自主研發(fā)的地下水位監(jiān)測設(shè)備在基坑監(jiān)測中的應(yīng)用

王佳卿，史曉忠，祝啟祥，張 俊

（無錫市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇無錫 214000）

0 引言

伴隨與工業(yè)工程技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的不斷上升，我國大多數(shù)復(fù)雜深大基坑工程在施工中已采用自動(dòng)化連續(xù)監(jiān)測手段[1]。較之傳統(tǒng)的人工監(jiān)測，其一體化的管理系統(tǒng)能夠更加便捷、快速、準(zhǔn)確地對沉降、墻身應(yīng)力、水與土壓力，以及支撐軸力等實(shí)施監(jiān)測，并能通過監(jiān)測數(shù)據(jù)在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并解決可能存在的問題，確保工程安全性。

近年來，隨著建設(shè)領(lǐng)域向地下的不斷發(fā)展，樁基工程、深大基坑的不斷出現(xiàn)，需要對影響樁基工程、基坑開挖的地下水壓力有很好的掌握[2]。首先是在前期勘察設(shè)計(jì)階段，需要了解土層的地下水壓力。地下水壓力的差異影響到設(shè)計(jì)方案的選擇，不同的設(shè)計(jì)方案對項(xiàng)目的安全和造價(jià)影響極大，若地下水壓力考慮不周全，極易產(chǎn)生安全事故；若地下水壓力有誤，可能造成極大的工程浪費(fèi)。其次，在基坑開挖、施工階段，需要隨時(shí)掌握地下水壓力的變化情況，根據(jù)地下水壓力的不同，采取不同的施工措施，或者需要降水施工、或者需要回灌地下水。此外，在預(yù)制樁施工過程中，有時(shí)也需要監(jiān)測地下水壓力，若地下水壓力過大，容易產(chǎn)生基樁的傾斜、折斷，地面的隆起，土層結(jié)構(gòu)的破壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響周邊的建構(gòu)筑物和地下管線的安全[3]。

目前，對地下水壓力的測量主要還是通過現(xiàn)場鉆孔，設(shè)置水位觀測井的方法來實(shí)現(xiàn)。盡管有各種不同的方法測量地下水位，但都比較費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，同時(shí)在施工中的誤差比較大，不能掌握實(shí)時(shí)的地下水壓力變化情況；同時(shí)由于水位觀測井設(shè)置在施工現(xiàn)場，井口不能封堵，因此容易受到施工破壞，現(xiàn)場保護(hù)難度較大。當(dāng)?shù)叵滤畨毫ΡO(jiān)測完成，在對水位觀測井進(jìn)行填埋和封堵時(shí)難度較大；同時(shí)容易對地下水產(chǎn)生污染。

1 地下水位監(jiān)測設(shè)備的研發(fā)

為了能簡單方便地測量和監(jiān)測地下水位的變化，筆者與同事，以及上海深爾科科技有限公司共同研發(fā)和生產(chǎn)了一套地下水位監(jiān)測設(shè)備。

整套設(shè)備包括水壓探頭、探頭進(jìn)水裝置、探頭保護(hù)裝置、探頭貫入裝置、無線發(fā)射裝置、計(jì)算機(jī)（數(shù)據(jù)接受）、數(shù)據(jù)處理軟件等。所述水壓探頭主要為水壓力傳感器及相關(guān)輔件；所述探頭進(jìn)水裝置主要是為了地下水能便捷的進(jìn)入探頭，被水壓探頭感知；所述探頭保護(hù)裝置是為了保護(hù)探頭在貫入土中時(shí)不破壞和堵塞探頭進(jìn)水裝置，水壓探頭內(nèi)置其中，其一端貫入土中，另一端與探頭貫入裝置相連；探頭貫入裝置是為了將探頭置于土層某一深度的輔助裝置，在探頭貫入預(yù)定深度后可撤除；無線發(fā)射裝置是將水壓力傳感器探測的水壓力數(shù)據(jù)通過無線信號發(fā)送出去；計(jì)算機(jī)是接受信號、保存分析數(shù)據(jù)需要，數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)對接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析并形成圖像曲線（見圖1～ 圖 4）。

圖1 探頭剖面圖

圖2 探頭和計(jì)算機(jī)實(shí)景

圖3 軟件系統(tǒng)界面圖示

圖4 工作裝置示意圖

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該套設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）體積小，運(yùn)輸簡便，施工便利。傳統(tǒng)的地下水壓力的測量主要還是通過現(xiàn)場鉆孔，而成孔的設(shè)備一般為鉆機(jī)。鉆機(jī)體積龐大，零配件繁多，運(yùn)輸麻煩，而且鉆機(jī)的施工對現(xiàn)場的平面場地條件、空中障礙條件也有很高的要求，如高壓線下、樹林、狹窄的背街小巷內(nèi)，鉆機(jī)根本無法施展。而新型地下水壓力測量儀的最大組成部分就是貫入設(shè)備，而貫入設(shè)備可使用靜探設(shè)備，體積小，能在狹小的空間內(nèi)展開工作。

