地铁车站明挖施工基坑的监测方法研究

2019-03-20黄光财刘艳刚

水电站设计 2019年1期

黄光财，王涛，刘艳刚

(中国水利水电第十四工程局有限公司，云南昆明 650041)

1 概况

海昌路站是成都地铁18号线工程的第四座车站，是与1号线三期工程牧华路站通道换乘站。本站为双岛车站，车站分界里程为YCK22+236.700～YCK22+714.900，有效站台中心里程为右线YCK22+477.000；车站长度478.2 m，标准段宽度42.8 m，车站两端左右线均接盾构区间。车站顶板覆土厚度约为2.5 m，底板埋深约16.65 m。本站共设有4个出入口、2组共7个低矮风亭和1座冷却塔。海昌站主要结构形式为地下两层三柱四跨框架结构，采用明挖法施工。

海昌路站东侧为极地海洋世界、天府菁蓉、悦城、宏达·世纪锦城；西侧石化大厦、明珠颐园、鹿港小区、华阳汽车站。车站位于天府大道南段，海昌北路与海昌南路之间，呈南北走向，沿天府大道敷设于天府大道东侧绿化带内。

2 监测技术现状及监测目的

目前我国深基坑工程技术尚处于发展阶段，深基坑监测技术也处于待完善的阶段，目前使用的监测技术和方法大多数是引进与之相关的变相测量、岩土工程等领域的技术。因此，在工程实际应用中不断总结优化，进一步提高监测方法、技术，为施工安全提供强有力的保障。

基坑开挖过程中，为保证支护结构的稳定性，确保施工安全，从而不危及基坑周边建(构)筑物和地下管线。因此，施工过程中必须采取相应的监控保护措施，加强施工期间地表沉降等监测，及时反馈监测信息，并做相应修改实施。监测的目的主要是：

(1)了解围护结构的受力﹑变形及基坑地表的沉降情况，对围护结构的稳定性进行评价。

(2)监视围岩应力和变形情况，验证支护衬砌的设计效果，保证地表建筑和地下管线的安全。

(3)通过获得的围护结构及周围环境在施工中的综合信息，进行施工的日常管理，对设计和施工方案的合理性进行评价，为优化和合理组织施工提供可靠信息，并指导后续施工。

(4)积累资料，为类似工程提供参考。

3 监测工作的实施

3.1 监测基准网的建立

在进行监测项目前，首先要建立监测控制网，以便及时准确地反应监测项目、测点的变化情况。平面位移监测控制网应布设独立的控制网，控制点埋设在变形区外，如有条件，监测网宜采用强制对中观测架。垂直位移监测控制网宜采用水准高程控制网，在变形观测中定期对高程控制网点进行检测。

本基坑工程的竖向位移监测包括周边地表、围护结构顶部，以及基坑周边建(构)筑物的竖向位移监测，监测的范围广，工作量大；高程控制网按照两个层次布网，即由高程基准点、工作基点组成沉降监测控制网，由工作基点与所联测的监测点组成扩展网。测量采用成都市高程系统，严格按照《城市轨道交通工程测量规范》一等水准测量要求采用环形闭合路线或复合闭合路线进行观测，联测其余工作基点构成水准网，进行平差。

平面监控量测控制网采用徕卡TS15A全站仪，高程基准网测量采用徕卡DNA03数字水准仪观测。

3.2 支护桩顶水平位移监测

3.2.1 测点布置

测点按监测设计图纸布点，位置在基坑四周围护结构桩(墙)顶上，支护在顶水平位移测点见图1。其布置的原则为：

(1)测点应尽量布设在基坑圈梁、围护桩或地下连续墙的顶部等较为固定的地方，需设置方便，不易损坏，且能真实反映基坑围护结构桩(墙)顶部的侧向变形。

(2)围护墙顶部的水平和竖向位移监测点应沿基坑周边布置，周边中部、阳角处应布置监测点。监测点间距15～30 m，监测点宜设置在围护墙顶上。

图1 支护桩顶水平位移测点实景

3.2.2 测点埋设与保护

在冠顶梁上埋设工作基点和观测点时，首先布设工作基点墩，在建立好工作基点墩后，将仪器架设在工作基点墩上，沿基坑边布设观测点墩，观测点位置选择在通视处，避开基坑边的安全栏杆，离基坑约300 mm。

