.2周围环境监测。
周围环境的监测主要包括： 邻近建筑物沉降、倾斜和裂缝发生时间及发展过程的监测； 邻近构筑物、道路、地下管网等设施变形监测； 表层土体沉降、水平位移以及深层土体分层沉降和水平位监测； 桩侧土压力监测； 坑底隆起监测； 土层孔隙水压力测试； 地下水位测试。
2.2基坑工程监测技术及方法。
2.2.1围护与支撑结构监测。
（1） 围护结构顶部水平位移监测。围护结构顶部水平位移是围护结构变形最直观的体现， 因此， 围护结构顶部水平位移的监测也就成了深基坑监测工作中最重要的一个监测项目。
（ 2） 围护结构倾斜监测。围护结构倾斜监测一般用测斜仪进行。根据围护结构受力特点及周围环境等因素， 在关键地方钻孔布设测斜管， 用高精度测斜仪进行监测， 以根据围护结构在各开挖施工阶段倾斜变化，及时提供围护结构沿深度方向水平位移随时间变化曲线。目前工程中使用最多的是滑移式测斜仪。
（ 3） 围护结构沉降监测。用精密水准仪按常规方法对围护结构关键部位进行沉降监测。
（ 4） 围护结构应力监测。围护结构应力监测就是用钢筋应力计对桩身钢筋和锁口梁钢筋中较大应力断面处应力进行监测， 以防围护结构的结构性破坏。
（ 5） 支撑结构应力监测。支撑结构受力监测就是对锚杆和钢筋混凝土及钢筋内支撑受力状况进行监测。对锚杆施工前应进行锚杆现场拉拔试验， 以求得锚杆容许拉力。施工过程中用锚杆测力计监测锚杆实际受力情况， 对铜管支撑可用压应力传感器或应变计等监测其受力状态变化。
2.2.2周围环境监测。
（ 1） 邻近建筑物沉降和倾斜监测。观测点布置应根据建筑物体积、结构、工程地质条件、开挖方案等因素综合考虑， 一般在建筑物角点、中点及周边设置， 每栋建筑物观测点不少于 8 个， 观测方法和观测精度与一般沉降观测相同。
（ 2） 邻近建筑物裂缝监测。对观测裂缝统一编号， 每条裂缝至少应布设两组（ 两侧各一个标志为一组） 观测标志， 裂缝宽度数据应精确至 0.1mm， 一组在裂缝最宽处， 另一组在裂缝末端进行测绘。
（ 3） 邻近道路、管钱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， 基坑开挖时水平方向影响范围为 1.5倍～2 倍开挖深度， 因此用于水平位移及沉降的控制点一般应设置在基坑边 2.5 倍～3.0 倍开挖距离以外， 水平位移控制点后方向可更远一些。
（ 4） 地下水位测试。一般通过监测井监测， 监测井布置较为随意， 只要设置在止水帷幕以外即可。监测井不必埋设很深， 井底标高一般在常年水位以下 4 m～5 m 即可。
（ 5） 土体分层沉降和水土压力测试。应布置在围护结构体系中受力有代表性的位置， 土体分层沉降和空隙水压力计测孔应紧邻围护桩墙埋设，土压力盒应尽量在施工围护桩墙时埋设在土体与围护桩墙的接触面上。
（ 6） 土体回弹。深大基坑的回弹量对基坑本身和邻近建筑物都有较大影响， 因此需做基坑回弹监测。在基坑中央和距坑底边缘 1/4 坑底宽度处及特征变形点必须设置监测点， 方形、圆形基坑可按单向对称布点， 矩形基坑可按纵横向布点， 复合矩形基坑可多向布点， 地质情况复杂时可适当增加点数。
（ 7） 环境监测。环境监测的范围是基坑开挖 3 倍深度以内的区域， 建筑物以沉降观测为主， 测点应布设在墙角、桩身等部位， 应能充分反映建筑物各部分的不均匀沉降。 2.3基坑工程现场监测的要求。
2.3.1基坑的变形监测。
为监测深基坑工程施工质量与边坡稳定性， 为验证有关基坑工程设计理论与设计参数的准确性提供技术数据。由于变形监测方法简单， 在实际工程中应用最广泛。
2.3.2水平位移的观测方法。
观测水平位移的方法是根据现场条件及观测仪器而定， 常用的方法有方向线法（ 简称照准线法或视准线法） 、三角测量法、导线测量法、前方交会法、小角度法等。
2.3.3基坑监测的要求。
