周永波,王丽

(1．山东正元地球物理信息技术有限公司,山东济南 250101; 2．山东省第一地质矿产勘查院,山东济南 250014)

建筑基坑常规变形监测技术问题探讨

周永波1∗,王丽2

(1．山东正元地球物理信息技术有限公司,山东济南 250101; 2．山东省第一地质矿产勘查院,山东济南 250014)

伴随着我国城镇化的不断发展以及旧城改造范围的不断扩大,建筑基坑规模及开挖深度随之增大,使得临时围护结构变形和稳定性问题变得突出和复杂,建筑基坑的变形监测已成为市政管理部门和工程界十分关注的问题。文章对建筑基坑常规变形检测技术方法的优缺点、适用范围及监测实施等进行了分析,为基坑变形监测提供了理论参考。

建筑基坑;变形监测;数据处理和分析

1　引 言

基坑开挖引发坡面渗流失稳、土体重力下滑、坑底土体卸荷隆起失稳或者浸水软化、支护桩墙强度不足或者刚度不够,导致基坑附近建筑物或道路开裂、管线爆裂、基坑坍塌等事故屡有发生。通过对这些事故的调查研究可以发现:基坑工程事故多与监测不利等因素有关,基坑监测成为基坑工程中必不可少的重要环节。通过监测技术方法的选择制定、监测方案的实施、对监测数据的处理以及分析,可早期发现问题,并及时通过各种技术和手段的处理,以保证工程的顺利施工。

2　建筑基坑常规变形监测技术

基坑监测是指在施工及使用期限内,对建筑基坑及周边环境实施的检查、监控工作。主要包括:支护结构、相关自然环境、施工工况、地下水状况、基坑底部及周围土体、周围建(构)筑物、周围地下管线及地下设施、周围重要的道路、其他应监测的对象。

2．1基坑监测方法和仪器

2．1．1基坑监测仪器

基坑变形监测中,一般采用电子经纬仪、全站仪、水准仪、测斜仪、GPS以及其他仪器进行变形监测。

(1)经纬仪、全站仪和水准仪

采用电子经纬仪或者全站仪监测水平位移,采用全站仪或毫米级精度的水准仪监测坑壁位移,采用全站仪或精度为0．1 mm的精密水准仪对周边建筑物进行沉降监测。

(2)测斜仪

采用测斜仪对土体水平位移以及围护桩、围护墙或其他围护结构的水平位移等参数进行量测。

一般情况下,测斜仪的测量结果用来与经纬仪的监测结果比对验证。

(3)GPS

在部分基坑变形监测中,常常使用GPS观测监测点的三维位移信息。

(4)其他监测设备

基坑监测中除使用经纬仪、全站仪和水准仪外,还使用土压力及水压力计,使用回弹仪测坑底隆起,还用轴力计测支撑轴力。

2．1．2基坑水平位移监测方法

基坑水平位移观测的常用方法:交会法、小角法、活动觇牌法、全站仪法、GPS法等。

(1)交会法

交会法是指通过测定由变形观测点和2个基准点形成的三角形的边角得到变形观测点的位移变化量。交会法可解决一些不规则形状的基坑水平位移监测问题。缺点是当求变形观测点的位移变化量时,需要至少架设两次仪器,这不仅增加了观测的数量,而且加大测量误差;另外,交会法的计算比较复杂。

(2)小角法

小角法是指利用精密经纬仪精确测出基准线方向同测站点到观测点的视线方向间所夹的小角,从而计算出观测点相对于基准线的偏离值。

计算水平位移的变化,其原理如图1所示。

图1　小角法测偏离值

该检测方法操作简单,计算简便,适用于形状较为规则的基坑。缺点是要求场地必须开阔,基准点与基坑之间必须有一定距离,以避免基坑变形对基准线产生影响;且测站点数量太多,观测成本较高。

(3)活动觇牌法

活动觇牌法是指通过采用精密的附有读数设备的活动觇牌直接测定出观测点相对于基准面的偏离值。活动觇牌如图2所示,觇牌上分划尺的最小分划值为1 mm,用游标尺可直接读到0．1 mm～0．01 mm。活动觇牌法现场即可得出变形结果,不需内业计算。但活动觇牌法不仅具有测小角法的缺点,还需要专用的照准设备及仪器,而且对活动觇牌上的读数尺要求很高,成本相对较高。

图2　活动觇牌

(4)全站仪法

全站仪法是在一个固定的测站点上设置一个高精度全站仪,选择另一个固定点作为后视点,测定各变形观测点的平面坐标,然后将测量结果与首次测量结果进行比较,得出水平位移变化值。

全站仪法观测与计算都比较简便,适用于各种形状的基坑变形监测,而且成本与造价相对较低,目前全站仪在基坑监测方面已广泛使用。然而,高精度电子全站仪价格较高,此外全站仪精度尚不能满足部分深基坑水平位移监测的需求。

