深基坑支护施工监测.doc

摘要 通过对基坑周围建筑物的沉降监测，研究深基坑开挖对周围建筑物的影响，对深基坑施工监测的特点、内容及监测设施，并重点对施工过程的监测方案进行了详细论述。引言随着国家城市化快速发展，为了尽可能有效地利用有限的城市土地资源，城市中高层和超高层建筑迅速发展，建筑物的基础越来越深。与此同时，城市地铁工程的大规模建设，也出现了大量的深基坑工程。深基坑的开挖很可能引发的基坑周边地表变形，影响相邻建筑，给人民生命和国家财产造成极大危害。需要加强基坑监测，保障基坑顺利施工、减小对周围环境的影响。1深基坑工程和基坑监测1.1深基坑工程1.1.1深基坑工程的现状近年来，随着高层建筑的兴起与普及，深基坑工程越来越多。进入二十世纪90年代，我国的高层建筑迅猛发展，同时各地还兴建了许多大型地下市政设施、地下商场、地铁车站等,导致多层地下室逐渐增多，基坑开挖深度超过10m的比比皆是，甚至超过30m深。在实际工程中基坑支护结构除满足强度要求外，还应控制其变形，基坑的设计也应从传统的强度控制转变为变形控制，以免对周边环境造成破坏。城市的地铁车站深基坑和其它的地下工程一般都处在在密集的建筑群中，施工场地十分狭窄，有些工程的基础就紧挨着相邻建筑物或者构筑物的基础，在这种环境中来进行深基坑的施工，必然引起基坑四周地面与原有建筑物的沉降变形，从而引发基坑安全问题。基坑事故一般表现为支护结构位移过大、基坑周边的道路开裂或者塌陷、基坑周围的地下管网线路因位移过大而破坏、相邻的周边建筑因不均匀沉降等原因而开裂甚至倒塌等等。造成这些事故的主要原因已不再是支护构件的强度破坏，而是因为支护结构的变形过大。虽然近年来很多学者和工程技术人员已经在基坑工程设计的变形控制方面作了很多研究，但在寻找基坑开挖过程中有关基坑支护结构变形和近临建筑变形两者之间关系的规律方面仍然存在很多要解决的问题。1.1.2深基坑工程的特点（1）深基坑工程具有很强的区域性岩土工程区域性强，岩土工程中的深基坑工程，区域性更强。如黄土地基、膨胀土地基、砂土地基、软粘土地基等工程地质和水文地质条件不同的地基中，基坑工程差异性很大。即使是同一城市不同区域也有差异。因此，深基坑开挖要因地制宜，根据本地具体情况，具体问题具体分析，而不能简单地完全照搬外地的经验。（2）深基坑工程具有很强的个性深基坑工程不仅与当地的工程地质条件和水文地质条件有关，还与基坑相邻建筑物、构筑物及市政地下管网的位臵、抵御变形的能力、重要性以及周围场地条件有关。因此，对深基坑工程进行分类，对支护结构允许变形规定统一的标准是比较困难的，应结合地区具体情况具体运用。（3）深基坑工程具有较强的时空效应深基坑的深度和平面形状，对深基坑的稳定性和变形有较大影响。在深基坑设计中，要注意深基坑工程的空间效应。土体蠕变体，特别是软粘土，具有较强的蠕变性。作用在支护结构上的土压力随时间变化，蠕变将使土体强度降低，使土坡稳定性减小，故基坑开挖时应注意其时空效应。（4）深基坑工程具有较强的环境效应深基坑工程的开挖，必将引起周围地基中地下水位变化和应力场的改变，导致周围地基土体的变形，对相邻建筑物、构筑物及市政地下管网产生影响。影响严重的将危及相邻建筑物、构筑物及市政地下管网的安全与正常使用。大量土方运输也对交通产生影响。所以应注意其环境效应。（5）深基坑工程具有较大工程量及较紧工期由于深基坑开挖深度一般较大，工程量比浅基坑增加很多。