信息化監(jiān)測技術(shù)在深基坑施工中的應(yīng)用

上海市建設(shè)工程監(jiān)理有限公司 上海 200080

1 基坑監(jiān)測及基坑信息化施工的概念[1]

1.1 基坑監(jiān)測

建筑基坑工程監(jiān)測是在建筑基坑施工及使用階段，對建筑基坑及周邊環(huán)境實(shí)施的檢查、量測和監(jiān)視工作。

基坑監(jiān)測它不僅是一種科學(xué)技術(shù)，也是一種服務(wù)于大眾的方法。工程監(jiān)測是在現(xiàn)實(shí)需求的情況下衍生出來的，工程監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)由數(shù)字化監(jiān)測時(shí)代轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒒O(jiān)測時(shí)代。

1.2 基坑信息化施工

基坑信息化施工就是在基坑開挖期間，根據(jù)大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用理論、經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值反演分析預(yù)測下一步開挖引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土體變形的發(fā)展趨勢，隨時(shí)掌握圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土體的位移情況，及時(shí)通報(bào)施工中出現(xiàn)的問題，為有關(guān)單位研究對策，指導(dǎo)施工提供依據(jù)，確保結(jié)構(gòu)本身及周圍環(huán)境的安全。

由于基坑工程施工環(huán)境復(fù)雜，各類基坑施工大小問題經(jīng)常發(fā)生，特別是深基坑施工，保險(xiǎn)系數(shù)定得再大，現(xiàn)場問題還是防不勝防。近幾年國內(nèi)房建、地鐵基坑坍塌的案例給我們建筑基坑施工敲響了警鐘。因此，在基坑施工期間必須委托有資質(zhì)的第三方進(jìn)行基坑監(jiān)測。

2 建筑基坑監(jiān)測實(shí)例

2.1 工程概況

背景項(xiàng)目位于武漢市武昌區(qū)，總建筑面積為665 586 m2，由1 棟主塔樓、1 棟辦公樓、1 棟公寓和商業(yè)裙房組成。其中主塔樓地上125 層，地下5 層，采用核心筒+巨型柱+外伸臂桁架+腰桁架結(jié)構(gòu)；副樓包括1 棟辦公樓、1 棟公寓和商業(yè)裙房，地下4 層；辦公樓高170 m、39 層，為框架-核心筒結(jié)構(gòu)；公寓高100 m、31 層，為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；商業(yè)裙房高40 m，8 層。

2.2 基坑工程特點(diǎn)

本項(xiàng)目基坑長294 m，寬122 m，基坑面積36 000 m2，土方開挖總量90萬 m3?；又ёo(hù)設(shè)計(jì)為地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土內(nèi)支撐形式，內(nèi)部設(shè)置2 道縱向臨時(shí)隔斷，將整個(gè)大基坑一分為三：Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)，內(nèi)支撐也相應(yīng)分為3 個(gè)獨(dú)立區(qū)，Ⅰ區(qū)共有5 道混凝土支撐及Φ95 m的圓環(huán)支撐Ⅱ、Ⅲ區(qū)共有4 道混凝土支撐，基坑平面布置如圖1。

圖1 基坑平面布置

2.3 土層、水文情況

（a）場地概況，本項(xiàng)目場地自然地面絕對標(biāo)高23.9 m，室內(nèi)±0.00 m相當(dāng)于絕對標(biāo)高24.4 m。

（b）土層情況，施工場地主要地質(zhì)情況由上至下為：雜填土，埋深0～5.6 m；粉質(zhì)黏土夾粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂夾粉質(zhì)黏土，埋深2.8～14.7 m；細(xì)砂，埋深12.4～32.9 m；粉質(zhì)黏土、含礫中細(xì)砂，埋深30～52.6 m；強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、強(qiáng)風(fēng)化細(xì)砂巖，埋深45.4～53.0 m；中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化細(xì)砂巖，埋深39.0～58.4 m；微風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、微風(fēng)化細(xì)砂巖，埋深為41.0～60.4 m。

（c）水文情況，武漢地區(qū)長江、漢江兩岸I級階地第四系砂（卵石）土層孔隙承壓水儲量豐富，含水層頂板為上部黏性土，底板為基巖，含水層厚14～45 m，一般為30 m左右，承壓水實(shí)測水位絕對標(biāo)高一般為17.0～22.0 m，年變幅3～5 m。

