周永波,王麗

(1．山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司,山東濟(jì)南 250101; 2．山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東濟(jì)南 250014)

建筑基坑常規(guī)變形監(jiān)測技術(shù)問題探討

周永波1?,王麗2

(1．山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司,山東濟(jì)南 250101; 2．山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東濟(jì)南 250014)

伴隨著我國城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展以及舊城改造范圍的不斷擴(kuò)大,建筑基坑規(guī)模及開挖深度隨之增大,使得臨時圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和穩(wěn)定性問題變得突出和復(fù)雜,建筑基坑的變形監(jiān)測已成為市政管理部門和工程界十分關(guān)注的問題。文章對建筑基坑常規(guī)變形檢測技術(shù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍及監(jiān)測實(shí)施等進(jìn)行了分析,為基坑變形監(jiān)測提供了理論參考。

建筑基坑;變形監(jiān)測;數(shù)據(jù)處理和分析

1　引 言

基坑開挖引發(fā)坡面滲流失穩(wěn)、土體重力下滑、坑底土體卸荷隆起失穩(wěn)或者浸水軟化、支護(hù)樁墻強(qiáng)度不足或者剛度不夠,導(dǎo)致基坑附近建筑物或道路開裂、管線爆裂、基坑坍塌等事故屢有發(fā)生。通過對這些事故的調(diào)查研究可以發(fā)現(xiàn):基坑工程事故多與監(jiān)測不利等因素有關(guān),基坑監(jiān)測成為基坑工程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。通過監(jiān)測技術(shù)方法的選擇制定、監(jiān)測方案的實(shí)施、對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理以及分析,可早期發(fā)現(xiàn)問題,并及時通過各種技術(shù)和手段的處理,以保證工程的順利施工。

2　建筑基坑常規(guī)變形監(jiān)測技術(shù)

基坑監(jiān)測是指在施工及使用期限內(nèi),對建筑基坑及周邊環(huán)境實(shí)施的檢查、監(jiān)控工作。主要包括:支護(hù)結(jié)構(gòu)、相關(guān)自然環(huán)境、施工工況、地下水狀況、基坑底部及周圍土體、周圍建(構(gòu))筑物、周圍地下管線及地下設(shè)施、周圍重要的道路、其他應(yīng)監(jiān)測的對象。

2．1基坑監(jiān)測方法和儀器

2．1．1基坑監(jiān)測儀器

基坑變形監(jiān)測中,一般采用電子經(jīng)緯儀、全站儀、水準(zhǔn)儀、測斜儀、GPS以及其他儀器進(jìn)行變形監(jiān)測。

(1)經(jīng)緯儀、全站儀和水準(zhǔn)儀

采用電子經(jīng)緯儀或者全站儀監(jiān)測水平位移,采用全站儀或毫米級精度的水準(zhǔn)儀監(jiān)測坑壁位移,采用全站儀或精度為0．1 mm的精密水準(zhǔn)儀對周邊建筑物進(jìn)行沉降監(jiān)測。

(2)測斜儀

采用測斜儀對土體水平位移以及圍護(hù)樁、圍護(hù)墻或其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移等參數(shù)進(jìn)行量測。

一般情況下,測斜儀的測量結(jié)果用來與經(jīng)緯儀的監(jiān)測結(jié)果比對驗(yàn)證。

(3)GPS

在部分基坑變形監(jiān)測中,常常使用GPS觀測監(jiān)測點(diǎn)的三維位移信息。

(4)其他監(jiān)測設(shè)備

基坑監(jiān)測中除使用經(jīng)緯儀、全站儀和水準(zhǔn)儀外,還使用土壓力及水壓力計(jì),使用回彈儀測坑底隆起,還用軸力計(jì)測支撐軸力。