在基坑工程中， 基坑工程的监测应与施工过程密切配合， 根据施工速度， 对监测到内力或变形的绝对值及变化速率进行认真分析， 根据需要调整监测的时间间隔， 必要时进行跟踪检测。应将检测结果及响应的施工工序、工况记录及时提供给施工管理人员。当监测数据超过警戒指标时， 应不失时机地采取相应的技术措施。对重要而复杂地工程， 应选择适当范围进行信息化施工。在施工监测中， 运用反分析方法优化后续施工。在基坑工程中， 确定各监测项目的警戒线和允许值是一项十分严肃的工作。它不仅是设计计算的重要基础， 同时也是确定合理施工流程、保证周围环境安全的主要依据。监测项目的警戒值应根据基坑自身的特点、监测目的、周围环境的要求， 结合当地工程经验并和有关部门协商综合确定。
确定预警值的方法主要有 3 种。
（ 1） 参照相关规范和规程的规定值。我国各地方标准中对基坑工程预警值的规定多为最大允许位移或变形值， 如表 1 是上海市基坑设计规程规定的各级基坑变形的设计和控制值。
（ 2） 经验类比值。经验类比值是根据大量工程实践经验积累而确定的预警值， 如基坑内降水或基坑开挖引起的基坑外水位下降不得超过1 000 mm， 每天发展不得超过 500 mm； 基坑开挖中引起的立柱桩隆起或沉降不得超过 10 mm， 每天发展不得超过 2 mm。
（ 3） 设计预估值。基坑和周围环境的位移与变形值是为了基坑和周围环境的安全需要在设计和监测时严格控制的， 而围护结构和支撑的内力、锚杆拉力等， 则是在满足以上基坑和周围环境的位移与变形控制值的前提下由设计计算得到的， 因此， 围护结构和支撑内力、锚杆拉力等应以设计预估值为确定预警值的依据， 一般将预警值确定为设计允许最大值的 80%。
3. 施工监测方案的优化
工程实践中， 对施工监控量测方案作优化考虑， 对基坑支护动态施工的顺利实现有较大的意义。在对监控量测方案作优化考虑时， 应遵循以下原则： 一是监测项目的选择应有利于对基坑支护的稳定性和周围地层变形的安全性进行全面有效的分析； 二是监测断面及其测点的设置应满足动态施工足够数量的分析断面和测试数据； 三是有利于提高采集数据的精确度， 以提高分析判断的准确性。
3.1监测项目的选项原则。
基坑工程的现场监测主要包括对支护结构的监测、对周围环境的监测和对岩土性状受施工影响而引起变化的监测， 其监测项目如下： 支护结构顶部水平位移监测； 支护结构倾斜监测；支护结构沉降观测；支护结构应力监测； 基坑开挖前应进行支护结构完整性检测； 邻近建筑物的沉降、倾斜和裂缝的发生时间和发展过程的监测； 邻近构筑物、道路、地下管网设施的沉降和变形监测； 对岩土性状受施工影响力引起变化的监测， 包括对表层沉降和水平位移的观测以及深层沉降和倾斜的监测；桩侧土压力测试；基坑开挖后的基底隆起观测； 土层孔隙水压力变化的测试；地下水位监测； 肉眼巡视与裂缝观测。
3.2监测断面及其测点的设置。
设计计算通常都针对某一断面的受力变形状态建立计算过程和公式， 因而对基坑工程的施工采用动态施工与监测技术时， 必然要求设置数量足够的和有代表性的监测断面， 并通过合理布置测点使其可提供数量足够的监测数据。
3.3监测数据的可靠性与精度控制。
影响量测数据的可靠性与精度的因素很多， 其中有的无法避免， 有的则可采取措施予以防止或减小其影响。
3.3.1可靠性控制。
影响监测数据可靠性的主要因素是仪器和人员两个方面， 为确保监测数据的可靠性， 可从 3 个方面入手： 一是监测系统需要采用可靠的仪器，一般而言， 机测试仪器的可靠性高于电测式仪器， 所以如果使用电测式仪器则通常要求具有目标系统或与其他机测式仪器互相校核； 二是应在监测期间内保护好测点； 三是监测人员要具有监测经验和责任心， 当发现量测数据异常时， 应及时进行复测， 开加密量测的次数， 防止虚假数据出现。
3.3.2精度控制。
读数误差有系统误差、仪表读数误差和出错等， 其中系统误差可予以修正， 错误可通过仔细操作和校核防止。以下假设读数误差是由仪表读数误差引起， 以此讨论减小误差的途径。经研究表明， 这类误差的影响程度通常取决于仪表读数误差与量测值的比值， 即相对误差的量值： 量测的绝对值较大时， 由此引起的计算误差将较小， 反之则较大。由此可见对动态施工与监测技术， 主要应注意在位移量或应力值等较大的位置上接受量测信息。
