深大基坑的监测方案及数据分析研究

2024-05-21冀华刘刚刘雪颖

中国建筑金属结构 2024年4期

冀华，刘刚，刘雪颖

（1.青岛地矿岩土工程有限公司，山东青岛 266000；2.刘世安创新工作室，山东青岛 266000；3.自然资源部滨海城市地下空间地质安全重点实验室，山东青岛 266000；4.青岛海泰达基础建设工程有限公司，山东青岛 266000）

0 引言

深基坑工程是一项综合性较强的工程，同时也涉及非常复杂的岩土相关问题，一方面涉及土的强度与稳定性的典型问题，另一方面也存在扰动和变形的问题。同时，深基坑工程又涉及土与支护结构的共同作用及施工过程[1-3]。随着社会经济的发展，深基坑工程的深度不断增大，对变形要求也更为严格[4-6]。在基坑开挖过程中，如何合理地选择适应性更强、准确度更高的监测方案是获取有效监测数据的基础。国内外许多学者也对此进行了研究：陈启帆[7]通过对某建设工程的监测设备、方案进行数据分析后，获得了针对高层住宅建筑的最优监测方案。钟志勇[8]基于有限元模拟对开挖基坑的受力变形进行了分析，从水平变形、竖向变形等多方面给出了变形规律分析。张秦军[9]针对富水砂层条件下的基坑工程，获得了相关基坑变形趋势。孙正旺[10]基于BIM 技术对深基坑的监测方法进行了创新，继而将深基坑的自动监测与BIM 智能化处理相结合，为深基坑的施工提供安全技术保障。王磊[11]针对深基坑监测项目，积极运用自动化监测技术，对比分析了三种常用自动化监测技术——全站仪监测技术、3D 激光扫描监测技术和光纤传感监测技术，提出了针对深基坑工程更为适用的自动化监测技术。韩超等[12]针对深基坑的深层水平位移，运用对比对照获得了全站仪测量与实际监测值的误差累计，并对误差进行了分析，以期通过误差修正方式获得更为准确的深层水平位移，为深基坑的施工提供指导数据。蓝占望[13]通过对软土环境下的深基坑的监测数据进行分析，获得了针对不利情况下的施工处理措施，也为高难度基坑工程的监测控制值提供了一定的参考。钟春霞[14]通过对深基坑监测数值的分析给出了更为合理的监测手段，及时反馈监测数据以保证施工的有效开展和安全推进。

本文基于万科南北康B-6 地块房地产开发项目的深大基坑开挖，该基坑深度大，开挖范围广，且临近较多既有建构筑物及地下管线，整个基坑内存在较厚的第四系土层，通过对本基坑坡顶水平位移和深层水平位移的监测方案及获得的监测数据进行研究，给出针对深大基坑的监测方案，通过相关数据对比，确定深大基坑的最优控制值，这也为后续类似工程提供了参考依据，有着重要的工程意义。

1 工程概况

拟建万科南北康B-6 地块工程位于济南市市中区省道S103线以西，规划建设B-5 地块以南，B-13 地块以东。拟建建筑物包括57、34F 超高层办公楼，16、22F 办公塔楼，12F 公寓楼和3 ～4F 购物中心，整体设地下5 层作为地下车库。本基坑大体呈平行四边形分布，基坑东西宽最大约187.0m，南北长最大约196.6m，支护段总长度约787.2m。该基坑工程的开挖深度大，距离建筑用地红线较近，基坑周边环境复杂，对变形要求较为严格，综合确定该基坑支护安全等级为一级，基坑的设计使用年限为22 个月。

基坑场地位于济南市市中区兴隆山西侧，为山前倾斜平原地貌单元，地势较高，整体呈东高西低走势。场地内局部堆填较多建筑垃圾及渣土，第四系土层总厚度约为19.0 ～28.0m，基坑东侧基底以上中风化灰岩厚约3.0 ～ 6.0m，西侧基底以下第四系厚度约6.0 ～10.0m ；地下水主要为岩溶裂隙水，水位埋深27.60 ～34.00m。

基坑东侧为S103 省道，规划建设地铁南康站，拟建地下车库边线距地铁保护线约7.0m，沿S103 现状南北分布有3 根光纤、1 条10 kV 电力线、1 条D600 污水管线，距车库边线约10.0 ～20.0m；基坑南侧东西分布有D800 污水管、1 条GD 200×100 供电线，距车库边线约5.0 ～8.0m；北侧及西侧紧邻新建成市政道路，已埋设雨水、污水、供水、电力、燃气、热力等各类市政管线十余条，暂未使用，距北侧在建B5 地块地下结构最近约31.0m，距西侧在建B13 地块约40.0m。

根据设计要求，该基坑主要划分为12 个支护单元，支护单元采用“支护桩+预应力锚索”结合局部放坡的支护形式，如图1 所示。同时设置7 个土钉墙作为临时支护单元，如图2所示。

