建筑基坑常規變形監測技術問題探討

周永波,王麗

(1．山東正元地球物理信息技術有限公司,山東濟南 250101; 2．山東省第一地質礦產勘查院,山東濟南 250014)

建筑基坑常規變形監測技術問題探討

周永波1?,王麗2

(1．山東正元地球物理信息技術有限公司,山東濟南 250101; 2．山東省第一地質礦產勘查院,山東濟南 250014)

伴隨著我國城鎮化的不斷發展以及舊城改造范圍的不斷擴大,建筑基坑規模及開挖深度隨之增大,使得臨時圍護結構變形和穩定性問題變得突出和復雜,建筑基坑的變形監測已成為市政管理部門和工程界十分關注的問題。文章對建筑基坑常規變形檢測技術方法的優缺點、適用范圍及監測實施等進行了分析,為基坑變形監測提供了理論參考。

建筑基坑;變形監測;數據處理和分析

1　引 言

基坑開挖引發坡面滲流失穩、土體重力下滑、坑底土體卸荷隆起失穩或者浸水軟化、支護樁墻強度不足或者剛度不夠,導致基坑附近建筑物或道路開裂、管線爆裂、基坑坍塌等事故屢有發生。通過對這些事故的調查研究可以發現:基坑工程事故多與監測不利等因素有關,基坑監測成為基坑工程中必不可少的重要環節。通過監測技術方法的選擇制定、監測方案的實施、對監測數據的處理以及分析,可早期發現問題,并及時通過各種技術和手段的處理,以保證工程的順利施工。

2　建筑基坑常規變形監測技術

基坑監測是指在施工及使用期限內,對建筑基坑及周邊環境實施的檢查、監控工作。主要包括:支護結構、相關自然環境、施工工況、地下水狀況、基坑底部及周圍土體、周圍建(構)筑物、周圍地下管線及地下設施、周圍重要的道路、其他應監測的對象。

2．1基坑監測方法和儀器

2．1．1基坑監測儀器

基坑變形監測中,一般采用電子經緯儀、全站儀、水準儀、測斜儀、GPS以及其他儀器進行變形監測。

(1)經緯儀、全站儀和水準儀

采用電子經緯儀或者全站儀監測水平位移,采用全站儀或毫米級精度的水準儀監測坑壁位移,采用全站儀或精度為0．1 mm的精密水準儀對周邊建筑物進行沉降監測。

(2)測斜儀

采用測斜儀對土體水平位移以及圍護樁、圍護墻或其他圍護結構的水平位移等參數進行量測。

一般情況下,測斜儀的測量結果用來與經緯儀的監測結果比對驗證。

(3)GPS

在部分基坑變形監測中,常常使用GPS觀測監測點的三維位移信息。

(4)其他監測設備

基坑監測中除使用經緯儀、全站儀和水準儀外,還使用土壓力及水壓力計,使用回彈儀測坑底隆起,還用軸力計測支撐軸力。

2．1．2基坑水平位移監測方法

基坑水平位移觀測的常用方法:交會法、小角法、活動覘牌法、全站儀法、GPS法等。

(1)交會法

交會法是指通過測定由變形觀測點和2個基準點形成的三角形的邊角得到變形觀測點的位移變化量。交會法可解決一些不規則形狀的基坑水平位移監測問題。缺點是當求變形觀測點的位移變化量時,需要至少架設兩次儀器,這不僅增加了觀測的數量,而且加大測量誤差;另外,交會法的計算比較復雜。

(2)小角法

小角法是指利用精密經緯儀精確測出基準線方向同測站點到觀測點的視線方向間所夾的小角,從而計算出觀測點相對于基準線的偏離值。

計算水平位移的變化,其原理如圖1所示。

圖1　小角法測偏離值

該檢測方法操作簡單,計算簡便,適用于形狀較為規則的基坑。缺點是要求場地必須開闊,基準點與基坑之間必須有一定距離,以避免基坑變形對基準線產生影響;且測站點數量太多,觀測成本較高。

(3)活動覘牌法

活動覘牌法是指通過采用精密的附有讀數設備的活動覘牌直接測定出觀測點相對于基準面的偏離值?；顒右椗迫鐖D2所示,覘牌上分劃尺的最小分劃值為1 mm,用游標尺可直接讀到0．1 mm～0．01 mm?；顒右椗品ìF場即可得出變形結果,不需內業計算。但活動覘牌法不僅具有測小角法的缺點,還需要專用的照準設備及儀器,而且對活動覘牌上的讀數尺要求很高,成本相對較高。