抓紧施工工期，不仅是施工管理上的要求，它对减小基坑变形，减小基坑周围环境的变形也具有特别的意义。（6）深基坑工程具有较大的风险性深基坑工程是个临时工程，安全储备相对较小，因此风险性较大。由于深基坑工程技术复杂，涉及范围广，事故频繁，因此在施工过程中应进行监测，并应具备应急措施。深基坑工程造价较高，但有时临时性工程，一般不愿投入较多资金，一旦出现事故，造成的经济损失和社会影响往往十分严重。（7）深基坑工程具有较高的事故率深基坑工程施工周期长，从开挖到完成地面以下的全部隐蔽工程，常常经历多次降雨、周边堆载、振动等许多不利条件，安全度的随机性较大，事故的发生往往具有突发性。1.1.3深基坑工程存在的问题基坑支护工程的设计与施工,既要保证整个支护结构在施工过程中的安全,又要控制结构和周围土体的变形，以保证周围环境(相邻建筑物和地下公共设施等)的安全。因此，如何确保基坑工程的安全可靠、经济合理、实用可行是当前现代化城市建设中一个非常重要和迫切的问题。特别是在21世纪，随着超大基坑工程的要求越来越高，随之出现的问题也越来越多。下面就深基坑工程存在的几个问题进行讨论：（1）设计阶段存在的问题基坑工程结构选型不合理分析众多深基坑支护工程事故发生的原因，其中最主要的还是基坑工程结构选型不合理，考虑的因素不够全面。基坑支护及撑锚方法较多，为达到同一目的，可以有多种方法，而每一种方法都有其独特的优点，有的速度快,有的投资少，有的噪音小等。基坑工程结构设计土压力的确定基坑支护结构设计计算包括外力（土压力及地基超载）和支护结构内力（弯矩和剪力）、支撑体系的设计计算、基坑整体稳定性和局部稳定性、地基承载力、支护结构顶部位移、结构和地面的变形以及软弱土层的局部加固、对相邻建筑的影响等诸方面的计算。目前的支护结构设计中,一般都以古典的库伦公式或朗肯公式作为计算土压力的基本公式。土压力大小及分布规律的研究是一项极为复杂的课题，它与支护结构的形式、刚度、土的性状、地下水状况等因素有关，现有库仑和朗肯理论均存在一定的局限性。（2）施工阶段存在的问题深基坑工程数量、规模、分布急剧增加，导致深基坑施工技术以及在施工过程中现场监测技术等还有待尽快提高，而且施工管理不力，施工资质限制不严，所以在施工中暴露出来许多问题值得注意。搞好基坑挖土还需要施工、业主、设计及监测各方面配合和协作。基坑施工中地下水的处理不当基坑施工中，地下水的处理是一个难点，因土质与地下水位的差异，基坑开挖施工的方法也随之不同，尤其是在沿海等高水位地区或者表层滞水很丰富的地区，深基坑工程施工中地下水的处理基本是整个工程成败的关键。所以，在很多失败的深基坑工程中，有很多是因为基坑施工中地下水的降排水没有处理好，排水主要解决上部土层的滞水和降雨积水的疏排，降水包括采用轻型井点、喷射井点和深井井点降水等。降低地下水位可能引起地面沉降，将对环境造成不良影响，尤以深井降水影响最大，会造成基坑周围地表和建筑物沉降增大。信息化施工的程度不高由于深基坑工程的地质条件复杂多变，加之特殊的受力特点，使其在工程设计阶段的预估值与其在施工过程中的实际值存在一定的差异.。因此，深基坑工程的安全不仅取决于合理的设计、施工，而且取决于贯穿在工程设计、施工全过程的安全监测.安全监测是深基坑工程安全的重要保证条件之一，基坑监测与工程的设计、施工也被称为深基坑工程施工的三大基本要素。基坑工程在发生事故前或多或少都有预兆，因为基坑工程支护结构的破坏要经历一个由量变到质变的过程，通过信息化施工可以不断优化设计方案，确保基坑开挖安全可靠而又经济合理.