2．1．2基坑水平位移監(jiān)測方法

基坑水平位移觀測的常用方法:交會法、小角法、活動覘牌法、全站儀法、GPS法等。

(1)交會法

交會法是指通過測定由變形觀測點(diǎn)和2個基準(zhǔn)點(diǎn)形成的三角形的邊角得到變形觀測點(diǎn)的位移變化量。交會法可解決一些不規(guī)則形狀的基坑水平位移監(jiān)測問題。缺點(diǎn)是當(dāng)求變形觀測點(diǎn)的位移變化量時,需要至少架設(shè)兩次儀器,這不僅增加了觀測的數(shù)量,而且加大測量誤差;另外,交會法的計(jì)算比較復(fù)雜。

(2)小角法

小角法是指利用精密經(jīng)緯儀精確測出基準(zhǔn)線方向同測站點(diǎn)到觀測點(diǎn)的視線方向間所夾的小角,從而計(jì)算出觀測點(diǎn)相對于基準(zhǔn)線的偏離值。

計(jì)算水平位移的變化,其原理如圖1所示。

圖1　小角法測偏離值

該檢測方法操作簡單,計(jì)算簡便,適用于形狀較為規(guī)則的基坑。缺點(diǎn)是要求場地必須開闊,基準(zhǔn)點(diǎn)與基坑之間必須有一定距離,以避免基坑變形對基準(zhǔn)線產(chǎn)生影響;且測站點(diǎn)數(shù)量太多,觀測成本較高。

(3)活動覘牌法

活動覘牌法是指通過采用精密的附有讀數(shù)設(shè)備的活動覘牌直接測定出觀測點(diǎn)相對于基準(zhǔn)面的偏離值。活動覘牌如圖2所示,覘牌上分劃尺的最小分劃值為1 mm,用游標(biāo)尺可直接讀到0．1 mm～0．01 mm?；顒右椗品ìF(xiàn)場即可得出變形結(jié)果,不需內(nèi)業(yè)計(jì)算。但活動覘牌法不僅具有測小角法的缺點(diǎn),還需要專用的照準(zhǔn)設(shè)備及儀器,而且對活動覘牌上的讀數(shù)尺要求很高,成本相對較高。

圖2　活動覘牌

(4)全站儀法

全站儀法是在一個固定的測站點(diǎn)上設(shè)置一個高精度全站儀,選擇另一個固定點(diǎn)作為后視點(diǎn),測定各變形觀測點(diǎn)的平面坐標(biāo),然后將測量結(jié)果與首次測量結(jié)果進(jìn)行比較,得出水平位移變化值。

全站儀法觀測與計(jì)算都比較簡便,適用于各種形狀的基坑變形監(jiān)測,而且成本與造價相對較低,目前全站儀在基坑監(jiān)測方面已廣泛使用。然而,高精度電子全站儀價格較高,此外全站儀精度尚不能滿足部分深基坑水平位移監(jiān)測的需求。

(5)GPS監(jiān)測系統(tǒng):

GPS法具有測站間無需通視、監(jiān)測精度高、全天候監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn),還可同時提供監(jiān)測點(diǎn)的三維位移信息。缺點(diǎn)是受地形或建構(gòu)筑物影響較大,對場地要求較多,垂直位移精度不足,只能獲取變形體上部分離散點(diǎn)的位移信息。

這些方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),實(shí)際操作過程中應(yīng)根據(jù)基坑的形狀和施工現(xiàn)場的具體情況選擇合適的監(jiān)測方法。

2．1．3基坑豎向位移監(jiān)測方法

基坑豎向位移通常采用精密水準(zhǔn)儀配合條形碼銦鋼水準(zhǔn)尺按相應(yīng)等級水準(zhǔn)測量規(guī)范要求進(jìn)行測量。在不同時間測定同一變形監(jiān)測點(diǎn),得到幾組高程值Hi,根據(jù)公式

計(jì)算觀測點(diǎn)的高程變化值。然后,通過數(shù)據(jù)處理分析,計(jì)算出實(shí)際沉降值。

該方法操作簡單、讀數(shù)準(zhǔn)確,大大提高了作業(yè)效率,提高了監(jiān)測工作的時效性。

2．2基坑監(jiān)測系統(tǒng)的布設(shè)

