聶建國

(山西省建筑科學(xué)研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

基坑開挖是建筑施工中的重要環(huán)節(jié),而科學(xué)、實(shí)時、準(zhǔn)確地進(jìn)行基坑監(jiān)測是保障基坑安全和基坑周邊環(huán)境穩(wěn)定的基礎(chǔ)[1]。隨著城市敏感區(qū)域深基坑增多，規(guī)模越來越大，大量不穩(wěn)定影響因素出現(xiàn)，對基坑安全帶來隱患，而監(jiān)測技術(shù)能夠有效規(guī)避此類風(fēng)險[2]。通過對基坑周邊構(gòu)筑物沉降、基坑頂層水平位移、深部側(cè)向位移、錨索受力及地下水位變動等進(jìn)行監(jiān)測[3]，能夠及時提供真實(shí)、準(zhǔn)確、可靠、客觀的監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工與預(yù)警，從而確保支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的安全。在監(jiān)測過程中，特殊地質(zhì)條件下基坑監(jiān)測難度大，工程上常用靈敏度來衡量黏性土結(jié)構(gòu)性對強(qiáng)度的影響，土的靈敏度越高，結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)，受擾動后土的強(qiáng)度降低就越明顯，高靈敏度飽和粉質(zhì)黏土因其土質(zhì)特性，對工程監(jiān)測的實(shí)施是一種挑戰(zhàn)[4]。本文依托實(shí)際工程監(jiān)測施工，詳細(xì)闡述了在高靈敏度土質(zhì)情況下監(jiān)測方法的應(yīng)用及監(jiān)測效果分析，以此為同類工程施工提供借鑒。

1 高靈敏度飽和粉質(zhì)黏土地質(zhì)條件下基坑監(jiān)測方法

1.1 高靈敏度土工程特性調(diào)研分析

高靈敏度土是St=Qu/Qt(原狀土與其重塑后立即進(jìn)行試驗(yàn)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比值)>4的土體。高靈敏度黏土含水量大，孔隙比大，對擾動、施加荷載等條件的變化反應(yīng)極其敏感。由于土質(zhì)特性，在基坑工程進(jìn)行圍護(hù)施工產(chǎn)生擾動時，影響顯著。經(jīng)調(diào)研研究，高靈敏飽和粉質(zhì)黏土其黏聚力和內(nèi)摩擦角會同時降低，反映到基坑工程上，基坑頂部的橫向位移、豎向位移增大，穩(wěn)定性變差。因此對此類特殊土層條件下進(jìn)行基坑監(jiān)測應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注上述變化的監(jiān)控。

1.2 高靈敏土條件下基坑工程監(jiān)測方法

基于上述分析，對于高靈敏土條件下基坑工程主要對基坑頂部水平位移、豎向位移以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)(錨索)受力監(jiān)測。

1)基坑頂部水平位移監(jiān)測。

采用極坐標(biāo)法，其原理如圖1所示。

測定待求點(diǎn)C坐標(biāo)時，首先計算已知點(diǎn)A，B的方位角：

測定角度β和邊長BC，計算BC方位角:

αBC=αBA+β。

最后確定C點(diǎn)坐標(biāo)：

XC=XB+S·cos(αBC)。

YC=YB+S·sin(αBC)。

通過坐標(biāo)公式ΔXn=Xn-Xn-1，ΔYn=Yn-Yn-1，累計各個監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)增量計算得到最終的位移量。

2)基坑頂部豎向位移監(jiān)測。

采用水準(zhǔn)測量方法，各期監(jiān)測采用往返測或單程雙測站，每次測量均組成閉合路線或附和路線。水準(zhǔn)測量原理如圖2所示。

根據(jù)上述原理進(jìn)行位移增量計算：坐標(biāo)增量ΔHn=Hn-Hn-1，各次位移量之和即為該點(diǎn)的累計位移量。

3)支護(hù)結(jié)構(gòu)(錨索)內(nèi)力監(jiān)測。

通過采集的頻率值，計算得出此次軸力值；基于此對比該次軸力值與上次軸力值計算單次軸力變化量，可以對比該次軸力值與初始軸力值計算累計軸力變化量。

位移變化能夠最直觀體現(xiàn)出基坑的結(jié)構(gòu)性變化，對于基坑的危險預(yù)警與及時采取措施能夠起到良好的效果，支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力監(jiān)測也能夠間接反映基坑是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，故通過上述三個監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集，在高靈敏度飽和粉質(zhì)黏土地質(zhì)條件下的基坑施工中能夠較好地對土層結(jié)構(gòu)性變化進(jìn)行控制，保障工程安全可靠。

2 工程實(shí)例

太原市小店區(qū)地鐵車輛段預(yù)留12號線(人民南路中線—人民東巷路中線)工程，工程基坑長約319 m，寬約51 m，基坑開挖深度7.5 m～10.5 m。

工程基坑支護(hù)范圍內(nèi)主要為高靈敏度飽和粉質(zhì)黏土，基坑側(cè)壁受擾動后土的強(qiáng)度降低十分明顯。基坑支護(hù)采用灌注樁與預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)方式?；咏邓捎霉芫邓?。