據(jù)漢口（武漢關(guān)）水文站實(shí)測資料，長江武漢段最高洪水位為絕對標(biāo)高（以下同）29.73 m，最低枯水位8.87 m，水位升降幅度20.86 m。長江、漢江與其兩岸地下承壓水有較密切的水力聯(lián)系，愈靠近長江、漢江江邊地段，水位互補(bǔ)關(guān)系愈明顯。

2.4 周邊環(huán)境情況

基坑北面為空地，東面為4 棟高層住宅，住宅外墻距離基坑邊約42 m，南面為空地，西面距長江250 m。

2.5 深基坑工程監(jiān)測方法[2-4]

深基坑工程監(jiān)測工作包括2 個(gè)方面：支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測和周圍環(huán)境的監(jiān)測。支護(hù)結(jié)構(gòu)需監(jiān)測墻（坡）頂水平位移和豎向位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移、立柱豎向位移、圍護(hù)墻內(nèi)力、立柱內(nèi)力、土壓力及孔隙水壓力、支撐軸力、錨桿內(nèi)力、地下水位、周邊地表豎向位移、坑底隆起（回彈）等。周圍環(huán)境需監(jiān)測開挖影響范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物、管線、道路和巖土體的沉降、水平位移，地下水位變化、裂縫?；颖O(jiān)測點(diǎn)布置如圖2～圖5。

圖2 Ⅰ區(qū)基坑位移監(jiān)測點(diǎn)平面位置示意

圖3 Ⅱ區(qū)基坑位移監(jiān)測點(diǎn)平面位置示意

圖4 Ⅰ區(qū)基坑支撐軸力和立柱沉降監(jiān)測點(diǎn)平面布置示意

圖5 Ⅱ區(qū)基坑支撐軸力和立柱沉降監(jiān)測點(diǎn)平面布置示意

2.5.1 監(jiān)測等級

綜合考慮本項(xiàng)目基坑安全等級、周邊環(huán)境等級和地基復(fù)雜程度，將本項(xiàng)目基坑監(jiān)測等級定為一級。

2.5.2 監(jiān)測頻率

根據(jù)有關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)文件要求，確定監(jiān)測頻率如下：

（a）監(jiān)測工作開展之前，對其監(jiān)測點(diǎn)觀測2 次，以取得原始資料；

（b）土體開挖階段至基礎(chǔ)底板施工完畢后一周，監(jiān)測頻率1次/d；

（c）支撐拆除階段，局部監(jiān)測頻率1次/d；

（d）基礎(chǔ)底板形成至±0.00 m，監(jiān)測頻率為1次/3 d。

2.5.3 監(jiān)測項(xiàng)目及測點(diǎn)數(shù)量

根據(jù)基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)及專家論證意見，本項(xiàng)目確定的監(jiān)測項(xiàng)目及測點(diǎn)數(shù)量如表1所示。

表1 監(jiān)測內(nèi)容匯總表

2.5.4 監(jiān)測儀器的要求

由于工程工期長，技術(shù)性要求高，需要大量準(zhǔn)確的原始記錄作分析。因此，建設(shè)單位委托具有監(jiān)測資質(zhì)的第三方進(jìn)行監(jiān)測，使用以下監(jiān)測設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。

（a）垂直位移觀測使用徠卡NA2精密水準(zhǔn)儀，精度±0.3 mm/km，觀測方法為環(huán)線閉合法，按2級建筑變形監(jiān)測要求施測；

（b）水平位移觀測采用電子經(jīng)緯儀，儀器精度2''，測試方法為視準(zhǔn)線小角度法；

（c）深層水平位移觀測采用伺服式數(shù)字自動記錄測斜儀，測試精度≤±1 mm；

（d）水位觀測采用電感應(yīng)水位測試儀，測試精度±1 cm；

（e）應(yīng)力傳感器采用VW-1振弦讀數(shù)儀測量，測量精度為滿量程的1％；

（f）分層沉降采用磁感式分層沉降儀，測量精度為1 mm；

（g）基坑測斜采用CX-3測斜儀，測量精度為1 mm。

保證所有監(jiān)測設(shè)備和儀器經(jīng)過校準(zhǔn)并在有效期內(nèi)。監(jiān)測過程中，如無特殊情況，確保使用同一臺儀器、同一臺班測量人員、同一條測量路線來完成測量，減少人為操作誤差。