圖2　活動覘牌

(4)全站儀法

全站儀法是在一個固定的測站點上設置一個高精度全站儀,選擇另一個固定點作為后視點,測定各變形觀測點的平面坐標,然后將測量結果與首次測量結果進行比較,得出水平位移變化值。

全站儀法觀測與計算都比較簡便,適用于各種形狀的基坑變形監測,而且成本與造價相對較低,目前全站儀在基坑監測方面已廣泛使用。然而,高精度電子全站儀價格較高,此外全站儀精度尚不能滿足部分深基坑水平位移監測的需求。

(5)GPS監測系統:

GPS法具有測站間無需通視、監測精度高、全天候監測等優點,還可同時提供監測點的三維位移信息。缺點是受地形或建構筑物影響較大,對場地要求較多,垂直位移精度不足,只能獲取變形體上部分離散點的位移信息。

這些方法都有各自的優缺點,實際操作過程中應根據基坑的形狀和施工現場的具體情況選擇合適的監測方法。

2．1．3基坑豎向位移監測方法

基坑豎向位移通常采用精密水準儀配合條形碼銦鋼水準尺按相應等級水準測量規范要求進行測量。在不同時間測定同一變形監測點,得到幾組高程值Hi,根據公式

計算觀測點的高程變化值。然后,通過數據處理分析,計算出實際沉降值。

該方法操作簡單、讀數準確,大大提高了作業效率,提高了監測工作的時效性。

2．2基坑監測系統的布設

2．2．1布設原則

基坑監測系統的布設應遵循以下原則:

(1)采用的觀測設備及觀測方法應具有數據采集快、全天候作業的能力,能夠滿足雨霧天氣或夜晚等環境下作業的要求;

(2)采用以儀器監測為主,目測巡視為輔的方法。重點、關鍵區重點監測;

(3)應盡量要求在相同的位置上,使用相同的儀器,由同一觀測者按同一方案進行觀測,以盡可能做到等精度;

(4)應在地表和基坑土體內部及周邊的受影響的建構筑物與設施內布點,以便形成一定的測點覆蓋率的監測網;

(5)在滿足工程需要和精度要求的同時,應充分考慮成本的問題。

2．2．2基坑支護結構變形監測網的設置

變形監測網的布設應充分考慮周邊環境和基坑支護結構等情況,既要保證在建筑物建到±0 m高度之前,能夠順利地觀測到支護結構所布設的觀測點,又要考慮觀測網的圖形強度以及觀測網控制點的相對穩定性的問題。

2．2．3基坑支護結構監測點的設置

基坑支護結構監測點的設置應考慮基坑支護結構的材料、形狀、施工方法和施工地區工程地質條件等因素。

應選擇在基坑支護結構圈梁頂變形最敏感的區段布設監測點,以監測支護結構環梁頂部的水平位移和豎向位移;在支護結構基坑內側布設監測點,監測土體旁側壓力和水頭壓力等使支撐柱產生的傾斜位移。內力和變形大的代表性(例如基坑的中部和輕軌的支撐柱等)部位,應適當進行加密監測點。

監測點應當避開障礙物,布設在開闊區域,便于觀測監測。監測點標志應穩固,易于保存。

2．2．4沉降控制網的布設

沉降控制網點位選擇的質量對于保證觀測工作的順利進行和保證測量結果的可靠性有著重要的意義,實際選點布設時應特別注意點位的土質、位置和周圍的環境等要求,具體如下:

(1)應考慮點位自身的沉降或因重物碾壓等原因引起的點位沉降。

(2)應布設在基坑50 m的以外區域,以避免因擬建建筑物加荷、基坑開挖等引起點位沉降。

(3)觀測路線設計應合理,控制點間距應適中。

(4)點位標志應采用頂部突出成球形的不銹鋼材料。2．2．5 沉降監測點的布設

沉降監測點除了布設在基坑支護結構頂部以外,還應設置在主樓樁型不同的兩側、擬建建筑物拐角處、大轉彎處、沉降縫處以及其他地質條件變化明顯的區段內,間距一般為10 m～15 m。

對于周圍建筑物沉降監測點的布設,應考慮其建筑結構、高度、地質條件、距離基坑的遠近程度等因素,沉降監測點一般設在距地面約0．3 m高的建筑物樁體上。

監測點埋設如圖3所示。

圖3　監測點埋設示意圖

2．2．6基準點的布設

基準點應布設設在距離基坑100 m之外,基礎好、沉降穩定、便于施測、便于保存的穩定區域以及穩固的永久性建筑物上,方便從基準點向工作基點引測。

基準點埋設方式如圖4、圖5所示。

圖4　墻角基準點埋設示意圖

圖5　地面基準點埋設示意圖

2．3觀測方法及注意事項

儀器在開始使用前均需檢定,作業過程中嚴格遵守規范,每次觀測都采用相同的觀測儀器,相同觀測人員按相同路線進行觀測。

每次變形監測前均應對基準點進行聯測檢校,確定其點位穩定可靠后,才可進行監測。基準點聯測及變形點觀測均應組成附合或閉合路線。

為保證控制點的可靠,應定期對觀測控制點與基準點進行聯測,聯測后平差處理,根據平差成果對觀測控制點進行了修正,以提高觀測精度。

為保證觀測質量,應注意以下幾點:

(1)為確保測量數據的準確性,應繪制觀測示意圖、做好觀測記錄,并及時計算閉合差和限差。

(2)應選擇適當的時間段進行觀測。

(3)應優化觀測流程,選擇合理的觀測順序。

(4)應采用相同的觀測儀器,相同觀測人員按相同路線進行觀測。

2．4基坑監測時間和頻率

基坑監測在土方開挖之時就應開始進行,直至土方回填完畢后結束。監測頻率和監測次數應符合現行標準《建筑基坑工程技術規范》(GB 50497-2009)要求。

當發現下列情況之一時,應縮短監測時間間隔、加密監測次數或連續監測:

(1)監測值達到報警標準、監測值變化量較大或速率加快;

(2)出現超長開挖、超深開挖、未及時加撐等情況; (3)基坑附近地面荷載加大;

(4)長時間連續降雨、大量積水、市政管道出現泄漏等情況;

(5)基坑圍護結構、坡體或底部出現流沙、管涌等現象;

(6)鄰近的地面或建(構)筑物出現嚴重的開裂、大量沉降或不均勻沉降等;

(7)支護結構開裂;

(8)發現危險事故征兆。2．5 基坑監測數據處理

及時對監測數據進行處理和分析是基坑監測工作的關鍵。用圖表方式對監測數據進行定量分析,可以得出基坑中各監測項目的變化情況,分析基坑變形的規律性和穩定性,為后期的施工和完善設計提供依據,同時對開挖過程中出現的危險信號及時報警,以便采取相應措施。

2．5．1監測數據預處理

由于環境、儀器或操作者等原因,觀測數據中可能會引入一些誤差(或錯誤)數據,因此在數據處理時,可以用大量的觀測數據的平均值近似地進行表示,也可以用標準誤差來表示數據波動的情況或分散的程度,或者舍棄可疑數據。

(1)算術平均值

若未知量x0被測量n次,測量值分別為x1,x2,…,xn,則xr=x0+er,式中,er是觀測中的不確定度,它可正可負。那么,n次測量的算術平均值為:

(2)標準誤差σ

標準誤差σ反映的是測量值在算術平均值附近的分散與偏離程度。σ越大時,波動越大;σ越小時,波動越小。它是一種表示測量誤差的較好指標。

2．5．2監測數據處理和分析

利用平差軟件對監測數據進行平差解算,得出本觀測周期所需要的各種成果:本次觀測坐標及高程、本次位移量及位移方位、累計位移量及位移方位、本次最大沉降速度、平均沉降速度、沉降量以及累計沉降量等。最后,利用軟件根據數據整理繪出相應的沉降曲線和平面位移曲線。為保證結果的正確性,需要人工對處理結果進行多次檢查、校核。確認無誤后,方可編寫數據報告。

監測數據處理時,應選擇多種處理方式。這樣,不僅可以檢驗數據處理的精度,從而保證所采用的數據處理方法的可靠性,還可以考察各種方法的優劣勢,為日后的數據處理工作提供經驗。

目前,最常用的數據處理分析方法是統計學方法。統計學方法是利用各種數理統計的方法,根據監測數據,計算預報模型,從而達到分析監測對象以及預測變化趨勢的目的。

基坑監測應整理完整的監測記錄表、數據報表、形象的圖表和曲線,監測結束后整理出監測報告。

3　結 語

文章對建筑基坑常規變形檢測技術方法的適用范圍及優缺點進行了分析對比,對基坑監測方法和儀器、基坑監測系統的布設以及監測數據的分析處理方法等方面進行了論述,為建筑基坑變形監測方案的優化設計提供了理論基礎,為基坑監測的實施提供了可靠的技術保障,為確保地面建、構筑物的安全提供了有力支持。

[1] GB 50497-2009．建筑基坑工程檢測技術規范[S]．

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[4] 蔣宿平．基坑監測技術的研究與應用[D]．長沙:中南大學,2010．

[5] 王偉．基坑變形監測數據的可靠性分析[D]．廣州:華南理工大學,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,工程師,碩士,主要從事測繪技術工作。