基坑監(jiān)測項(xiàng)目內(nèi)容包括基坑頂部水平位移、豎向位移監(jiān)測、錨索內(nèi)力監(jiān)測。

2.1 基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)位布設(shè)

基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)：根據(jù)GB 50497—2019建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，在坑外穩(wěn)定不受擾動的部位設(shè)置3個水平位移監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)(編號J1～J3)，豎向位移基準(zhǔn)點(diǎn)與水平位移基準(zhǔn)點(diǎn)為共用點(diǎn)。

監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)：針對高靈敏度土質(zhì)基坑特殊性，布設(shè)原則為規(guī)范基礎(chǔ)上在間距、特殊部位進(jìn)行加密監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量提高1倍?；禹敳克轿灰啤⒇Q向位移監(jiān)測點(diǎn)水平間距均小于20 m，各布設(shè)40個監(jiān)測點(diǎn)。尤其在基坑各邊中點(diǎn)及陽角處加密布設(shè)；錨索內(nèi)力的監(jiān)測點(diǎn)上不少于5個，布設(shè)于端部或中部，并隨深度變化增設(shè)；同時針對高靈敏土孔隙比大，受水影響強(qiáng)度變化的特征，進(jìn)行地下水的監(jiān)測，基坑四周布設(shè)水位孔，孔距宜30 m～40 m?；颖O(jiān)測點(diǎn)平面布置圖見圖3。

2.2 監(jiān)測設(shè)備和監(jiān)測方法

1)基坑頂部水平位移監(jiān)測。采用的儀器設(shè)備：索佳NET05X型全站儀，測角精度為0.5″，測距精度為1 mm+1 ppm。采用獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，坐標(biāo)軸與基坑邊線方向一致。具體監(jiān)測方法：分別在水平位移基準(zhǔn)點(diǎn)和工作點(diǎn)上架設(shè)儀器，采用極坐標(biāo)法進(jìn)行監(jiān)測，觀測測回數(shù)為2次。最后通過上述極坐標(biāo)原理計算得到位移增量及累計位移量。

2)基坑頂部豎向位移監(jiān)測。基坑頂部豎向位移監(jiān)測使用儀器設(shè)備：索佳SDL1X型電子水準(zhǔn)儀及配套的銦鋼尺，精度為每公里往返測量高差中數(shù)的中誤差不超過0.5 mm。采用獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)。具體觀測方法：采用水準(zhǔn)測量的方法進(jìn)行監(jiān)測，各期監(jiān)測采用往返測或單程雙測站，每次測量均組成閉合路線或附和路線。最后通過上述水準(zhǔn)測量原理累計各次位移量之和即為該點(diǎn)的豎向位移量。

3)錨索內(nèi)力監(jiān)測。錨索內(nèi)力監(jiān)測儀器設(shè)備：在錨索施工張拉時，將YT-1200型測力計安裝在監(jiān)測錨頭上，采用406A型讀數(shù)儀測量。根據(jù)各軸力計算從而得到軸力變化量，掌握內(nèi)力的變化。

2.3 高靈敏度土質(zhì)基坑監(jiān)測預(yù)警機(jī)制

1)監(jiān)測閾值提升。在GB 50497—2019建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5]基礎(chǔ)上各項(xiàng)報警控制值及監(jiān)測精度均相應(yīng)提高20%以上?；禹敳克轿灰评塾嬜兓繄缶悼刂茷?0 mm，變化速率2 mm/d；基坑頂部豎向位移累計變化量報警值控制為10 mm以內(nèi)，變化速率0.5 mm/d；錨索內(nèi)力報警值控制為500 kN。水平位移精度要求不大于0.5 mm；豎向位移精度要求高差不大于0.1 mm。

2)預(yù)警機(jī)制設(shè)定。由于高靈敏度土抗干擾能力弱，靈敏度較高，常規(guī)的監(jiān)測頻率與監(jiān)測方式已經(jīng)不能滿足工程需求，因此針對性地提出多等級、分工況的監(jiān)測的預(yù)警機(jī)制。首先通過預(yù)先設(shè)定在施工過程中監(jiān)測點(diǎn)的預(yù)警狀態(tài)按照嚴(yán)重程度由輕到重分為紅、橙、黃等級。按照不同等級分別提高監(jiān)測頻率20%，50%及100%。同時，按照不同工況進(jìn)行監(jiān)測頻率的控制。在遇到降水天氣、支護(hù)結(jié)構(gòu)施工對周邊墻體有干擾以及基坑中點(diǎn)、陽角等關(guān)鍵部位施工工況下，提升監(jiān)測頻率1倍。

