明挖地铁车站深基坑开挖监测研究

2017-05-18李楠楠马筠杰

四川水泥 2017年5期

关键词：压力计深基坑原理

李楠楠马筠杰

(大连财经学院工商管理学院辽宁大连 116622)

明挖地铁车站深基坑开挖监测研究

李楠楠马筠杰

(大连财经学院工商管理学院辽宁大连 116622)

本文从地铁车站深基坑开挖施工的必要性出发，对深基坑开挖监测的特点、适用范围、工艺原理、工艺流程、监测方式与方法等几个方面进行了系统研究。研究成果可为类似工程提供依据。

深基坑开挖；监测；测斜管；钢筋计

地铁工程中，明挖车站由于结构受力合理，使用功能好，施工方法简单、技术成熟、工期短、造价低而被广泛应用。明挖车站施工过程中，为了掌握基坑稳定性情况，基坑监测工作至关重要。本文从地铁车站深基坑开挖施工的必要性出发，对深基坑开挖监测的特点、适用范围、工艺原理、工艺流程、监测方式与方法等几个方面进行系统研究，以期为类似工程提供借鉴。

1.地铁车站深基坑开挖监测的必要性

在车站深基坑的设计施工过程中，由于地质条件、荷载条件、材料性质、施工条件和外界其它条件的影响，而且基于当前土压力计算理论和边坡计算模型的局限性，很难单纯从理论上预测工程中可能遇到的问题。所以在基坑的开挖施工中，对支护结构、临近建筑物、地下管线以及周围土体等在理论分析指导下有计划的监测，利用其反馈的信息和数据，对基坑支护进行动态设计，是十分必要的。一方面可及时采取技术措施防止发生重大工程事故，另一方面亦可为完善计算理论提供依据。

2.地铁车站深基坑开挖监测的特点

（1）监测对象的代表性、针对性

由于监测仪器的昂贵，监测数据的测读、处理的繁琐，布置测点不可能面面俱到，因此，测点一定有代表性和针对性。选择监测的点、施工段基本上能反映整个结构的受力和变形情况，同时要尽可能监测到整个结构受力或变形的最大值，能起到监测的预警作用。

（2）监测项目的全面性

对基坑进行一项或很少的几项原体监测往往是不够的，如有人为误差，便无法对监测数据进行检验，因此，监测项目要做到全面性，使其监测结果可以互相验证。

（3）监测的时效性

不同于普通测量，基坑监测通常是配合降水和开挖过程，有鲜明的时间性。测量结果是动态变化的，一天以前（甚至几小时以前）的测量结果都会失去直接的意义，因此，地铁深基坑开挖监测应随时进行。

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，甚至适应夜晚和大雾天气等严酷的环境条件。

（4）监测的高精度要求

普通测量的误差限值通常在数毫米，而正常情况下，基坑施工中的变形速率可能在0.1mm/d以下，要测到这样的变形精度，普通测量仪器和方法是不能胜任的，因此深基坑监测过程中测量通常采用一些高精度的特殊仪器。

（5）监测的等精度要求

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。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。

3.深基坑开挖监测的适用范围

基坑监测一般适用于深度超过10米、复杂的大中型工程，或环境要求严格的基坑施工。

图 1 基坑监测原理示意图

5.地铁车站深基坑开挖监测施工工艺流程

4.地铁车站深基坑开挖施工监测的工艺原理

基坑监测是通过对基坑围护结构、支撑或周围土体、建筑物布置测点、埋设测斜仪器进行监测，每一测试项目都应根据实际情况的客观环境和计算说明书，事先确定相应的警戒值。在基坑开挖过程中，对各监测项目进行数据测读，以判断受力或位移是否会超过允许的范围，判断工程是否安全可靠，是否需要调整施工方案或优化原设计方案。基坑开挖监测原理如图1所示

图2 基坑监测施工工艺流程图

6.监测项目

基坑开挖过程中，围护结构位移、内力、支撑轴力等都有变化，采用多项监测手段，其结果可以互相验证。监测项目及方法见表1。

表 1 监测项目及监测仪器

7.监测方式与方法

7.1基坑周围地表、地下管线、临近建筑物构筑物沉降及周围建筑物、地下管线水平位移的监测

沉降观测使用仪器是精密水准仪，水平位移观测使用经纬仪。在监测过程中要注意的是：a.要使用相同的仪器在相同的位置上，由同一观测者按照同一方案施测；b.测量控制点要安全，其位置不要设在变形、位移区内。