2.5.5 監(jiān)測程序

（a）編制監(jiān)測方案。

（b）各有關(guān)單位審查監(jiān)測方案，監(jiān)理單位對監(jiān)測方案提出的審查意見：

土體深層水平位移監(jiān)測孔“埋設(shè)深度40 m”描述無針對性，其孔底標(biāo)高應(yīng)根據(jù)施工圖紙中測點(diǎn)對應(yīng)位置地下連續(xù)墻配筋段底標(biāo)高確定；監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)過程中應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，確保監(jiān)測點(diǎn)成活率滿足規(guī)范要求，同時(shí)基坑工程實(shí)施過程中，應(yīng)采取措施對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行警示和保護(hù)，并確保其正常工作。如基坑實(shí)施過程中測點(diǎn)被破壞，應(yīng)及時(shí)通知設(shè)計(jì)單位，以及時(shí)采取彌補(bǔ)措施；應(yīng)每天向監(jiān)理、建設(shè)單位提交書面監(jiān)測報(bào)表，監(jiān)測報(bào)表上應(yīng)注明對應(yīng)的施工工況及監(jiān)測布點(diǎn)平面、剖面分布圖等施工、監(jiān)測信息，便于分析監(jiān)測結(jié)果所反映的實(shí)際情況，監(jiān)測數(shù)據(jù)如達(dá)到或超過報(bào)警值應(yīng)及時(shí)通報(bào)有關(guān)各方，以便盡快采取有效措施保證基坑安全。

（c）監(jiān)測單位修改完善監(jiān)測方案。

（d）根據(jù)監(jiān)測方案組織人員、設(shè)備、儀器進(jìn)場。

（e）根據(jù)監(jiān)測方案進(jìn)行監(jiān)測（包括基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置、埋設(shè)變形測點(diǎn)及應(yīng)力測點(diǎn)、監(jiān)測）。

2.6 報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，應(yīng)立即進(jìn)行危險(xiǎn)報(bào)警。

（a）圍護(hù)體頂部水平、垂直位移，立柱水平與垂直位移：大于±2 mm/d或累計(jì)大于±25 mm；

（b）圍護(hù)體深層水平位移：大于±2 mm/d或累計(jì)大于±40 mm；

（c）支撐軸力報(bào)警值如表2；

表2 支撐軸力監(jiān)測報(bào)警值

（d）坑底回彈大于±2 mm/d或累計(jì)大于±25 mm；

（e）地下連續(xù)墻鋼筋應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)值的80％；

（f）坑外水位下降達(dá)到3 0 0 m m/d或累計(jì)達(dá)1 000 mm；

（g）坑外地表垂直位移大于±3 mm/d或累計(jì)大于±30 mm；

（h）土體深層水平位移大于±3 mm/d或累計(jì)大于±40 mm；

（i）土體分層沉降大于±5 mm/d或累計(jì)大于±50 mm；

（j）肉眼巡視發(fā)現(xiàn)的各種危險(xiǎn)現(xiàn)象，如壓頂梁、支撐梁上出現(xiàn)裂縫，鄰近地面及建筑物的裂縫寬度不斷擴(kuò)大，基坑滲漏和管涌等。

若測試值達(dá)到上述界限須及時(shí)報(bào)警（報(bào)警值經(jīng)過建設(shè)、監(jiān)理、施工及設(shè)計(jì)單位審核），以引起各有關(guān)方面重視，施工單位應(yīng)會同各方進(jìn)行分析，并采取控制位移及沉降的措施。

2.7 基坑施工、監(jiān)測信息反饋及報(bào)警情況處理[5-7]

2.7.1 土方開挖原則

本工程土方量90 萬m3，為確保土方順利施工，制定以下原則：（a）合理安排土方施工流程，確?；影踩脑瓌t；（b）精心組織施工，保證機(jī)械、設(shè)備投入，確保土方施工工期的原則；