2．2．1布設(shè)原則

基坑監(jiān)測系統(tǒng)的布設(shè)應(yīng)遵循以下原則:

(1)采用的觀測設(shè)備及觀測方法應(yīng)具有數(shù)據(jù)采集快、全天候作業(yè)的能力,能夠滿足雨霧天氣或夜晚等環(huán)境下作業(yè)的要求;

(2)采用以儀器監(jiān)測為主,目測巡視為輔的方法。重點(diǎn)、關(guān)鍵區(qū)重點(diǎn)監(jiān)測;

(3)應(yīng)盡量要求在相同的位置上,使用相同的儀器,由同一觀測者按同一方案進(jìn)行觀測,以盡可能做到等精度;

(4)應(yīng)在地表和基坑土體內(nèi)部及周邊的受影響的建構(gòu)筑物與設(shè)施內(nèi)布點(diǎn),以便形成一定的測點(diǎn)覆蓋率的監(jiān)測網(wǎng);

(5)在滿足工程需要和精度要求的同時,應(yīng)充分考慮成本的問題。

2．2．2基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)置

變形監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)充分考慮周邊環(huán)境和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)等情況,既要保證在建筑物建到±0 m高度之前,能夠順利地觀測到支護(hù)結(jié)構(gòu)所布設(shè)的觀測點(diǎn),又要考慮觀測網(wǎng)的圖形強(qiáng)度以及觀測網(wǎng)控制點(diǎn)的相對穩(wěn)定性的問題。

2．2．3基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)考慮基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料、形狀、施工方法和施工地區(qū)工程地質(zhì)條件等因素。

應(yīng)選擇在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)圈梁頂變形最敏感的區(qū)段布設(shè)監(jiān)測點(diǎn),以監(jiān)測支護(hù)結(jié)構(gòu)環(huán)梁頂部的水平位移和豎向位移;在支護(hù)結(jié)構(gòu)基坑內(nèi)側(cè)布設(shè)監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測土體旁側(cè)壓力和水頭壓力等使支撐柱產(chǎn)生的傾斜位移。內(nèi)力和變形大的代表性(例如基坑的中部和輕軌的支撐柱等)部位,應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行加密監(jiān)測點(diǎn)。

監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)當(dāng)避開障礙物,布設(shè)在開闊區(qū)域,便于觀測監(jiān)測。監(jiān)測點(diǎn)標(biāo)志應(yīng)穩(wěn)固,易于保存。

2．2．4沉降控制網(wǎng)的布設(shè)

沉降控制網(wǎng)點(diǎn)位選擇的質(zhì)量對于保證觀測工作的順利進(jìn)行和保證測量結(jié)果的可靠性有著重要的意義,實(shí)際選點(diǎn)布設(shè)時應(yīng)特別注意點(diǎn)位的土質(zhì)、位置和周圍的環(huán)境等要求,具體如下:

(1)應(yīng)考慮點(diǎn)位自身的沉降或因重物碾壓等原因引起的點(diǎn)位沉降。

(2)應(yīng)布設(shè)在基坑50 m的以外區(qū)域,以避免因擬建建筑物加荷、基坑開挖等引起點(diǎn)位沉降。

(3)觀測路線設(shè)計(jì)應(yīng)合理,控制點(diǎn)間距應(yīng)適中。

(4)點(diǎn)位標(biāo)志應(yīng)采用頂部突出成球形的不銹鋼材料。2．2．5 沉降監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)

沉降監(jiān)測點(diǎn)除了布設(shè)在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部以外,還應(yīng)設(shè)置在主樓樁型不同的兩側(cè)、擬建建筑物拐角處、大轉(zhuǎn)彎處、沉降縫處以及其他地質(zhì)條件變化明顯的區(qū)段內(nèi),間距一般為10 m～15 m。

對于周圍建筑物沉降監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè),應(yīng)考慮其建筑結(jié)構(gòu)、高度、地質(zhì)條件、距離基坑的遠(yuǎn)近程度等因素,沉降監(jiān)測點(diǎn)一般設(shè)在距地面約0．3 m高的建筑物樁體上。