基坑信息化施工是指将所采集的信息，经过处理后与预测结果比较，通过反分析推求较符合实际的土质参数，并利用所推求的土质参数再次预测下一施工阶段围护结构及土体的性状，又采集下一施工阶段的相应信息。如此反复循环，不断采集信息，不断修改设计并指导施工，将设计臵于动态过程中.通过分析预测指导施工，通过施工信息反馈设计，使设计及施工逐渐逼近实际从而排除险情，实现最佳工程。这是一项很有发展前途的新技术，具有代价小成效大的优点，目前在一些工程中已初步应用。目前仍没有进入普及阶段关键是如下两个原因：一是专家匮乏；二是反馈信息速度慢。但是随着计算机技术进步和科技的发展，这些问题一定会迎刃而解。1.1.4深基坑工程的发展趋势可以预见，随着人类和经济的发展，地面的资源空间会越来越紧张，地下空间资源的开发与利用是大势所趋。科学家预言，21世纪是“地下空间”的世纪，21世纪末将有1/3的人口穴居地下。城市建设“向地下索取空间”是城市可持续发展的必由之路。地下空间的开发，必然会遇见深基坑工程，由此可见，今后会有越来越多的深基坑工程。正如上文所说深基坑工程还存在许多问题，对深基坑的施工技术还不成熟，这就要求我们不断地加大对深基坑工程的研究，不断的积累对深基坑施工的经验。同时也要加大对深基坑的监测，及时地把监测数据反馈于施工方，指导施工方施工。1.2基坑监测1.2.1基坑监测的重要性和意义（1）监测的定义所谓基坑监测是指在基坑开挖施工过程中，借助仪器设备和其它一些手段对围护结构、周围环境（土体、建筑物、构筑物、道路、地下管线等）的应力、位移、倾斜、沉降、开裂及对地下水位的动态变化、土层孔隙水压力变化等进行综合监测。（2）基坑监测的重要性和意义深基坑开挖工程往往在建筑密集的市中心，施工场地四周有建筑物和地下管线，基坑开挖所引起的土体变形将在一定程度上改变这些建筑物和地下管线的正常状态，当土体变形过大时，会造成邻近结构和设施的失效或破坏。同时，基坑相邻的建筑物又相当于较重的集中荷载，基坑周围的管线常引起地表水的渗漏，这些因素又是导致土体变形加剧的原因。因此，在深基坑施工过程中，只有对基坑支护结构、基坑周围的土体和相邻的构筑物进行全面、系统的监测，才能对基坑工程的安全性和对周围环境的影响程度有全面的了解，以确保工程的顺利进行，在出现异常情况时及时反馈，并采取必要的工程应急措施，甚至调整施工工艺或修改设计参数。检验设计假设和参数的正确性，指导基坑开挖和支护结构的施工。基坑支护结构设计尚处于半理论半经验的状态，因此，在施工过程中需要知道现场实际的受力和变形情况。验证原设计和施工方案正确性，同时可对基坑开挖到下一个施工工况时的受力和变形的数值和趋势进行预测，并根据受力和变形实测和预测结果与设计时采用的值进行比较，必要时对设计方案和施工工艺进行修正。确保基坑支护结构和相邻建筑物的安全。在深基坑开挖与支护结构施工过程中，必须避免产生过大变形而引起邻近建筑物的倾斜或开裂，防止邻近管线的渗漏等。在工程实际中，基坑在破坏前，往往会在基坑侧向的不同部位上出现较大的变形，或变形速率明显增大。因此，基坑开挖过程中进行周密的监测，在建筑物和管线的变形在正常的范围内时可保证基坑的顺利施工；在建筑物和管线的变形接近警戒值时，可以及时采取对建筑物和管线本体进行保护的技术应急措施，在很大程度上避免或减轻破坏的后果。