基坑支护及其变形监测

薛 霄，王正厂

（1.山东正元数字城市建设有限公司，山东 烟台 264270；2.山东正元建设工程有限责任公司，山东 济南 250100）

1 概述

拟建场地位于某市郑陆工业大道以北，常焦线以西。本场地环境良好，交通便利，场地较平坦，地貌类型为平原区高亢平原地貌形态[1]。本工程属于多层框架结构的办公建筑，耐火等级地上为二级，地下为一级。本工程单体建筑面积为7 342.12 m2。建筑层数为地上五层，地下一层，建筑高度为20.55 m，地下-4.8 m（局部-5.1 m）。

2 施工部署

根据本基坑支护与降水工程的设计图纸、现场施工段的划分，初定施工流程如下[3]：降水管井施工→管井降水运行→土方分层开挖→基坑边坡支护施工。针对本工程现场实际情况及常州地区类似工程施工经验，本工程各工序之间需进行流水施工，对各工序间的配合要求较高，每道工序的施工节点必须严格按照施工组织进度执行，否则就会影响下道工序的施工，进而影响总的施工工期。根据本工程的现场特点、施工工艺及工程量，基坑土方开挖及边坡支护工期暂定20 d，基坑降水运行工期暂定60 d，具体视土方开挖及现场实际情况确定为准。

3 基坑支护

3.1 土钉墙支护施工

1）施工工艺流程。在施工之前，要针对设计条件、土层条件和环境条件可能带来的影响，按照施工工艺流程进行[4]。

2）施工步骤：①开挖工作面：基坑边坡开挖应分层分段进行，分层开挖深度按设计工况[5]进行。在机械开挖后，应辅以人工修整坡面，坡面虚土应予以清除。②设置钢筋：按梅花形定位放线，水平向上遇到障碍时可适当调整角度用来避开。③土钉注浆量按设计图纸要求：水泥采用42.5级复合硅酸盐水泥，水灰比1∶2，Φ110孔注浆30 kg/m；注浆体强度不得小于M20。④铺设坡面钢筋网：钢筋网采用Φ8钢筋，土钉墙支护区域设置1目金属网+人工绑扎成250×250方格网片，网格允许偏差为±10 mm；钢筋网与土钉间设置2Φ14双向压网筋，压网筋与土钉间焊接牢固。⑤喷射混凝士：土钉墙支护区域喷砼厚度为80 mm，喷层砼强度为C20，喷射砼配合比（水泥∶砂∶石子）为1∶2∶2，粗骨料粒径为5～10 mm。⑥设置排水系统。在喷射砼部位坡面设置泄水孔，一般每4㎡设置一个，出水部位增设。

3.2 施工质量和成果

1）质量保证措施。原材料要有出厂质量证明书和实验报告单，锚杆配料工作应按照规范要求进行，每道流程应严格检查，观察边坡的位移和地面的沉降。

2）施工成果。通过土钉墙喷砼支护，可以得到以下施工后的成果[6]，如图1所示。

图1 施工结果

3.3 地下管线及其他设施的保护措施

1）施工前查明现场20 m范围内管线布置情况，以及其他地下地上设施布置情况。

2）施工定位放线后，要对照已掌握的资料，确定桩位处是否有地下管线及其他设施通过，若有要立即向甲方、监理及有关单位反映以确定处理措施。

3）对有可能有地下设施的区域要谨慎施工，遇到异常情况要立即停止施工，采取处理措施。

4）施工时除要注意对地下设施影响外，还要密切监测周围建筑物的变化，以防止对周围建筑物产生不利影响。

3.4 坍塌事故预警监控措施

基于基坑坍塌事故可能带来的严重性后果，预防基坑施工过程中可能发生的坍塌事故是安全工作重点[7]，在施工过程中应对深基坑密切的监视，并对可能出现的险情及时做出预警预报。

4 基坑监测

4.1 支护结构顶水平位移监测

4.1.1 点位布置

开工后现场实际情况，围护体顶部、支撑立柱水平位移监测采用小角法或极坐标法进行，基准点、工作基点共计埋设约13个。在护坡上每隔20 m左右布置一个监测点，基坑各边中部、端部及阳角等相对危险的位置应首选布设，监测点共计8个，编号P1～P8，测点采用在护坡上埋设带有对中标志钢钉的形式布设，与沉降点共用监测点。在工地的影响之外，视野良好的地方布设3个基准点，两点形成连线，并影响精度和稳定性。