在基坑支护结构的冠顶梁上布设监测点，监测点采用埋设观测墩的形式，埋设监测点观测墩的方法应首先在基坑边的支护桩冠顶梁上钻孔，在孔内埋设Φ25钢筋，并浇筑混凝土观测墩，墩顶部埋设强制对中螺栓。为减少测量误差，缩短设备的架设、对中时间，提高工作效率，应采用如下方法：根据所采用的反射棱镜，定制了如图1所示的对中螺栓代替普通的棱镜对中螺栓，该螺栓的顶部加工成半球形，直接把棱镜套在该螺栓上，并可自由转动棱镜。安装该螺栓时必须保证垂直。

3.2.3 观测方法

根据基坑施工现场实际条件，水平位移监测采用极坐标法，基坑开挖前一周建立各监测点的初始坐标(不少于3次，取平均值作为初始坐标)，基坑开挖后每次测量值与初始值对比得到该点的位移量，并根据该点在基坑的方位角，确定位移量在垂直于地墙方向的分量。

3.2.4 数据处理

通过极坐标法测量获得的是位移点在地铁施工测量坐标系下的坐标值，水平位移量是指位移点沿垂直于基坑边线方向的偏移值，在实际工程中，基坑形状往往为非直角多边形，经常出现曲线形基坑。

如图2所示，xoy为施工测量坐标系，x′oy′为与xoy共原点的参考坐标系。P(x，y)和P(x′，y′)为位移点P分别在施工测量坐标系和参考坐标系中的坐标。α为位移点P沿基坑边垂线(且指向基坑内)在施工测量坐标系中的坐标方位角，参考坐标系x′轴系施工测量坐标系x轴旋转α角且与P点基坑边的垂线平行。

图2 水平位移量计算示意

由坐标系旋转变换原理可得：

(1)

即：以施工测量坐标系中按极坐标法施测的位移点坐标P(x，y)、位移点基坑边的垂线坐标方位角(可在基坑电子平面图上获得)。可由方程(1)求得位移点在参考坐标系中的坐标值。设本次监测为第(i+1)次，前次监测为第i次(i≥1)，则位移量计算可表达为：

(2)

通过全站仪测量角度、距离计算监测点在施工坐标系统下的坐标值(见图3)，数据处理的模型为：

(3)

式中，D为所测的平距；xi、yi为待测点的坐标；xA、yA为工作基点坐标；αAB为起始边AB的坐标方位角；β为所测方向与起始方向间的左角值。

图3 全站仪测量坐标值示意

结合以上各式解算的Δxi+1即为P点在基坑边的垂线方向的位移量，该差值也符合位移往基坑内数值为正、往基坑外数值为负的理解习惯，此法需在初次监测时，解求每个位移点基坑边垂线(指向基坑内)的坐标方位角。

3.3 支护桩顶竖向位移监测

桩顶竖向位移监测与桩顶水平位移测点同点共用，用水准仪观测。

3.4 支护桩体水平位移监测

3.4.1 测点布点与埋设

桩体变形按照设计要求，本基坑桩体变形监测点位于基坑各边。测斜管采用绑扎埋设。埋设时将测斜管在现场组装后绑扎固定在桩(墙)钢筋笼上，管底与钢筋笼底部持平，顶部到达地面，管身每 1.0 m 绑扎 1 次。测斜管随钢筋笼一起下到孔槽中，并将其浇筑在混凝土中。

3.4.2 监测原理

测斜仪采用成都金码仪器厂CX-30A型测斜仪。测斜仪器由测斜管、电缆、测斜探头、数字式测读仪四部分组成。在监测前，测斜仪必须经过严格的标定。基坑开挖时，测斜管随着支护结构的变形而产生变形，通过测斜仪逐段测量倾斜角度，可得到测斜管每段的水平位移增量。测斜监测原理如图4所示。

图4 测斜管埋设与测试原理示意

计算公式如下：

(4)

式中，ΔXi为i深度的累计位移(计算结果精确至0.1 mm ) ；Xi为i深度的本次坐标，mm；Xi0为i深度的初始坐标，mm；Aj为仪器在0°方向的读数；Bj为仪器在180°方向上的读数；C为探头标定系数；L为探头长度，mm；αj为倾角。