(5)GPS监测系统:

GPS法具有测站间无需通视、监测精度高、全天候监测等优点,还可同时提供监测点的三维位移信息。缺点是受地形或建构筑物影响较大,对场地要求较多,垂直位移精度不足,只能获取变形体上部分离散点的位移信息。

这些方法都有各自的优缺点,实际操作过程中应根据基坑的形状和施工现场的具体情况选择合适的监测方法。

2．1．3基坑竖向位移监测方法

基坑竖向位移通常采用精密水准仪配合条形码铟钢水准尺按相应等级水准测量规范要求进行测量。在不同时间测定同一变形监测点,得到几组高程值Hi,根据公式

计算观测点的高程变化值。然后,通过数据处理分析,计算出实际沉降值。

该方法操作简单、读数准确,大大提高了作业效率,提高了监测工作的时效性。

2．2基坑监测系统的布设

2．2．1布设原则

基坑监测系统的布设应遵循以下原则:

(1)采用的观测设备及观测方法应具有数据采集快、全天候作业的能力,能够满足雨雾天气或夜晚等环境下作业的要求;

(2)采用以仪器监测为主,目测巡视为辅的方法。重点、关键区重点监测;

(3)应尽量要求在相同的位置上,使用相同的仪器,由同一观测者按同一方案进行观测,以尽可能做到等精度;

(4)应在地表和基坑土体内部及周边的受影响的建构筑物与设施内布点,以便形成一定的测点覆盖率的监测网;

(5)在满足工程需要和精度要求的同时,应充分考虑成本的问题。

2．2．2基坑支护结构变形监测网的设置

变形监测网的布设应充分考虑周边环境和基坑支护结构等情况,既要保证在建筑物建到±0 m高度之前,能够顺利地观测到支护结构所布设的观测点,又要考虑观测网的图形强度以及观测网控制点的相对稳定性的问题。

2．2．3基坑支护结构监测点的设置

基坑支护结构监测点的设置应考虑基坑支护结构的材料、形状、施工方法和施工地区工程地质条件等因素。

应选择在基坑支护结构圈梁顶变形最敏感的区段布设监测点,以监测支护结构环梁顶部的水平位移和竖向位移;在支护结构基坑内侧布设监测点,监测土体旁侧压力和水头压力等使支撑柱产生的倾斜位移。内力和变形大的代表性(例如基坑的中部和轻轨的支撑柱等)部位,应适当进行加密监测点。

监测点应当避开障碍物,布设在开阔区域,便于观测监测。监测点标志应稳固,易于保存。

2．2．4沉降控制网的布设

沉降控制网点位选择的质量对于保证观测工作的顺利进行和保证测量结果的可靠性有着重要的意义,实际选点布设时应特别注意点位的土质、位置和周围的环境等要求,具体如下:

(1)应考虑点位自身的沉降或因重物碾压等原因引起的点位沉降。

(2)应布设在基坑50 m的以外区域,以避免因拟建建筑物加荷、基坑开挖等引起点位沉降。

(3)观测路线设计应合理,控制点间距应适中。

(4)点位标志应采用顶部突出成球形的不锈钢材料。2．2．5 沉降监测点的布设

沉降监测点除了布设在基坑支护结构顶部以外,还应设置在主楼桩型不同的两侧、拟建建筑物拐角处、大转弯处、沉降缝处以及其他地质条件变化明显的区段内,间距一般为10 m～15 m。

对于周围建筑物沉降监测点的布设,应考虑其建筑结构、高度、地质条件、距离基坑的远近程度等因素,沉降监测点一般设在距地面约0．3 m高的建筑物桩体上。

监测点埋设如图3所示。

图3　监测点埋设示意图

2．2．6基准点的布设

基准点应布设设在距离基坑100 m之外,基础好、沉降稳定、便于施测、便于保存的稳定区域以及稳固的永久性建筑物上,方便从基准点向工作基点引测。

基准点埋设方式如图4、图5所示。

图4　墙角基准点埋设示意图

图5　地面基准点埋设示意图

2．3观测方法及注意事项

仪器在开始使用前均需检定,作业过程中严格遵守规范,每次观测都采用相同的观测仪器,相同观测人员按相同路线进行观测。

每次变形监测前均应对基准点进行联测检校,确定其点位稳定可靠后,才可进行监测。基准点联测及变形点观测均应组成附合或闭合路线。

为保证控制点的可靠,应定期对观测控制点与基准点进行联测,联测后平差处理,根据平差成果对观测控制点进行了修正,以提高观测精度。

为保证观测质量,应注意以下几点:

(1)为确保测量数据的准确性,应绘制观测示意图、做好观测记录,并及时计算闭合差和限差。

(2)应选择适当的时间段进行观测。

(3)应优化观测流程,选择合理的观测顺序。

(4)应采用相同的观测仪器,相同观测人员按相同路线进行观测。

2．4基坑监测时间和频率

基坑监测在土方开挖之时就应开始进行,直至土方回填完毕后结束。监测频率和监测次数应符合现行标准《建筑基坑工程技术规范》(GB 50497-2009)要求。

当发现下列情况之一时,应缩短监测时间间隔、加密监测次数或连续监测:

