基坑坡頂水平位移監測方法研究與工程實踐分析

周仁龍，熊健，朱春華

(1.安徽中匯規劃勘測設計研究院股份有限公司，安徽 銅陵 244000； 2.江蘇省地質勘查技術院，江蘇 南京 210049)

1 引 言

隨著我國城市化建設的不斷推進，人們對地下空間的開發力度越來越大，地下室結構由一層轉向多層發展，開挖深度不斷加深，由普遍開挖至地表以下5 m～6 m發展到10 m～12 m以下，甚至更深。在深基坑土方卸載與支護結構施工中，必須要求支護結構與被支護的土體滿足一定的平衡，才能確?；庸こ贪踩椒€，否則會引發被支護的土體及周邊環境較大變形，導致相應次生災害，為工程建設帶來極大損失。為了避免災害的發生，基坑監測對基坑圍護體系與周邊環境進行有效監督，為施工方及時提供監測數據指導施工方信息化施工，同時，驗證支護設計方案的正確性，積累寶貴的經驗。然而，基坑監測坡頂的水平位移作為監測的必測項目，它能直接反饋基坑的變形情況，在基坑監測中為重中之重。

傳統常用的基坑水平位移監測方法有視準線法、小角法。這類方法受儀器以及環境影響較大，測量精度較差，工作量大，效率低[1，2]。隨著高精度全站儀的普及、應用與研究，自由設站法、極坐標法、方向線偏移法、邊角交會法、精密導線法、單站改正法和自由設站法，基于自由設站的CPⅢ控制網的觀測方法，這些方法各有優缺點[4，5]。本文結合工程實例提出一種簡易的基坑監測水平位移監測方法。結果表明：該方法能有效滿足一級基坑水平位移監測要求。

2 基坑坡頂水平位移監測方法及精度分析

如圖1所示，P點位于三倍基坑開挖深度以外，在P點處埋設強制觀測墩，A1，A2，A3點分別置于穩定周邊建筑物上，PA1垂直于坑邊線。以P點為原點，PA1為x軸，基坑邊線為y軸建立基坑坐標系，將A1方向作為起始定向方向，假定P點坐標，從而能推導出A1，A3點在該坐標系下的坐標值，用于檢驗P點穩定性情況以及判斷單次測量的觀測誤差，繼而測出監測點J。

圖1 監測方法

采用上述監測方法，可知監測點J的坐標計算公式如下：

(1)

式(1)中α為J點的天頂距，s為斜距，β為J點的方位角。

對式(1)進行微分有：

(2)

依據誤差傳播定律，將X方向，Y方向以及點位中誤差如下所示：

(3)

在通常情況下，可認為全站儀的水平角與豎直角測角精度一樣。

(4)

由于該種方法埋設強制觀測墩的形式，可認為儀器對中誤差以及偏心中誤差為零，監測點的點位中誤差由誤差傳播定律可知

(5)

徠卡Nova TS50標稱精度，α=β=0.5″，測距精度為單次(棱鏡)0.6 mm+1 ppm×D。在現場施測過程中，天頂距對監測點位移監測影響較小，以天頂距為90°計算，在只進行單次觀測的情況下，隨著距離的增加所得的監測點點位測量中誤差如表1所示：

監測點點位精度表 表1

由表1可知，采用強制對中設站的前提下，不考慮大氣折光，大氣湍流等影響，理論上利用徠卡Nova TS50觀測精度在 400 m以內，只進行單次觀測的測量精度能達到一級基坑水平位移監測[6]要求，即一級基坑要求監測點測量點位中誤差在 ±1.5 mm以內。

3 工程實例及精度分析

蚌埠市某項目為連接兩個已做好的地下車庫臨時開挖基坑工程，設計為標準長方形地下工程，周長 329 m，開挖深度為 10 m，基坑東西走向，本次施工采用分段施工的方法，先開挖西段部分，待西段基礎做好回填后再開挖東側部分。在埋有強制觀測墩的定向點與設站基準點上分別固定棱鏡與架設全站儀，其中，J1，J2，J3，J4為檢驗點，以檢測每次觀測精度以及判斷基準點與定向點的變動情況。Pi點為坡頂位移監測點，其中基準點與定向點的連線方向要求垂直于基坑邊線，在現場布置坡頂點時要求坡頂監測點沿著基坑方向布置。具體如圖2所示：

圖2 某工程基坑水平位移監測布點情況圖

3.1 設站基準點穩定性分析

考慮第m、n兩期的觀測成果，對每期基準網的觀測成果根據所選的基準進行對應的平差，由平差改正數計算兩期單位權方差的估值：

(6)

(7)

式中，f=fm=fn。

假設兩個觀測期間點位未變動，即可由兩期所求得的坐標差△X計算得到另一個方差估值：

(8)

在H0成立的條件下，構造統計量：

(9)

在顯著水平α下，若F

選取項目2017年9月首期基準網點值與2018年1月末期基準網點值進行對比分析，具體數據如表2所示：

兩期坐標平差值 表2

3.2 監測點數據分析

結合現場實際情況，建立垂直于基坑邊線的監測坐標系。監測點的水平位移日變化量與累計變化量即為垂直于x軸或y軸方向的偏離值，分別如下式(10)、式(11)；

△X累計=xpi-xp0；△Y累計=ypi-yp0

(10)

△X速率=xpi-xpi-1；△Y速率=ypi-ypi-1(i≥1)

(11)

上式中，xpi，xpi-1，ypi，ypi-1為第i，i-1次測得監測點坐標值；△X累計，△Y累計表示第i次監測點變形累計值，△X速率；△Y速率表示第i次位移日變化量。

按照本方法，對蚌埠市某基坑進行水平位移監測，并取得了較好的效果，限于文章篇幅選取P2，P3，P6，P11，P16五個點從2017年9月2日～2018年1月8日的65期數據進行分析。具體變形情況如圖3所示。

由圖3可知，監測點位位移累積量基本為正值，由于隨著基坑的開挖，基坑內的土被大面積卸載，基坑支護結構在土壓力作用下，導致坡頂不斷向基坑內位移；在2018年1月2日左右，該基礎工程基本回填結束，之后的坡頂位移趨于穩定，這種現象符合現場施工情況。

圖3位移監測點累計變化曲線圖

4 總 結

基坑監測中，坡頂位移作為基坑最為直觀體現基坑安全狀況的數據，無論幾級基坑，位移監測為必測項目。文章采用一種基坑位移監測方法，對該種方法進行理論分析，得出觀測精度，并通過對檢驗點數據進行統計分析得出該種方案實際觀測精度，采用平均間隙法進行基準點穩定性分析，結合工程實例分析施工監測的變形信息。