市政道路下穿现有高速的隧道基坑位移监测技术研究

巩林

摘要 南京马高路北延工程采用隧道形式下穿沪宁高速，文章围绕该工程的隧道基坑位移监测开展研究，该隧道基坑面积大、开挖深，地下水分布较浅，易发生漏水事故，影响结构稳定。施工过程中对围护结构的顶部位移、竖向位移、基坑周边地表沉降及土体深层水平位移进行了监测，根据项目特点合理设置测点、制定监测方案。结果显示，围护结构的顶部位移、竖向位移、基坑周边地表沉降和土体深层水平位移均小于预警值，且位移趋势基本保持稳定。

关键词 深基坑监测；极坐标法；水平位移；竖向位移；地表沉降

中图分类号 TU753文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）06-0019-03

0 引言

随着市政道路和高速公路的扩张，两者的交叉点也日益增多。市政道路的限制因素较多，有时不得不采取隧道的形式下穿高速公路，可以预见的是，随着路网的完善，这种隧道下穿的交叉形式也会越来越常见。南京城东片区马高路北延下穿沪宁高速隧道工程基坑总面积12 006.3 m2，基坑面积大、开挖深，工程中易受到地下水的干扰，影响基坑的稳定性。因此，基坑工程全面的位移监测对该工程的施工安全至关重要，该文选取此工程为研究对象，通过分析该工程的基坑位移监测方法，旨在提出一套科学、有效的监测方案，为类似工程提供借鉴。

1 依托工程概况

1.1 工程概况

马高路北延工程位于南京城东片区，是现状马高路的北延工程，南北走向，南北起终点分别连接宁杭公路和金马路。道路全长1.64 km，城市主干路，道路红线宽度沪宁高速以北40 m，沪宁高速以南45 m，设计速度50 km/h。

道路采用隧道形式下穿沪宁高速，桩号K1+140～K1+400，隧道全长260 m，隧道结构断面采用单箱四仓结构。基坑标准宽度约45.7 m。隧道基坑开挖深度由设计起终点位置的2 m按设计纵坡渐变至最低点位置约9.7 m。基坑外轮廓周长约626.2 m，基坑总面积约12 006.3 m2。

1.2 监测重点与难点

（1）该项目涉及三期交通改道，沪宁高速作为南京连接上海的重要高速公路，车流量很大，需确保交通的正常运行。由此可见，除基坑结构本身以外，严格控制基坑周边高速公路道路沉降变形是该项目的一大重点。

（2）该项目基坑面积大、开挖深，地下水分布较浅，若支护结构在开挖过程中发生漏水，将会降低支护体系稳定性，严重时甚至导致整体失稳，造成对围护本身和周围环境的损害以及其他不可预料的损失，因此，地下水监测是该项目的又一大重点。

（3）该项目设置两道水平架支撑，受基坑变形影响可能导致支撑受力状态复杂，对于水平桁架支撑受力状态和位移的监测也是该项目重点之一。

（4）基坑拆撑为该项目的关键工序，处理不当容易造成支护体系变形过大、周边环境变形过大，因此，对支撑体系和周边环境的监测也是该项目的一个重点。

2 监测内容及项目

该项目的监测内容、监测仪器等基本要求如表1所示。

3 监测方法

3.1 监测方案

3.1.1 围护结构顶部水平位移

（1）監测方法。在该项工程中，对水平位移的监测采用了极坐标测量法。在预先选定的测量点部署全站仪，确保其精准对准和水平校准。测量开始时，操作人员将全站仪指向一个设定的基准点，该点作为测量的初始方向。为确保准确性，还会参照其他几个基准进行校验。接着，通过测回法连续记录各个监测点相对于测量站的角度和距离，以此来确定精确坐标位置。然后，将这些位移数据转换为垂直于基坑方向的位移量，并与初始坐标进行对比，从而得出桩顶的水平位移大小[1]。