4.1.2 主要技术指标

工作基点由基准点采用支导线方法引测，引测时角度和距离各观测两测回[8]。支导线不超过两站，定期对工作基点进行复测检查。精度要求为监测点坐标中误差小于1.0 mm。报警值(累计值）为40 mm，变化速率为3 mm/d。初始数据采集为2次，监测频率为1天监测1次。

4.1.3 作业方法

1）小角法主要用于观测基坑的水平位移变形[9]，在基坑周围较稳定的位置，用两点形成基准线。一个点安置全站仪，另外一个点安置棱镜，利用全站仪精确的测出监测点到安置仪器的点的连线和基准线夹角的微小变化量αP。根据AP的距离S和P点相对于AB的偏移角αP，按照公式（1）计算出P点的位移量LP。其中A、B为已知观测墩，P1为观测点。

通过上式可知，基坑水平位移精度受观测距离S和水平角α的观测误差影响，其观测的中误差为：

由于水平距离S经过观测后可作为固定值，水平位移的观测精度主要因素是水平角的观测精度，应采用高精度的仪器或增加测回数来提高水平角的观测精度。

2）极坐标法。极坐标法是利用数学中的极坐标的方法，将2个已知点为坐标轴，使其中一个点为极点建立坐标系[10]。测定观测点到极点的距离，测定观测点到极点的连线与已知坐标轴的角度，最后来计算观测点的坐标。

根据A、B已知点坐标，角度α和距离S，按照以下公式，计算C点坐标。

3）两种方法的比较。小角法布设方案对场地的要求比较高，要求基坑四周比较开阔，有足够的空间布设基线，基线不能距离基坑边缘太远(一般2 m左右保持小角)，且工地的建设基线间不能有遮挡物；极坐标法要求有一通视的工作基点作为后视即可，具有灵活性。小角法的精度较高，极坐标法的精度较低，但现有的高精度仪器的基础上都可以达到一级基坑监测的要求。小角法和极坐标法观测和计算都比较简单，工作效率都比较高。

4.1.4 数据处理

本次各点测试值与同点号上次测试值之差为本次变化量，本次各点测试值与同点号的初始测试值之差为累计变化量。测量时，用电子手簿记录，并按照Excel表格格式出具成果，如表2所示。

表2 围护体顶部水平位移监测成果表

以P1点绘制累计位移和累计速度，如图2、3所示。根据观测次数的第1次、第7次、第14次和第21次，可显示所有点的累计位移量都为正，累计位移在7.0～9.0 mm之间，可见都向基坑内侧水平位移。第21次时，部分点位已经被破坏，施工情况位，基坑整体下挖4.5 m左右，底板浇筑完毕。累计位移量和位移速率都在报警值范围以内，满足要求，基坑并无异常。

图2 P1点累计位移量图

4.2 支护结构顶沉降监测

4.2.1 点位布置

基准点布设在测区上，所有点位距监测对象150 m以上，并采用稳定的建/构筑物角点或固定路灯基座标识。为使沉降观测成果与现行1985国家高程基准一致，以200 m影响区外城市等级控制点（基于1985国家高程基准）作为整网起算并完成所有联测工作。

4.2.2 主要技术指标

根据本地域施工经验并结合相关规程，本项目采用《建筑变形测量规范》中二级变形测量级别精度要求进行沉降观测[11]。报警值（累计值）为20 mm，变化速率为2 mm/d。初始数据采集为2次，监测频率为1天监测1次。

图3 P1点位移速度图

4.2.3 作业方法

在测量之前，对仪器进行监测，以减少仪器的系统误差对沉降监测的影响，此外还需注意固定使用同一套水准仪及水准尺。第一次观测时应进行高程引测及基准点联测，后期每间隔3个月进行一次基准点的稳定性检测，以保证观测数据的可靠性。高程引测及基准点联测按照二级水准测量的观测精度要求进行，采用往返观测。由四等水准点构成闭合水准线路，按二级沉降观测精度要求进行往返观测。

4.2.4 数据处理

在建筑物建设的过程中，随着工程推进，建筑物的基础部分会产生一定量的沉降。沉降量超过一定程度时，必然会导致建筑物受力不均，引起建筑损坏[12]。所以在建筑施工和最初使用过程中，应对建筑物进行周期性的沉降监测，有效防止因沉降过大而产生的事故。每次外业观测工作结束后，把数据放在电脑上用软件进行平差计算，求得各点高程，计算本次沉降量、累计沉降量及沉降速度，提交成果时在成果资料上注明观测日期及施工进度，绘制沉降关系曲线图，并进行成果分析。