积累工程经验，为提高基坑工程的设计和施工的整体水平提供依据。现行设计分析理论尚未完全成熟。现场监测不仅确保了本基坑工程的安全，在某种意义上也是一次现场原位实体试验，所取得的数据是结构和土层在工程施工过程中真实反应，是各种复杂因素影响和作用下基坑系统的综合体现，因而也为该领域的科学和技术发展积累了第一手资料。1.2.3深基坑施工监测的特点 （1）时效性 普通工程测量一般没有明显的时间效应。基坑监测通常是配合降水和土方开挖过程，有鲜明的时间性，测量结果是动态变化的。深基坑施工中监测需随时进行，在测量对象变化快的关键时期，可能每天需进行数次。基坑监测的时效性要求对应的方法和设备具有采集数据快、全天候工作的能力，甚至适应夜晚或大雾天气等严酷的环境条件。（2）高精度 普通工程测量中误差限值通常在数毫米，例如60m以下建筑物在测站上测定的高差中误差限值为2.5mm，而正常情况下基坑施工中的环境变形速率可能在0.1mm/d以下，要测到这样的变形精度，普通测量方法和仪器是不能胜任的，因此基坑施工中的测量通常采用一些特殊的高精度仪器。（3）等精度 基坑施工中的监测通常只要求测得相对变化值，而不要求测量绝对值。例如，普通测量要求将建筑物在地面定位，这是一个绝对量坐标及高程的测量，而在基坑边壁变形测量中，只要求测定边壁相对于原来基准位置的位移即可，而边壁原来的位置（坐标及高程）可能完全不需要知道。 因此，基坑监测要求尽可能做到等精度。使用相同的仪器，在相同的位置上，由同一观测者按同一方案施测。1.3基坑支护监测内容 基坑支护监测一般需要进行下列项目的测量： （1）监控点高程和平面位移的测量；（2）支护结构和被支护土体的侧向位移测量；（3）基坑坑底隆起测量；（4）支护结构内外土压力测量；（5）支护结构内外孔隙水压力测量；（6）支护结构的内力测量；（7）地下水位变化的测量；（8）邻近基坑的建筑物和管线变形测量等。通过对基坑的监测,基本上可以了解基坑的稳定情况。1.4.监测方案 监测方案必须建立在对工程场地地质条件、基坑围护设计和施工方案以及基坑工程相邻环境详尽的调查基础之上。基坑工程施工现场监测的内容综合起来可分为两大部分，即围护结构和支撑体系，周围土体和相邻环境。 4.1监测组织建立 根据工程的特点和要求，组建专业监测小组，负责该工程监测的计划、组织和质量审核。 监测小组由经验丰富的专业技术人员组成； 做好基准点和监测点的保护工作； 采用专门的测量仪器进行监测,并定期标定，测量仪器由专人使用,专人保养,定期检验； 测量数据在现场检验,室内复核后才上报,并建立审核制度,对采集的数据及其处理结果经过校验审核后方可提交； 严格按现行建筑基坑支护技术规程等规范与有关细则操作，根据测量及分析的结果,及时调整监测方案的实施； 测量数据的储存、计算与管理,由专人采用计算机及专用软件进行； 定期开展相应的QC 小组活动,交流信息和经验。4控制点设置 控制点是整个监测的基准，所以在远离基坑的比较安全的地方布设。每次监测时，均应检查控制点本身是否受环境影响或破坏，确保监测结果的可靠性。 4.2.1平面控制网的布设 平面控制网应为独立控制网。控制点的埋设，应以工程的地质条件为依据，因地制宜进行，均应采用强制对中观测墩，对于自由等边三角形所组成的规则网形，当边长在200m以内时，测角网具有较好的点精度。4.2.2水准基点的布设 水准基点作为沉降监测基准的水准点，一般设置三个水准点构成一组，要求埋设在基岩上或在沉降影响范围之外稳定的建筑物基础上，作为整个高程变形监测控制网的起始点。