（2）数据采集。主要利用全站仪以及相应棱镜组成的设备组合，根据极坐标测量法对水平位移进行监测。在连续监测中，首先将监测点的坐标变化映射到路线的法向上，以此来计算水平位移的值。为了确保数据的精确性，采用了严密平差法来计算监测点的坐标。通过比较这些最新坐标与原有坐标，可以判断是否发生了位移。

（3）数据分析。在数据分析环节，遵循以下原则来评估观测点的稳定性：①首先，稳定性分析的依据是对稳定的基准点进行的平差计算结果。②通过比较连续两次观测间的最大变形值与允许的最大测量误差（一般设定为两倍的中误差），判断变形的是否严重，若变形值低于这一最大误差，则认为在观测周期内变形不明显或无变化。③即使在连续周期的观测中变形量较小，如果长期趋势显示明显的变化，则应视为观测点发生了实质性的变动。

3.1.2 围护结构顶部竖向位移

（1）监测方法。围护结构顶部竖向位移与水平位移同点监测，竖向位移的监测采用水准测量法。

在水准测量时，水准仪中i角（仪器倾斜角）的精确度和稳定性对于测定垂直位移至关重要。为保障监测结果的准确性，监测团队需定期对i角进行校准，确保其误差不超过15″。每次测量基于固定的水准控制点，计算监测点的高程值。通过比较同一监测点连续两次的高程差，可以确定该点的沉降量（向下的沉降表示为负值），具体计算公式为：当前沉降量=当前测量高程－上一次测量高程。将每次测量的沉降量累积，可以得出监测点的总沉降量。

沉降值计算公式如下：

dhi=hi? hi?1 （1）

Dh=（dh1+dh2+…+dhi） （2）

式中，dhi——该次沉降量；hi——该次标高；hi?1——该次标高；Dh——该次累计沉降量。

（2）数据分析。在该次监测中，采用电子水准仪内置的记录功能来进行观测，并生成初始的电子观测数据文件。这些数据随后通过专门的传输处理软件被导入计算机系统中。验证数据的准确性和完整性后，接着运用水准网平差程序进行数据校正工作，确保每个测量点的高程值精确无误。

3.1.3 基坑周边地表沉降

周边地表沉降测点布设见图1。周边地表沉降监测点在基坑开挖前一周埋设于周边道路及地面的相应位置，沿基坑方向每隔20 m布设一个监测断面。地表沉降监测断面布设于基坑开挖影响区域2～3倍范围内，每个断面5个点，间距为2 m、2 m、4 m、6 m、8 m。

周边地表竖向位移监测方法、数据处理与分析及观测要求与围护结构顶部竖向位移相同。

3.1.4 土体深层水平位移

（1）测点布设。安装土体测斜管时，钻孔孔径选择110 mm钻孔。孔径过大回填密实时间较长，孔径过小则回填困难。

（2）监测方法。①将测斜仪的导头部分嵌入预设测斜管内的滑槽，并轻柔地下放至管底，同时，留意记录相应的深度位置。在达到管底后，为避免过大的冲击力，测头需在该位置保持大约5 min，以使仪器的温度与管内环境温度达到一致。②逐渐将测头拉升至最近的深度标记点，然后每隔0.5 m记录一次读数，直至达到测斜管顶部。测量时需确保电缆紧贴标记点以保证读数的准确性。此外，为了提高测量精度，采取正反方向的测量方式，即将测头翻转180 °后重复之前的步骤，这样做的目的是减少传感器可能产生的零偏差和轴向误差[2]。

（3）数据处理与分析。测斜仪安装好后，测出测斜仪位置的测管在土体作用下倾斜度θi，并换算成该位置测斜仪上下导轮间的位置偏差Δd：

Δd=Lsinθi （3）

式中，L——量测点的分段长度。

d=ΣLsinθi （4）

与初次位置测值相减即为各点该次量测的水平位移。

3.2 监测项目预警值

在基坑开挖整个挖掘过程中，基坑的支护结构及其周围的土壤始终处于微小但持续的变动中。这些微小的变化在初期可能不易察觉，但随着时间的积累，它们可能显现出显著的影响。因此，在开展监测活动前，关键在于针对监测对象设定恰当的预警阈值。此外，还需建立一个周全的报警响应机制，以确保在基坑施工期间的整体安全[3]。该工程各监测项目预警值如表2所示。