测量时，用电子手簿记录，并按照Excel表格格式出具成果，如表3所示。根据监测成果，绘制累计沉降图和沉降速率图，如图4、5所示。

表3 围护体顶部垂直位移监测成果表

图4 P1点累计沉降图

图5 P1点沉降速度图

根据观测次数的第1次、第7次、第14次和第21次，发现点位数据都为负，并且累计位移在-2.5～-0.1 mm之间，可见都垂直向下位移。第21次时，施工情况是基坑整体下挖4.5 m左右，底板浇筑完毕。支护结构顶累计沉降没有达到报警值，沉降速率虽然波动明显，但没有发生较大的沉降，基坑无异常。

4.3 周边建筑物、道路沉降监测

4.3.1 点位布置

沉降监测依据建筑物周围的水准基点进行，首先根据观测要求，需要埋设不少于3个稳定牢固的水准基点且相互的间距不大于100 m，这些基准点与建筑物最大边缘的距离在50～100 m之间，并且要将水准基点布设在受建筑沉降影响范围之外的安全区域。此外，为保证其能够稳定且长期保存，需要将水准点保护起来，在布设时要按照二、三等水准点标石要求进行埋设标志。

高程引测及基准点联测按照二级水准测量的观测精度要求进行[13]，采用往返观测。沉降监测基准点组成监测网，使用水准测量方法进行监测。

4.3.2 主要技术指标

主要技术指标与支护结构顶沉降监测一致，报警值(累计值）为40 mm，变化速率为3 mm/d。初始数据采集为2次，监测频率为1天监测1次。

4.3.3 作业方法

沉降监测基准点组成监测网，用水准测量方法进行监测。每次监测前先要监测基准点的稳定性，而且需要满足二等水准观测要求。沉降监测点采用闭合水准路线，按照二级沉降观测精度的要求进行观测，与基坑的沉降监测方法一致。

4.3.4 数据处理

测量时，用电子手簿记录，并按照Excel表格格式出具成果，如表4所示。

表4 沉降监测成果表

以其中两点绘制累计沉降图和沉降速度图，如图6、7所示。

图6 C8点累计沉降图

图7 C1点沉降速度图

根据观测次数的第1次、第7次、第14次和第21次，可发现绝大部分点位数据都为负，并且在累计位移在-9.2～1.2 mm之间，可见大部分都垂直向下位移。第21次时，施工情况是基坑整体下挖4.5 m左右，底板浇筑完毕。根据数据来看，基坑周边的建筑物在缓慢向下沉降，但沉降量不大，没有达到报警值，所以基坑周边无异常情况。

4.4 地下水位监测

在基坑支护结构外周边土体埋设地下水位管，成孔深度至基坑开挖水位控制深度下2 m左右，逐段安放水位管。量测精度不宜低于10 mm，变化为正值表示水位上升，负值表示水位下降，量测精度不宜低于10 mm。日报警值大于300 mm/d（连续3 d），累计报警值大于等于1 000 mm。初始数据采集为2次，监测频率为1天监测1次。读取钢尺的读数，读数是从地下水位到管口的深度。基坑开挖降水前，选择晴天连续测量2～3 d的水位，取其平均值为水位初始值。

根据观测次数的第1次、第7次、第14次和第21次，如图8所示。

图8 基坑地下水位

以4次数据为标准，第1次为2.582 m、第7次为1.445 m、第14次为0.770 m、第21次为-0.758 m，基坑的下地水位并无异常情况。

4.5 钢绞线锚索轴力监测

每根轴上的测试点应设置在锚头附近，并在有代表性的力位置。安装过程中应随时对锚索测力计4个传感器逐一进行监测，是否4个传感器受力均匀，从锚索开始向周围锚索逐步加载以防偏心受力或过载。当测得的结果达到承载能力的70%时，应及时报警。初始数据采集为2次，监测频率为1天监测1次。对所得的数据按照以下Excel表格格式出具成果，如表6所示。

表6 轴力测定值

根据不同孔号测量的测定值，取一个孔号绘制折线，如图9所示。

图9 孔号ZX1累计变化量图

根据图表可知，有1次达到高峰，但未达到预警值，其他测定时都较为稳定，没有发现特殊情况，满足要求。

5 结论

基坑监测中，监测成果是根据施工安排和进度为依据，对外业数据进行处理，并且提供变形监测报告。对于监测结果，可以进行点位的稳定性分析、水平位移分析和建筑物沉降分析。基坑的深度不断在加深中，基坑的设计和施工技术已经取得的很大的进步。一方面，我们应对不同的基坑进行不同的设计，优化其设计结构；另一方面，应加强基坑监测，为改进建筑设计和研究提供有效的材料。