監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)如圖3所示。

圖3　監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)示意圖

2．2．6基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)

基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)布設(shè)設(shè)在距離基坑100 m之外,基礎(chǔ)好、沉降穩(wěn)定、便于施測、便于保存的穩(wěn)定區(qū)域以及穩(wěn)固的永久性建筑物上,方便從基準(zhǔn)點(diǎn)向工作基點(diǎn)引測。

基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)方式如圖4、圖5所示。

圖4　墻角基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)示意圖

圖5　地面基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)示意圖

2．3觀測方法及注意事項(xiàng)

儀器在開始使用前均需檢定,作業(yè)過程中嚴(yán)格遵守規(guī)范,每次觀測都采用相同的觀測儀器,相同觀測人員按相同路線進(jìn)行觀測。

每次變形監(jiān)測前均應(yīng)對基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測檢校,確定其點(diǎn)位穩(wěn)定可靠后,才可進(jìn)行監(jiān)測?；鶞?zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測及變形點(diǎn)觀測均應(yīng)組成附合或閉合路線。

為保證控制點(diǎn)的可靠,應(yīng)定期對觀測控制點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測,聯(lián)測后平差處理,根據(jù)平差成果對觀測控制點(diǎn)進(jìn)行了修正,以提高觀測精度。

為保證觀測質(zhì)量,應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)為確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,應(yīng)繪制觀測示意圖、做好觀測記錄,并及時計(jì)算閉合差和限差。

(2)應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)臅r間段進(jìn)行觀測。

(3)應(yīng)優(yōu)化觀測流程,選擇合理的觀測順序。

(4)應(yīng)采用相同的觀測儀器,相同觀測人員按相同路線進(jìn)行觀測。

2．4基坑監(jiān)測時間和頻率

基坑監(jiān)測在土方開挖之時就應(yīng)開始進(jìn)行,直至土方回填完畢后結(jié)束。監(jiān)測頻率和監(jiān)測次數(shù)應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50497-2009)要求。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)下列情況之一時,應(yīng)縮短監(jiān)測時間間隔、加密監(jiān)測次數(shù)或連續(xù)監(jiān)測:

(1)監(jiān)測值達(dá)到報警標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)測值變化量較大或速率加快;

(2)出現(xiàn)超長開挖、超深開挖、未及時加撐等情況; (3)基坑附近地面荷載加大;

(4)長時間連續(xù)降雨、大量積水、市政管道出現(xiàn)泄漏等情況;

(5)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、坡體或底部出現(xiàn)流沙、管涌等現(xiàn)象;

(6)鄰近的地面或建(構(gòu))筑物出現(xiàn)嚴(yán)重的開裂、大量沉降或不均勻沉降等;

(7)支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂;

(8)發(fā)現(xiàn)危險事故征兆。2．5 基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

及時對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析是基坑監(jiān)測工作的關(guān)鍵。用圖表方式對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析,可以得出基坑中各監(jiān)測項(xiàng)目的變化情況,分析基坑變形的規(guī)律性和穩(wěn)定性,為后期的施工和完善設(shè)計(jì)提供依據(jù),同時對開挖過程中出現(xiàn)的危險信號及時報警,以便采取相應(yīng)措施。

2．5．1監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于環(huán)境、儀器或操作者等原因,觀測數(shù)據(jù)中可能會引入一些誤差(或錯誤)數(shù)據(jù),因此在數(shù)據(jù)處理時,可以用大量的觀測數(shù)據(jù)的平均值近似地進(jìn)行表示,也可以用標(biāo)準(zhǔn)誤差來表示數(shù)據(jù)波動的情況或分散的程度,或者舍棄可疑數(shù)據(jù)。

(1)算術(shù)平均值

若未知量x0被測量n次,測量值分別為x1,x2,…,xn,則xr=x0+er,式中,er是觀測中的不確定度,它可正可負(fù)。那么,n次測量的算術(shù)平均值為:

(2)標(biāo)準(zhǔn)誤差σ

標(biāo)準(zhǔn)誤差σ反映的是測量值在算術(shù)平均值附近的分散與偏離程度。σ越大時,波動越大;σ越小時,波動越小。它是一種表示測量誤差的較好指標(biāo)。

2．5．2監(jiān)測數(shù)據(jù)處理和分析

利用平差軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行平差解算,得出本觀測周期所需要的各種成果:本次觀測坐標(biāo)及高程、本次位移量及位移方位、累計(jì)位移量及位移方位、本次最大沉降速度、平均沉降速度、沉降量以及累計(jì)沉降量等。最后,利用軟件根據(jù)數(shù)據(jù)整理繪出相應(yīng)的沉降曲線和平面位移曲線。為保證結(jié)果的正確性,需要人工對處理結(jié)果進(jìn)行多次檢查、校核。確認(rèn)無誤后,方可編寫數(shù)據(jù)報告。

監(jiān)測數(shù)據(jù)處理時,應(yīng)選擇多種處理方式。這樣,不僅可以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的精度,從而保證所采用的數(shù)據(jù)處理方法的可靠性,還可以考察各種方法的優(yōu)劣勢,為日后的數(shù)據(jù)處理工作提供經(jīng)驗(yàn)。

目前,最常用的數(shù)據(jù)處理分析方法是統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。統(tǒng)計(jì)學(xué)方法是利用各種數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù),計(jì)算預(yù)報模型,從而達(dá)到分析監(jiān)測對象以及預(yù)測變化趨勢的目的。

基坑監(jiān)測應(yīng)整理完整的監(jiān)測記錄表、數(shù)據(jù)報表、形象的圖表和曲線,監(jiān)測結(jié)束后整理出監(jiān)測報告。

3　結(jié) 語

文章對建筑基坑常規(guī)變形檢測技術(shù)方法的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析對比,對基坑監(jiān)測方法和儀器、基坑監(jiān)測系統(tǒng)的布設(shè)以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理方法等方面進(jìn)行了論述,為建筑基坑變形監(jiān)測方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ),為基坑監(jiān)測的實(shí)施提供了可靠的技術(shù)保障,為確保地面建、構(gòu)筑物的安全提供了有力支持。

[1] GB 50497-2009．建筑基坑工程檢測技術(shù)規(guī)范[S]．

[2] 張克恭．建筑基坑監(jiān)測實(shí)踐[C]．中國土木工程學(xué)會第九屆土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)會議論文集[A]．重慶:重慶大學(xué)出版社,2003:25～28．

[2] 袁定偉,鄭加柱．建筑基坑變形監(jiān)測方法分析[J]．山西建筑,2007,33(8)．

[3] 張冬曉．建筑基坑監(jiān)測及預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)研究[D]．長沙:中南大學(xué),2005．

[4] 蔣宿平．基坑監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用[D]．長沙:中南大學(xué),2010．

[5] 王偉．基坑變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性分析[D]．廣州:華南理工大學(xué),2010．

About Construction Method and Realization of the Foundation Pit Deformation Monitoring Technology

Zhou Yongbo1,Wang Li2
(1．Shandong Zhengyuan Geophysical Information Technology Co．,Ltd,Ji′nan 250101,China; 2．NO1 Institute of Geology and mineral resources of Shandong Province,Ji′nan 250014,China)

With the continuous development of China's urbanization and the expansion of the scope of the transformation of the old city,the size of the foundation pit and the increase of the depth of the excavation,the deformation and stability of the temporary retaining structure become outstanding and complex,which has become a problem of the municipal administration departments and the engineering community．In this paper,the advantages and disadvantages,the application scope and the monitoring of the deformation detection technology for conventional foundation pit are analyzed, which provides a theoretical reference for the deformation monitoring of foundation pit．

building excavation;deformation monitoring;data processing and analysis

1672-8262(2016)01-141-04

P258

B

?2015—10—27

周永波(1976—),男,工程師,碩士,主要從事測繪技術(shù)工作。