3.4.3 监测方法

实测时首先把电缆接入测斜仪，并将电缆与测头连接，用扳手将压紧螺帽拧紧以防止渗水。将测头导轮高轮向基坑内侧方向卡置在预埋测斜管的导向滑槽内，将它轻轻划至管底起测位置处，该位置最好高出管底0.5 m为宜，以防止掉入异物时测头无法到达起测位置而影响数据的连续观测。利用测读仪记录完第一个读数后，将电缆提起0.5 m至下一处深度标记，待测读仪读数稳定后采集数据，再将电缆提起0.5 m，直至管顶为止。拿出测头后水平转动180°，使高轮指向基坑外侧重新放入测斜管中，重复上述观测步骤在相同的深度标记上采集数据，完成全部观测工作。测头导轮的正反向读数可以抵消或减少传感器的偏值所造成的误差，以保证测量精度。测量结束后，通过软件将数据导出，处理后得到该孔的变形曲线，即可反映出该点所在地连墙位置区域的变形趋势。

3.5 支撑轴力监测

3.5.1 监测点布设

通过轴力计量测。钢支撑轴力监测采用钢弦式频率轴力计，安装时将轴力计安装架与钢支撑端头对中并牢固焊接，在拟安装轴力计位置的桩(墙)体钢板上焊接一块250 mm×250 mm×25 mm的加强垫板，以防止钢支撑受力后轴力计陷入钢板。待焊接件冷却后，将轴力计推入安装架并用螺丝固定好。安装过程要注意轴力计和钢支撑轴线在同一直线上，各接触面平整，确保钢支撑受力状态通过轴力计(反力计)正常传递到围护结构上。详见图5。

图5 轴力计安装示意

3.5.2 监测原理

基坑开挖时，安装于钢支撑的轴力计受力产生的变形将引起仪器内钢弦变形，使钢弦发生应力变化，从而改变钢弦的振动频率。计算公式如下：

N=k(fi-f0)

(5)

式中，N为钢支撑轴力，kN；k为轴力计标定系数，kN/Hz2；fi为轴力计监测频率，Hz；f0为轴力计安装后的初始频率，Hz。

3.5.3 监测方法

测量时，采用该厂家AIIwin16410100型直读式数据采集仪，将电缆接头与数据采集仪对接，直接采读轴力计应力值。仪器频率精度0.5%±0.3 Hz，测量范围750～3 500 Hz。支撑轴力量测必须考虑尽量减少温度对应力的影响，同一批支撑尽量在相同的时间或温度下量测，每次读数均应记录温度测量结果。量测后根据率定曲线，将轴力计的频率读数直接换算成轴力值，对于钢筋应力计还可根据理论模型再换算成支撑轴力。然后分别绘制不同位置、不同时间的轴力曲线，制作形象的轴力分布图。

3.6 地下水位监测

3.6.1 埋设方法

根据设计图纸要求，结合现场实际情况,测点位于基坑周边1.5～2 m。用地质钻机钻直径Φ89 mm孔，水位孔的深度在最低设计水位以下(坑外孔深同基底，坑内孔深达到基坑底以下3～5 m)，成孔完成后，放入裹有滤网的水位管，管壁与孔壁之间用净砂回填至离地表0.5 m处，再用黏土进行封填，以防地表水流入。水位管用Φ55 mm的PVC塑料管作滤管，管底加盖密封，防止泥砂进入管中，下部留出0.5～1.0 m深的沉淀管(不打孔)，用来沉积滤水段带入的少量泥砂，中部管壁周围钻4列Φ6 mm左右的孔，纵向间距10～15 cm，相邻两列的孔交错排列，呈梅花形布置。管壁外包扎上滤网或土工布作为过滤层，上部再留出0.5～1.0 m，作为管口段(不打孔)，以保证封口质量

3.6.2 监测原理

地下水位监测使用常州金土木仪器厂生产的SJ-92型钢尺水位计。水位变化量的测读有两大部分组成：地下材料埋入部分，由水位管和底盖组成；地面接收仪器(钢尺水位计)，由测头、钢尺电缆、接收系统和绕线盘等组成。