(1)监测值达到报警标准、监测值变化量较大或速率加快;

(2)出现超长开挖、超深开挖、未及时加撑等情况; (3)基坑附近地面荷载加大;

(4)长时间连续降雨、大量积水、市政管道出现泄漏等情况;

(5)基坑围护结构、坡体或底部出现流沙、管涌等现象;

(6)邻近的地面或建(构)筑物出现严重的开裂、大量沉降或不均匀沉降等;

(7)支护结构开裂;

(8)发现危险事故征兆。2．5 基坑监测数据处理

及时对监测数据进行处理和分析是基坑监测工作的关键。用图表方式对监测数据进行定量分析,可以得出基坑中各监测项目的变化情况,分析基坑变形的规律性和稳定性,为后期的施工和完善设计提供依据,同时对开挖过程中出现的危险信号及时报警,以便采取相应措施。

2．5．1监测数据预处理

由于环境、仪器或操作者等原因,观测数据中可能会引入一些误差(或错误)数据,因此在数据处理时,可以用大量的观测数据的平均值近似地进行表示,也可以用标准误差来表示数据波动的情况或分散的程度,或者舍弃可疑数据。

(1)算术平均值

若未知量x0被测量n次,测量值分别为x1,x2,…,xn,则xr=x0+er,式中,er是观测中的不确定度,它可正可负。那么,n次测量的算术平均值为:

(2)标准误差σ

标准误差σ反映的是测量值在算术平均值附近的分散与偏离程度。σ越大时,波动越大;σ越小时,波动越小。它是一种表示测量误差的较好指标。

2．5．2监测数据处理和分析

利用平差软件对监测数据进行平差解算,得出本观测周期所需要的各种成果:本次观测坐标及高程、本次位移量及位移方位、累计位移量及位移方位、本次最大沉降速度、平均沉降速度、沉降量以及累计沉降量等。最后,利用软件根据数据整理绘出相应的沉降曲线和平面位移曲线。为保证结果的正确性,需要人工对处理结果进行多次检查、校核。确认无误后,方可编写数据报告。

监测数据处理时,应选择多种处理方式。这样,不仅可以检验数据处理的精度,从而保证所采用的数据处理方法的可靠性,还可以考察各种方法的优劣势,为日后的数据处理工作提供经验。

目前,最常用的数据处理分析方法是统计学方法。统计学方法是利用各种数理统计的方法,根据监测数据,计算预报模型,从而达到分析监测对象以及预测变化趋势的目的。

基坑监测应整理完整的监测记录表、数据报表、形象的图表和曲线,监测结束后整理出监测报告。

3　结 语

文章对建筑基坑常规变形检测技术方法的适用范围及优缺点进行了分析对比,对基坑监测方法和仪器、基坑监测系统的布设以及监测数据的分析处理方法等方面进行了论述,为建筑基坑变形监测方案的优化设计提供了理论基础,为基坑监测的实施提供了可靠的技术保障,为确保地面建、构筑物的安全提供了有力支持。

[1] GB 50497-2009．建筑基坑工程检测技术规范[S]．

[2] 张克恭．建筑基坑监测实践[C]．中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集[A]．重庆:重庆大学出版社,2003:25～28．

[2] 袁定伟,郑加柱．建筑基坑变形监测方法分析[J]．山西建筑,2007,33(8)．

[3] 张冬晓．建筑基坑监测及预测预报系统研究[D]．长沙:中南大学,2005．

[4] 蒋宿平．基坑监测技术的研究与应用[D]．长沙:中南大学,2010．

[5] 王伟．基坑变形监测数据的可靠性分析[D]．广州:华南理工大学,2010．

About Construction Method and Realization of the Foundation Pit Deformation Monitoring Technology

Zhou Yongbo1,Wang Li2
(1．Shandong Zhengyuan Geophysical Information Technology Co．,Ltd,Ji′nan 250101,China; 2．NO1 Institute of Geology and mineral resources of Shandong Province,Ji′nan 250014,China)

With the continuous development of China's urbanization and the expansion of the scope of the transformation of the old city,the size of the foundation pit and the increase of the depth of the excavation,the deformation and stability of the temporary retaining structure become outstanding and complex,which has become a problem of the municipal administration departments and the engineering community．In this paper,the advantages and disadvantages,the application scope and the monitoring of the deformation detection technology for conventional foundation pit are analyzed, which provides a theoretical reference for the deformation monitoring of foundation pit．

building excavation;deformation monitoring;data processing and analysis

1672-8262(2016)01-141-04

P258

B

∗2015—10—27

周永波(1976—),男,工程师,硕士,主要从事测绘技术工作。