4.3围护结构和支撑体系的监测 4.3.1围护结构水平位移、沉降的监测 在围护结构顶部设置水平位移观测点兼作沉降观测点，测点采用钢筋桩预埋在桩顶上，钢筋上刻上十字丝作为点位观测用。测点间距的确定主要考虑能据此描绘出基坑围护结构的变化曲线。 在开挖基坑之前，即对钢筋桩顶进行坐标和高程观测，并记录初始值，水平位移观测若使用的仪器为全站仪，观测会比较方便，每次观测时，采用盘左盘右坐标取平均。沉降观测仪器为精密水准仪，铟钢尺，每次沉降监测工作，均采用环形闭合方法或往返闭合方法进行检查，闭合差的大小应根据不同情况的监测要求确定。 4.3.2桩体的深层水平位移监测 基坑开挖中，桩体侧向变形是最重要的监测项目。通常采用测斜仪测量，将围护桩在不同深度上点的水平位移按一定比例绘制出水平位移随深度变化的曲线。 4.3.3支撑的稳定性控制 支撑的稳定性是控制整个基坑稳定的重要因素之一，有钢支撑和钢筋混凝土支撑等，支撑轴力监测对了解支撑的受力状况，保障支撑安全有着重要意义。考虑到支撑布置情况，按最不利工况，可选择其中的几条支撑进行轴力监测。4.4周围土体的监测 基坑周围土体开挖必定会引起邻近基坑周围土体的变形。过量的变形将影响邻近建筑物和市政管线的正常使用，甚至导致破坏。因此，必须在基坑施工期间对它们的变形进行监测。 4.4.1深层水平位移监测可在土体关键部位埋设测斜管，用测斜仪对土体深层水平位移进行监测，同样绘制水平位移深度变化曲线。 4.4.2地下水位的监测采用测水位高程方法，先在设计点位钻孔，然后下入PVC过滤管，填砾，并测得孔内稳定水位，成井后，用电阻水位仪定期测量孔内水位埋深。 4.5相邻环境监测4.5.1建筑物变形监测建筑物的变形监测可以分为沉降监测、水平位移监测和裂缝监测等部分内容。 当建筑物发生裂缝时，应先对裂缝进行编号，然后监测裂缝的位置、走向、长度及宽度等。根据裂缝的情况选择代表性的位置于裂缝两侧各埋设一个标点，定期的测定两个标点间距离变化值，以此来掌握裂缝的发展情况。 4.5.2路面、管线沉降监测 城市地区的道路与地下管线网是城市生活的命脉，其安全与人民生活和国民经济紧密相连。因此作好它们的安全监测是非常重要的。根据基坑工程的设计和施工方案对可能产生的最大沉降量作出预估，采取主动的保护措施。4.6监测频率与预警位 4.6.1监测频率根据施工进度确定,在基坑开挖阶段,每天一次,其余可每隔35 天1 次。在开挖卸载急剧阶段，当变形超过有关标准或场地变化较大时，监测结果超过预警值时应加密观测，应加密观测，间隔时间不超过一天；当大、暴雨或基坑荷载条件改变时应及时监测；当有危险事故征兆时，应连续观测。 4.6.2基坑施工监测的预警值就是设定一个定量化指标系统，在其容许范围内认为是安全的，且不对周围环境产生有害影响。预警值的确定应满足相关规范规程设计的要求，以及各保护对象的主管部门提出的要求，还应结合考虑基坑规模、工程地质和水文地质条件等因素。 4.7监测数据处理及反馈 4.7.1成果整理 每次量测后,将原始数据及时整理成正式记录,并对每一个量测断面内每一种量测项目,均进行以下资料整理: a) 原始记录表及实际测点图; b) 位移(应力) 值随时间及随开挖面距离的变化图; c) 位移速度、位移(应力) 加速度随时间以及随开挖面变化图。 