测头部分：不锈钢制成，内部安装了水阻接触点，当触点接触到水面时，便会接通接收系统，当触点离开水面时，就会关闭接收系统。

钢尺电缆部分：由钢尺和导线采用塑胶工艺合而为一，既防止了钢尺锈蚀，又简化了操作过程，测读更加方便、准确。

接收系统部分：由音响器、指示灯和峰值指示器组成。音响器发出连续不断的蜂鸣声响，指示灯点亮，峰值指示为电压表指示。

3.6.3 监测方法

通过水准测量测出孔口标高H，将探头沿孔套管缓慢放下，当测头接触水面时，蜂鸣器响，读取测尺读数ai，则地下水位标高HWi=H-ai。则两次观测地下水位标高之差ΔHW=HWi-HWi-1)，即水位的升降数值。根据管口高程可得坑内外地下水位高程。

3.7 既有建筑物位移监测

3.7.1 测点布置与埋设

建(构)筑物测点埋设时应注意避开有碍设标与观测的障碍物，并视立尺需要离开墙(柱)面和地面一定距离。埋设位置要便于观测同时便于保护，不易被破坏。

沉降测点标志采用“L”型测点标志形式，测点埋设的方法是：墙面上钻孔，然后将测点标志(Φ=20 mm)预埋件放入，孔与测点四周空隙用水泥砂浆或锚固剂填实(测点固定部位做成螺纹)。埋设形式如图6所示。或者使用监测条码尺，将条码尺黏贴至需要监测的部位和合适的位置，黏贴处一定要牢固，四周需要封闭开口，条码尺要黏贴整齐。黏贴监测条码尺形式如图7所示。

图6 建(构)筑物沉降测点(单位：mm)

图7 监测条码尺布设示意

3.7.2 测量仪器

建(构)筑物沉降监测使用精密水准仪。

3.7.3 观测方法

3.7.4 数据处理

(1)观测数据计算。观测完成后，将满足各项限差要求的原始数据输至计算机，然后通过专业数据处理软件对其严密平差推算出各工作基点的高程，再由工作基点经过严密平差后推算出各观测点的本次高程值。两次观测高程的差值即为本次沉降值，本次沉降值与历次沉降值和值即为累计沉降值，沉降值的单位采用 mm，计算结果精确到0.01 mm，高程计算结果经过人工初步分析和数据筛选，同时将被监测单元的观测时间、观测时的工程进度输入数据库，即可计算出各点的阶段沉降速率，沉降速率的单位采用mm/d，计算结果精确到0.01 mm/d。

(2)变形数据分析。观测数据计算完毕后，根据需要随时生成：原始成果表格、阶段和最终成果表格、观测点下沉量一览表、代表性观测点时间下沉曲线等，以备数据分析使用。在根据已有观测数据和图表分析观测点稳定性时，应首先进行变形量分析，若本次累计变形量小于最大限差时，可认为该观测点在此段时期内没有变动或变动不显著；相反，则视为有明显变动。其次，进行观测速率的分析，当阶段变形速率超出预警值时，则应根据各监测项目的风险等级、施工进度、施工措施、变形情况、支护围护结构稳定性、周边环境稳定性状态，进行综合判断，并及时报告有关各方采取有效防范措施。

3.7.5 倾斜监测

实施差异沉降法求出建筑物倾斜，即通过建筑物同断面两点之间沉降之差与两点间距的比值，求出建筑物倾斜。

3.8 管线变形监测

3.8.1 测点布置与埋设

在基坑开挖前，根据管线迁改情况，对位于海昌路站基坑施工影响范围内管线进行重点监测。地下管线测点布置与埋设应满足以下要求。

直接法布点。首先开挖至管道深度，将钢筋焊接于管线的顶部并引至地表，周围用砖砌筑成阴井，见图8。对于埋深较浅的煤气管道，则考虑采用抱箍法，即根据管道的外径、特制两个对开的箍，环抱管道，用钢筋引出地面。对于埋深较大的管道，可钻孔至管道顶部，孔中放入保护管，管中放入钢筋，钢筋底部须适当扩大，以测量管道顶部或底部的土体位移。