3.3 监测周期和频率

支护体系的监测周期：自基坑开挖开始监测至地下结构侧壁土方回填。

周边环境的监测周期：自基坑围护桩施工开始至周边环境变形稳定。

监测项目的监测频率应综合考虑基坑类别、基坑及地下工程的不同施工阶段以及周边环境、自然条件的变化和当地经验。当监测值相对稳定时，可适当降低监测频率。对于应测项目，在无数据异常和事故征兆的情况下，结合设计要求，并综合考虑监测规范后，确定现场仪器监测频率[4]。

4 监测结果分析

监测活动的成果主要体现在三类报告中，即每日监测记录、分阶段的监测分析报告以及整个项目的最终监测总结。日常监测记录是基于计算机分析后得出的日报，记录当天的监测数据。在监测过程中，如果发现任何数值超过预警值，施工团队需立刻进行复核，确保数据的准确性。一旦确认，立即向项目业主、监理和施工方报告，确保能够迅速采取适当的应对措施，以維护基坑工程及施工人员的安全。

4.1 基坑顶部水平位移和竖向位移

考虑现场施工对测量活动的影响，监测点施工过程中可能遭受损坏，测量团队可以通过重新钻孔并安装新的测斜管，以确保监测点数量恢复至原定的6个。以这6个监测点为研究对象，其数据将为分析深基坑在时间和空间维度上的变形提供支撑。

通过监测发现，水平位移主要集中在围护结构顶部北侧位置，竖向位移主要集中在围护结构顶部西侧位置，其位移量均未超过20 mm的预警线。监测数据显示，累计位移和深度波动的趋势基本保持稳定。

4.2 基坑周边地表沉降

基坑周边地表沉降共设置测点30个，从工程一期和二期分别选10个、5个测点作为研究对象，对监测数据进行分析。根据数据可得，一期工程道路、地表沉降较为集中，沉降位移量未超过20 mm的预警值，且位移的趋势基本稳定。

5 结论

该研究针对南京马高路北延隧道下穿沪宁高速的深基坑工程监测进行了全面分析。通过对围护结构顶部水平位移、竖向位移以及基坑周边地表沉降的监测，得出以下几点结论：

（1）采用极坐标法和精密水准测量等先进监测技术，成功实现了对基坑结构变化的精确监测。监测数据的准确性得到了全面的验证，确保了分析结果的可靠性。

（2）监测结果显示，围护结构顶部的水平位移和竖向位移都在可控范围内，位移量均未超过预设的20 mm警戒线。这表明基坑结构整体稳定，有效地控制了基坑的变形。对于基坑周边地表沉降的监测显示，沉降位移量也未超过20 mm的预警值，这说明工程施工对周边环境的影响处于可接受范围内，未对附近道路和建筑构成显著风险。

（3）该研究强调了在类似的大型城市基础设施项目中，建立和维护一个高效、科学的监测系统的重要性。系统的监测不仅保证了工程安全，还为施工调整和决策提供了重要依据。

参考文献

[1]王智强. 深基坑自动化监测系统的应用与研究[J]. 低碳世界， 2022（8）： 190-192.

[2]向艳. 温度应力对深基坑支护结构内力与变形的影响研究[J]. 岩土工程学报， 2014（S2）： 64-69.

[3]夏雄， 邓妍， 陆天阳， 等. 常州市某地铁站深基坑支撑轴力监测与分析[J]. 南京工程学院学报（自然科学版）， 2019（1）： 27-30.

[4]李兆源. 基坑混凝土支撑轴力监测值计算方法研究[D]. 广州：华南理工大学， 2014.