4.7.2数据处理 每次量测后,对量测面内的每个量测点(线) 分别进行回归分析,求出各自精度最高的回归方程,并进行相关分析和预测,推算出最终位移(应力) 和掌握位移(应力) 变化规律, 并由此判断基坑的稳定性。 利用已经得到的量测信息进行反分析计算,提供维护结构和周围建筑物的状态,预测未来动态,以便提前采取技术措施,验证设计参数和施工方法。 4.7.3反馈方式 监测数据全部输入计算机,由计算机计算并描绘出各测量对象的变化曲线,然后反馈给有关单位和人员。由于该工程监测中采用的仪器大多数是传感式的,其零漂移或温度补偿等都在计算机中设置,并由计算机处理。5.基坑测量中的仪器 适应基坑监测的上述内容和特点，具体测量中可采用了很多新型的测量仪器，有振弦式钢筋应力计、土压力盒、孔隙水压力计等。本文介绍磁性深层沉降仪和测斜仪等设备，这些新的设备及其技术特点是传统的工程测量不能涵盖的。5.1深层沉降仪 深层沉降仪是用来精确测量基坑范围内不同深度处各土层在施工过程中沉降或隆起数据的仪器。它由对磁性材料敏感的探头和带刻度标尺的导线组成。当探头遇到预埋在预定深度钻孔中的磁性材料圆环时，沉降仪上的蜂鸣器就会发出叫声。此时测量导线上标尺在孔口的刻度以及孔口的标高，即可获得磁性环所在位置的标高。通过对不同时期测量结果的对比与分析，可以确定各土层的沉降（或隆起）结果。深层沉降观测过程分为井口标高观测和场地土深层沉降观测两大部分。 5.2测斜仪 测斜仪是一种可以精确地测量沿铅垂方向土层或围护结构内部水平位移的工程测量仪器，可以用来测量单向位移，也可以测量双向位移，再由两个方向的位移求出其矢量和，得到位移的最大值和方向。测斜管的埋设： （1）在预定的测斜管埋设位置钻孔。根据基坑的开挖总深度，确定测斜管孔深，即假定基底标高以下某一位置处支护结构后的土体侧向位移为零，并以此作为侧向位移的基准。 （2）将测斜管底部装上底盖，逐节组装，并放大钻孔内。安装测斜管时，随时检查其内部的一对导槽，使其始终分别与坑壁走向垂直或平行。管内注入清水，沉管到孔底时，即向测斜管与孔壁之间的空隙内由下而上逐段用砂填实，固定测斜管。 （3）测斜管固定完毕后，用清水将测斜管内冲洗干净，将探头模型放入测斜管内，沿导槽上下滑行一遍，以检查导槽是否畅通无阻，滚轮是否有滑出导槽的现象。由于测斜仪的探头十分昂贵，在未确认测斜管导槽畅通时，不允许放入探头。 （4）测量测斜管管口坐标及高程，做出醒目标志，以利保护管口。现场测量前务必按孔位布置图编制完整的钻孔列表，以与测量结果对应。6.结束语 在深基坑的施工过程中，为了对基坑工程的安全性和对周围环境的影响有全面的了解，需要对基坑开挖到下一个施工工况时的受力和变形的数值和趋势进行预测，确保基坑支护结构和相邻建筑物的安全，在出现异常情况时及时反馈，并采取必要的工程应急措施，甚至调整施工工艺或修改设计参数，同时积累工作经验，为提高基坑工程的设计和施工的整体水平提供依据。因此，在施工过程中对基坑支护结构、基坑周围的土体和相邻的建筑物进行全面、系统的监测，是非常重要的。参考文献1 国家标准建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）.19992 国家标准 建筑基坑工程检测技术规程（GB50497-2009）.20093 国家标准 建筑基坑工程技术规范（GB50330-2002）.20024 刘兴远.雷用.康景.边坡工程设计监测鉴定与加固中国建筑工业出版社.2008