（c）制定有效保護(hù)措施、加強(qiáng)監(jiān)測，確保周邊地下管道及設(shè)施的安全；

（d）加強(qiáng)開挖、運(yùn)輸管理，制定安全文明施工措施，確保安全文明施工達(dá)標(biāo)的原則。

2.7.2 土方開挖技術(shù)要求

（a）遵循“分層、分段、對稱、平衡”的原則挖土，且每層土方都分塊開挖，減小單邊開挖斷面，并盡量減少基坑無支撐的暴露時(shí)間，使土壓力均勻且逐步地釋放，做到隨挖隨撐，嚴(yán)格控制基坑變形，以保證基坑在安全條件下進(jìn)行施工作業(yè)。

（b）每道支撐完成，且結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后方可開挖支撐下一層土方。

（c）支撐結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，沿環(huán)形支撐呈放射狀向外側(cè)開挖。立柱密集區(qū)域的土方，開挖在凈高較低的部分。

（d）人工配合機(jī)械清除包裹構(gòu)件的土方，嚴(yán)禁各類機(jī)械碰撞支撐體系。

2.7.3 基坑監(jiān)測

第三方監(jiān)測單位按監(jiān)測方案從2012年10月14日開始對基坑進(jìn)行監(jiān)測，測試后，監(jiān)測工程師及時(shí)錄入當(dāng)次監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)填寫在專用的表格上，監(jiān)測的內(nèi)容記錄：初始值、本次變化量、累計(jì)變化量，用圖表方式定量標(biāo)示，并分析當(dāng)次監(jiān)測數(shù)據(jù)。將監(jiān)測結(jié)果和評價(jià)及時(shí)向委托方及相關(guān)單位作信息反饋。

2.7.4 監(jiān)測報(bào)警數(shù)據(jù)分析處理

監(jiān)理單位對照基坑檢測圖，結(jié)合報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，認(rèn)為原因?yàn)椋?/p>

報(bào)警部位處在地下連續(xù)墻中間部位，該部位無角撐，支撐體系相對薄弱；同時(shí)第3道支撐體系未封閉。監(jiān)理提出措施：暫停土方開挖；組織坑外降水；成立專門的巡查組，檢查明顯的墻體裂縫、支撐開裂變形；增加監(jiān)測頻率；一旦變形繼續(xù)擴(kuò)展，立即啟動應(yīng)急預(yù)案。

根據(jù)上述意見，施工單位暫緩了第4層土方的開挖，待第3道支撐混凝土強(qiáng)度全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求后再進(jìn)行第4層土方的開挖。

Ⅰ區(qū)第6層土方整體挖運(yùn)至2013年10月10日結(jié)束，基礎(chǔ)底板混凝土施工于2013年12月底完成， 2014年1月已進(jìn)入地下室結(jié)構(gòu)施工；Ⅱ區(qū)第5層土方整體挖運(yùn)至2014年3月17日結(jié)束。基礎(chǔ)底板混凝土施工于2014年4月底完成，之后進(jìn)入地下室結(jié)構(gòu)施工。

3 結(jié)語

隨著基坑開挖深度的增加，土體應(yīng)力不斷增加，地下連續(xù)墻向基坑內(nèi)位移，基坑角部的地下連續(xù)墻位移相對較小，基坑每條邊中間部位的地下連續(xù)墻位移相對較大。

建議采取的設(shè)計(jì)措施：若支撐的設(shè)計(jì)平面布置為幾何可變體系，需增加部分豎向斜撐，使支撐的設(shè)計(jì)平面布置變成幾何不變體系。

土方開挖時(shí)保證圓環(huán)（對）撐均衡受力；土方開挖后應(yīng)及時(shí)施工鋼筋混凝土支撐，使支撐整體受力。

支撐的混凝土強(qiáng)度等級須達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度等級，如工期需要可將設(shè)計(jì)的混凝土強(qiáng)度等級適當(dāng)提高。通過本深基坑的信息化監(jiān)測表明，按規(guī)范及設(shè)計(jì)要求建立深基坑的工程監(jiān)測系統(tǒng)，在基坑施工期間進(jìn)行監(jiān)測，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)基坑變形情況，施工單位根據(jù)監(jiān)測信息報(bào)告，有針對性地調(diào)整施工組織，指導(dǎo)深基坑后續(xù)施工，保證了基坑安全，是信息化監(jiān)測技術(shù)指導(dǎo)深基坑施工的成功案例。