图1 1-1 支护单元剖面图

图2 出土坡道1-1 支护单元剖面图

2 监测方案

2.1 监测要求

根据监测要求，针对试验段的基坑范围及其周边地面共布置30 个监测点，监测点位置平均分布于试验段，确保能够有效获取监测数据及相关变化趋势。通过在试验段范围内进行了3 个水准点的布设，完成了闭合水准线路。针对周边道路、建筑等实施情况，将针对地下管线的检测点设置在检查点、阀门等位置。对周边建筑的拐点设置监测点，对拐角处进行钻孔完成监测点的布设[15-17]。

沉降观测点埋设好后，应涂上防腐漆，绘制沉降点布置图，在沉降点布置图上标出水准点的具体位置，利用图纸与现场相结合选定沉降观测线路和仪器架设点，在选定仪器架设点时，尽量使用前后视距相等，沉降观测线路应附合于两水准点之间或闭合于同一水准点上，在沉降点布置图上绘出沉降观测线路。坡顶水平位移监测布点的埋设图如图3 所示，深层水平位移监测布点的埋设图如图4 所示。

图3 坡顶水平位移监测观测点埋设图（单位：mm）

图4 深层水平位移监测观测点埋设图（单位：mm）

2.2 监测方法及数据采集

本次位移监测采用MSJ-201 型测力计，监测数据读取使用ZXY-2 型频率读数仪进行，该仪器的读测精度可以达到1.0%F·S，同时记录温度。

安装过程中，随时进行测力计监测，观测是否有异常情况出现，如有应立即采取措施处理。锚索安装时必须从中间开始向周围锚索逐步对称加载，以免锚索测力计偏心受力。

在锚杆测力计安装好并锚杆施工完成后，进行锚杆预应力张拉，这时要记录锚杆拉力计上的初始荷载，同时要根据张拉千斤顶的读数对拉力计的结果进行校核。量测时，同一批锚杆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。

2.3 监测原则

为保证深基坑监测工作的有效实施，确保施工安全，监测工作中需保证相关原则，如下：

（1）监测数据必须可靠、真实，数据的可靠性由试验元件安装或埋置的可靠性、监测仪器的准确性和监测人员的素质来保证。监测数据的真实性要求所有数据必须以原始记录为基础，任何人不得篡改、删除原始记录；

（2）监测数据必须及时进行计算和处理现场监测数据，如有问题及时复测；

（3）埋置在土层或结构中的监测元件应尽量减少对结构法向力的影响，埋置时应注意监测元件与岩土介质的匹配；

（4）对于重要的监测项目，应根据工程的具体情况提前设置预警值和报警系统，预警值应包括变形或内力值及其变化率；

（5）监测应整理完整的监测记录表、数据报告、图形图表和曲线，并在监测结束后整理监测报告。

2.4 控制值要求

考虑到基坑周边环境复杂、体量较大，确定本工程主要监测项目报警值如下：围护结构的水平及竖向位移≤0.15%H 且不大于30mm；深层水平位移 ≤0.2%H 且不大于40mm。

本试验采用高频人工监测辅以深层水平位移和地下水位自动化监测形式，人工监测项目监测频率1 次/1d，自动化监测项目每隔1h 采集一次数据，确保及时取得基坑变形数据，以指导设计和施工。

3 监测结果分析

在进行地下结构的施工过程中，通过对基坑坡顶水平位移和深层水平位移进行了监测，监测结果如下。

3.1 坡顶水平位移分析

基坑坡顶水平位移变化曲线如图5 所示。

图5 坡顶水平位移变化曲线

监测结果显示：基坑坡顶水平位移随着深度的不断增加而逐渐减小，呈反比的变化曲线形式，其最大水平位移监测值为25.20mm，该数值出现在基坑试验段北侧；通过基坑坡顶水平位移曲线可以发现，基坑的坡顶水平位移的变化整体较为稳定，变化曲线较为平直，其波动较大位置主要出现在基坑地质较差位置，基坑试验段北侧第四系土层较厚，产生的坡顶水平位移较大，而其他位置处的水平位移变化曲线相对更为平直；虽然基坑试验段北侧的坡顶水平位移较大，但仍满足坡顶水平位移≤0.15%H 且不大于35mm 的要求。可以认为北侧采用“支护桩+预应力锚索”的支护形式是较为合理有效的。

3.2 深层水平位移分析

基坑深层水平位移变化曲线如图6 所示。

图6 深层水平位移变化曲线

监测结果显示：基坑深层水平位移随着深度的增加表现为先变大后变小随后急剧增大的变化趋势。分析原因主要为深层水平位移受地层条件的影响较坡顶水平位移更大；在分布均匀且地质变化较小的深度位置处，基坑的深层水平位移曲线随深度的增加逐渐减小；而在出现最大深层位移的试验段东侧位置，在深度为17.0m 时，主要表现为达到了最大深层水平位移，为26.18mm。经过地质情况对比分析，可以发现试验段东侧位置处17.0m 深度范围内的地层条件为富水砂层，地质条件较差，富水性好，在土压力的作用下易产生滑移变形等问题，也导致了该层易产生较大水平位移，虽然基坑试验段东侧的深层水平位移较大，但仍满足深层水平位移≤0.2%H 且不大于40mm 的要求范围内。