（2）成孔速度快，一次成孔，不易廢孔。傳統(tǒng)的鉆機(jī)成孔速度緩慢不說，而且極易發(fā)生塌孔、隔水做得不好引起漏水等事故，導(dǎo)致廢孔。而新型地下水壓力測量儀只需將水壓探頭貫入到指定的深度即可進(jìn)行水壓測量，從而反推水頭的高度。成孔孔徑小、速度快，隔水效果好。

（3）成果數(shù)據(jù)精確可靠。傳統(tǒng)的地下水壓力的測量主要還是通過現(xiàn)場鉆機(jī)成孔后手工測量地下水壓力，這里有兩個(gè)問題：a.一旦隔水措施做得不好，上層的地下水滲漏，測量得到的該層地下水壓力數(shù)據(jù)就不準(zhǔn)確；b.手工測量無法得到連續(xù)的地下水壓力的變化情況，數(shù)據(jù)成果誤差較大。而新型地下水壓力測量儀只需將水壓探頭貫入到指定的深度即可進(jìn)行水壓測量，利用上層粘性土自動(dòng)隔水，而水壓探頭是由精密電子元器件組成，再細(xì)微的水壓變化都能感應(yīng)出來。

（4）觀測點(diǎn)宜保存，成果記錄處理自動(dòng)化。水位觀測井都是設(shè)置在施工現(xiàn)場的，傳統(tǒng)的觀測孔容易受到施工破壞，現(xiàn)場保護(hù)難度較大。而使用新型地下水壓力測量儀一次觀測地下水壓力完成后，只需將探頭和貫入裝置脫開，將無線發(fā)射裝置做適當(dāng)防護(hù)，下次觀測時(shí)只需在探頭附近通過人工干預(yù)發(fā)射裝置發(fā)射數(shù)據(jù)，10 m范圍內(nèi)均可通過計(jì)算機(jī)直接采集數(shù)據(jù)。即使觀測孔位置被其他雜物所覆蓋也不影響數(shù)據(jù)的采集。

（5）現(xiàn)場恢復(fù)操作簡單。傳統(tǒng)的水位觀測孔使用結(jié)束后，需用鉆機(jī)灌入粘土或混凝土等其他材料封孔回填，操作繁瑣成本高，且對地下水有一定的污染。而使用新型地下水壓力監(jiān)測儀觀測地下水壓力完成后，由于觀測孔孔徑很小，只需將水壓探頭拔出即可，且水壓探頭可反復(fù)使用，成本低廉，經(jīng)濟(jì)效益高。

（6）數(shù)據(jù)記錄與整理全部自動(dòng)化，無需人工記錄數(shù)據(jù)，減小人為誤差的發(fā)生概率，同時(shí)可根據(jù)工程實(shí)際需要情況生成不同的水壓力變化曲線，主要包括水壓力與深度的關(guān)系曲線、水壓力隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線、水壓力變化速率與時(shí)間的關(guān)系曲線等。

2 工程實(shí)例

無錫世界貿(mào)易中心位于無錫市南長區(qū)，太湖大道隧道與清揚(yáng)路交叉口的東南角，被稱為無錫市南長區(qū)太湖廣場文化商務(wù)核心圈的地標(biāo)性龍頭項(xiàng)目。該項(xiàng)目為辦公綜合樓，基坑呈多邊形，總體來說，東西長約200m，南北寬約140m，周長約690m，整體開挖深度約為10 m左右，主樓高為15 m，該基坑周圍緊靠原有各類建筑，最近距離約12.0 m左右。為了了解在基坑開挖過程中，基坑的安全情況（如發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)能及時(shí)采取應(yīng)急措施），鑒于基坑及周邊原有建筑的的安全，受甲方委托，無錫市政設(shè)計(jì)研究院有限公司為該工程進(jìn)行水平位移、垂直位移、坑外水位、土體測斜、周邊建筑物沉降等項(xiàng)目的安全監(jiān)測。

根據(jù)地下水賦存條件，該場地在勘察深度內(nèi)地下水類型主要為松散巖類孔隙水，具體包括：全新統(tǒng)潛水層（二）、全新統(tǒng)微承壓水（三）、上更新統(tǒng)承壓水（三）。