7.2围护桩的变位（侧向位移）的监测

围护结构的侧向位移监测使用的仪器是测斜仪。

（1）测斜管的安装（见图3）

测斜管在吊放钢筋笼之前，接长到设计长度，绑扎在钢筋上，随钢筋笼一起放入桩孔内。测斜管的顶部与底部要用盖子封住，防止泥浆、砂浆、杂物入孔内。

图 3 测斜管安装示意图

（1）测斜管工作原理

测斜管上下各有一对滑轮，上下轮距500mm，其工作原理是利用重力摆锤始终保持铅直方向的性质，测得仪器中轴线与摆锤垂直线间的夹角，倾角的变化可由电信号转换而得，从而可以知道被测结构的位移变化值。

（2）操作要点

①埋入测斜管应保持垂直，在桩体内测斜管与钢筋笼应绑牢。

②测斜管有两对方向互相垂直的定向槽，其中一对要与基坑边线垂直。

③测量时，必须保证测斜管与管内温度基本一致，显示仪读数稳定才开始测量。

④由于测斜管测得的是两滑轮之间（500mm）的相对位移，所以必须选择测斜管中的不动点作为基准点，一般以管底端点为基准点，各点的实际位移是测点到基准点相对位移的累加。

⑤测斜管埋入开挖面以下：岩层不少于1m,土层不少于4m。

7.3围护结构弯曲应力、钢支撑轴力、围檩弯曲应力的监测

此三项的监测仪器选用钢筋计。

（1）钢筋计的安装

围护桩内的钢筋计焊接在钢筋笼主筋上，当作主筋的一段，焊接面积不应小于钢筋的有效面积。在焊接钢筋计时，为避免热传导使钢筋计零漂增加，需采取冷却措施，可用湿毛巾或流水冷却。

在开挖侧和挡土侧的主筋对应位置都安装钢筋计，钢筋计布置的间距一般为2000～4000mm,视结构的重要性和监测需求而定。

钢支撑的钢筋计是焊接在端头附近，两侧对称各布置一个。

图 4 钢筋计、土压力计安装示意图

（2）钢筋计的工作原理

钢筋计有振弦式和电阻应变式两种。

振弦式钢筋计的工作原理：当钢筋计受轴力时，引起弹性钢弦的张拉变化，改变钢弦的振动频率，通过频率仪测得钢弦的频率变化即可测出钢筋所受作用力的大小，换算而得混凝土结构或钢支撑所受的力。

电阻应变式钢筋计的工作原理：利用钢筋受力后产生的变形，粘贴在钢筋上的电阻片产生变形，从而得出应变值，得出钢筋所受作用力的大小。

（3）钢筋计操作要点

①做好钢筋计传感部分和信号线的防水处理。

②仪器安装前必须做好信号线与钢筋计的编号，做到一一对应。

③钢筋计焊接必须保证质量。

④钢筋计安装好后，浇混凝土前测一次初值，基坑开挖前测一次初值。

⑤测数时，同时用温度计测量气温，考虑温度补偿。

7.4围护结构侧土压力的监测

围护结构侧土压力的监测仪器选用土压力计。

（1）土压力计的安装

土压力计的安装如图4所示。要求土压力盒绑扎于钢筋上，接触面紧贴土体一侧。但是根据以往的施工经验，这种安装方式的成功机会不是很大，因为在浇筑混凝土时，难以保证混凝土不包裹土压力计。最好的安装方法还是在围护结构的外面钻孔埋设土压力盒，并在孔中注入与土体性质基本一致的物质，填实空隙。

（2）土压力计的工作原理

同钢筋计，土压力计也有电阻式和钢弦式两种，其中，钢弦式最常用，工作原理亦同钢筋计。

钢弦式土压力计有单膜和双膜两种，单膜式土压力计受接触介质的影响较大，而使用前的标定要与实际土壤介质一致往往做不到，故测试误差较大。使用较广的是双膜式，其工作原理为：接触面对变化不大的土压力较为敏感，受力时引起钢弦振动或应变片变形，弦的自振频率也发生变化。利用脉冲激励，使钢弦起振，并接收其频率。按事先标定的“压力-频率”关系曲线，即可得出作用在土压力计上的压力值。

7.5地下水孔隙水压的监测

地下水孔隙水压的监测仪器采用孔隙水压计。

（1）孔隙水压计的安装

安装仪器前，在选定的位置（一般离基坑外侧3m-5m）钻孔至所需测的深度，再将用砂网、中砂裹好的孔隙水压计放到测点位置，然后孔内注入中砂，以高出孔隙水位计0.2m-0.5m为宜，最后在孔内埋入粘土，即可将孔封堵好。

（2）孔隙水压计的工作原理

振弦式孔隙水压力计的构造和工作原理同土压力计的很相似，只是孔隙水压计多了一块透水石，土体中的土压力、水压力作用于接触面上，经过透水石后，只有孔隙水压力能传到弹性元件上，弹性元件的变形引起钢弦张力的变化，从而根据钢弦频率的变化可测得孔隙水压力。