3)實(shí)際工程施工。具體工程監(jiān)測施工于2018年7月31日開始對工程進(jìn)行基坑監(jiān)測，2019年8月1日結(jié)束監(jiān)測，歷時1 a時間，工程在實(shí)際施工過程中采用分段開挖、分段回填的施工工序，故監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測周期及次數(shù)有所不同。實(shí)際施工時，考慮到高靈敏度粉質(zhì)黏土地層的特殊干擾性，工程在基坑開挖過程中，每天進(jìn)行監(jiān)測1次；底板澆筑完成后3 d到基坑回填每周進(jìn)行監(jiān)測2次～3次。同時，在監(jiān)測過程中，監(jiān)測頻率根據(jù)現(xiàn)場施工情況及數(shù)據(jù)變化情況確定。實(shí)際監(jiān)測工作中，共對基準(zhǔn)網(wǎng)的水平位移及豎向位移進(jìn)行監(jiān)測40次，基坑頂部水平位移及豎向位移監(jiān)測128次，錨索內(nèi)力監(jiān)測81次。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

本項(xiàng)目基坑自2018年7月31日開始監(jiān)測，截至2019年8月1日結(jié)束。基坑監(jiān)測期間發(fā)出2次預(yù)警信號。

1)2018年9月17日，基坑監(jiān)測點(diǎn)(點(diǎn)號747.1，747.2，747.3，N720，N700，N680，N660，N640)的累計水平變化量達(dá)到58.4 mm～293.7 mm，超過報警值30.0 mm；基坑監(jiān)測點(diǎn)(點(diǎn)號747.2，747.3，N740，N720，N700，N680，N640)的累計豎向位移變化量達(dá)到14.1 mm～27.1 mm，超過報警值10.0 mm。

原因分析：施工期間遇到降雨，基坑正值開挖支撐階段，由于天氣原因開挖支撐不及時，導(dǎo)致高靈敏土強(qiáng)度受擾動后驟降，角部及坑邊位置支護(hù)結(jié)構(gòu)位移顯著增加。

實(shí)行措施：采用基坑加固應(yīng)急措施，同時將現(xiàn)場的監(jiān)測頻率提高至1次/1 d，歷時38 d，直至2018年10月25日 基坑頂部監(jiān)測點(diǎn)水平變化速率介于-0.20 mm/d～0.70 mm/d后，逐步降低監(jiān)測頻率。

2)2018年11月26日，基坑監(jiān)測點(diǎn)(點(diǎn)號N600,N580,B600,B580)的水平變化速率達(dá)到11.90 mm/d～21.90 mm/d，超過報警值3.0 mm/d。

原因分析：由于施工期間開挖卸載過快，使得本身靈敏度高的土體強(qiáng)度急劇降低，導(dǎo)致變化速率增大超過預(yù)警值。

實(shí)行措施：在報警值響應(yīng)后第一時間進(jìn)行土層加固措施，穩(wěn)定變化速率后將現(xiàn)場的監(jiān)測頻率提高至1次/2 d，歷時56 d，直至2019年1月11日基坑頂部監(jiān)測點(diǎn)水平變化速率介于-0.05 mm/d～0.25 mm/d后，逐步降低監(jiān)測頻率。

最大變化量結(jié)果如表1所示。

表1 最大變化量匯總結(jié)果表

研究選取工程監(jiān)測工作一段時間部分監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，累計變化曲線如圖4～圖6所示。

從圖4～圖6中可以看出，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平、豎向位移，錨索內(nèi)力在某個時間段內(nèi)，基坑位移的變化量會急劇的增大，而其余時間段內(nèi)，變化相對要穩(wěn)定一些。結(jié)合工程的具體施工時間，實(shí)際施工工序會對基坑側(cè)壁有一定的擾動，基坑的位移會有明顯的增大，在其余施工工序進(jìn)行時，基坑側(cè)壁的位移量會明顯減小，變化量比較穩(wěn)定，監(jiān)測顯示能夠很好符合基坑實(shí)際施工規(guī)律。同時也表明高靈敏度飽和粉質(zhì)黏土地質(zhì)，擾動后變形幅度較大，變形響應(yīng)較快，體現(xiàn)了該種地質(zhì)情況下受擾動程度影響大，因此根據(jù)兩次突發(fā)報警情況實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，針對此類土層設(shè)置適當(dāng)?shù)膶蛹夘A(yù)警機(jī)制，出現(xiàn)預(yù)警后加大監(jiān)測頻率，及時采取措施控制或緩解當(dāng)前變化趨勢[6-7]。

4 結(jié)語

本文結(jié)合實(shí)際工程，針對高靈敏度飽和粉質(zhì)黏土特殊地質(zhì)條件下基坑監(jiān)測的方法、監(jiān)測控制及實(shí)踐分析進(jìn)行了詳細(xì)闡述，提出了利用支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移、豎向位移及內(nèi)力監(jiān)測方法進(jìn)行基坑監(jiān)測，經(jīng)工程實(shí)踐分析表明，該方法能夠很好的反映基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形特點(diǎn)與變化情況，在基坑出現(xiàn)工程風(fēng)險時，能夠及時發(fā)出預(yù)警信號并采取相應(yīng)應(yīng)急措施，達(dá)到有效規(guī)避工程風(fēng)險的效果。提出的監(jiān)測手段便捷，提高了監(jiān)測工作效率，為高靈敏度飽和粉質(zhì)黏土地質(zhì)條件下基坑監(jiān)測提供了較好的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。