2.1 全新統(tǒng)潛水含水層（二）

潛水含水層（二）主要由表土層（①1層雜填土）組成，全場分布，厚度一般為0.4～2.0 m。由于結(jié)構(gòu)較松散、存在孔隙，成為地下水的賦存空間，其透水性不均勻。該層地下水埋深隨地形及地貌等因素的控制具有一定的變化。其補(bǔ)給來源主要為大氣降水及周圍湖（河）水體補(bǔ)給。其排泄方式主要以地面蒸發(fā)、植物的蒸騰及向周圍湖（河）水網(wǎng)的逕流為主。局部（例如在較深的老河道處）與下部的弱承壓水（三）具水力聯(lián)系。其下部為不透水層：③1粘土層。勘察期間，實(shí)測潛水初見水位埋深0.90～1.60 m、平均1.14 m；標(biāo)高2.82～3.77 m、平均3.32 m。穩(wěn)定水位：埋深1.00～1.60 m、平均1.48 m；標(biāo)高2.32～3.48 m、平均2.99 m。無錫地區(qū)降雨主要集中在6～9月份，在此期間，地下水位一般最高，旱季在12月份至翌年3月份，在此期間地下水位一般最低，年水位變幅在1.0 m左右。

2.2 全新統(tǒng)微承壓含水層（三）

該含水層由③3層粉土夾粉質(zhì)粘土組成，評述如下：

該層土整個(gè)場地均有分布，富水性中等。頂板埋深一般在9.60～12.60 m，標(biāo)高-8.03～-5.19 m，層厚0.40～3.00 m。其補(bǔ)給來源主要為上部潛水的垂直入滲及周圍河（湖）水網(wǎng)的側(cè)向補(bǔ)給、鄰區(qū)的側(cè)向補(bǔ)給。其排泄方式主要以向周圍河（湖）水網(wǎng)的側(cè)向逕流或?qū)ι顚拥叵滤脑搅鳛橹?。地下水位受河水位及季?jié)性降水控制，上、下普遍分布隔水層，分別為③1層粘土、⑥1層粘土，因此具微承壓性。該含水層在勘察期間地下水位埋深1.90～2.80m、平均2.40m，標(biāo)高1.91～2.08m、平均1.98m。由于該工程基坑整體挖深10 m，局部15 m，故該含水層對基坑施工影響較大。

2.3 上更新統(tǒng)承壓含水層（三）

該含水層主要由⑥3層粉土和⑦2層粉土組成，水量一般。其補(bǔ)給來源主要為側(cè)向徑流補(bǔ)給，其排泄方式主要為側(cè)向徑流及對深層地下水的越流補(bǔ)給為主。

3 地下水水位動(dòng)態(tài)分析

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料及該項(xiàng)工程勘察結(jié)果，現(xiàn)分析如下：

潛水（二），地下水位主要受地形地貌、短期氣象條件等因素的控制，具有較大的變化，極端情況下地下水位最高可與地表一致，最低可能無地下水。

全新統(tǒng)微承壓水（三），地下水位與地形地貌、短期氣象條件有一定的聯(lián)系，具有一定的變化?？傮w而言，地下水位隨著梅雨期和臺汛期的到來而升高，隨著梅雨期和臺汛期的離去而降低，稍有滯后。該層地下水位年變幅一般在1.0 m左右。

上更新統(tǒng)承壓水（三），地下水位在天然條件下變化較小，該層地下水位年變幅一般在1.0m左右。

綜合上述條件，以及現(xiàn)場實(shí)地的情況，該項(xiàng)工程坑外水位監(jiān)測主要需要監(jiān)控③3層粉土夾粉質(zhì)粘土中的水位的變化。

圖5為現(xiàn)場測試孔數(shù)據(jù)采集成果圖，當(dāng)探頭下行至地表下10 m后打開設(shè)備，開始測量，其中，孔口標(biāo)高為自行輸入，鉆孔速度為靜力觸探機(jī)自行控制，該項(xiàng)測試設(shè)置為1 m/min，采集頻率為1 s/次，即為0.04 m/點(diǎn)。根據(jù)采集數(shù)據(jù)顯示，探頭測得的實(shí)時(shí)水位標(biāo)高為1.91～2.05 m，與地勘報(bào)告的成果相吻合，表明，該儀器設(shè)備工作狀況良好。

圖5 地下水位監(jiān)測成果圖

表1為無錫世貿(mào)中心，深基坑圍護(hù)工程水位監(jiān)測報(bào)表。

由表1可知，經(jīng)過該項(xiàng)目的實(shí)際驗(yàn)證，該地下水位自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)是可靠有效的，能夠大幅地提高監(jiān)測的精度和自動(dòng)化程度，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。該項(xiàng)測試工作所采用的先進(jìn)監(jiān)測方法及技術(shù)，能及時(shí)提供基坑變形變化情況，對基坑的安全施工，提供有力的保障。

表1 無錫世貿(mào)中心深基坑圍護(hù)工程水位監(jiān)測報(bào)表

[1]黃永進(jìn).50 m超深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測方法研究及實(shí)施 [D].上海：同濟(jì)大學(xué),2003.

[2]岳菊紅.深基坑監(jiān)測項(xiàng)目的內(nèi)容及其特點(diǎn)[J].中州煤炭,2003,(3)：37-38.

[3]黃立人.深基坑施工中的變形監(jiān)測[J].測繪工程,1997,(3)：7-13.