緊鄰高邊坡深基坑開挖監測聯合支護體系的建立

陳駿，張云毅，王永招，彭偉，龔璐杰，陽波，張鼎，張可能

（1.中建五局土木工程有限公司，長沙410000；2.有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室，長沙410083；3.中南大學地球科學與信息物理學院，長沙410083）

1 引言

緊鄰高邊坡的基坑在開挖時，高邊坡的存在會導致基坑側壁承受額外的壓力，而邊坡的穩定性也隨著基坑的開挖面臨著許多不確定性變化。對于這種特殊位置關系下的基坑—邊坡工程，有研究人員在計算【1】、設計【2】及施工【3】等方面均取得了一定成果。紀廣強等【4】通過某個深基坑開挖的周圍環境監測結果，分析了該深基坑開挖所引起的環境問題，認為基坑地質條件較好且開挖滿足支護系統安全穩定的條件時，仍可能對周圍環境造成較大的影響。吳意謙等【5】通過某深基坑工程的監測結果分析了圍護結構及周圍土體隨著基坑開挖深度和時間變化的位移規律。由此可見，有效的監測對于基坑工程來說是必不可少的。因此，本文介紹的工程采用能夠動態觀測基坑側壁位移及結構應力變化的聯合監測體系，以期能為類似環境條件下的工程監測網的建立提供參考。

2 工程概況

基坑場地位于郴州市人民東路延伸段，為進行南北走向的人民東路下穿東西走向的青年大道箱涵的施工，需要在2條路的交匯處進行基坑開挖（見圖1）。基坑南北長約60m，東西寬20m，基坑最大深度為16m。根據區域工程勘察資料，場地地層主要為人工填土層、第四系坡殘積層，下伏巖層為石炭系（C）地層，白云質灰巖、砂巖、炭質頁巖，砂巖與炭質頁巖呈互層狀分布。地下水類型主要有孔隙水和基巖裂隙水，對工程影響不大。

圖1基坑場地平面圖

本工程設計采用“抗滑樁+錨索”的方案進行基坑支護，為確保基坑在開挖階段的穩定性，需要在基坑周邊及高邊坡的關鍵位置建立有效的監護體系，以確保基坑施工過程中的安全性。

3 監測體系的建立

根據基坑設計資料，本基坑支護變形監測等級為一級。為全面掌握基坑及支護結構變形的發展，在基坑開挖至基坑回填期間，對基坑側壁支護結構進行水平位移、沉降、深層水平位移和預應力錨桿拉力的監測。對基坑周邊的高邊坡進行水平位移和沉降的觀測。對于基坑周邊未臨邊坡的平地和青年大道，需要觀測其變形。監測工具主要包括全站儀、水準儀、測斜管、測斜儀、錨索應力計等常用監測儀器。其中支護結構變形的監測點安置在支護樁冠梁頂部，在支護結構內安裝測斜計對結構進行測斜。錨索應力及安置在錨桿鎖頭處。邊坡的觀測點設置在邊坡坡頂和坡腳處的關鍵位置。

受地鐵運營時間的限制，本項目自動化程度較高且覆蓋完整，涉及人工的項目僅為儀器的人工調試和維護，由此可見，自動化實時監測不僅節省人力成本、降低勞動強度，又能最大限度地減少人為測量誤差，所以本文將重點闡述自動化實時監測。

3.1 水平及沉降位移監測

布設5個水平位移基準點，首先，通過用全站儀支點法或者GPS-RTK圖根控制法測定各控制點在工程坐標內的坐標，然后，對監測控制網獨立進行精化以達到所需的相對精度。工作基點另設在基坑的支護樁頂部冠梁處，采用觀測墩的形式。支護結構水平位移監測點根據設計圖紙布設。

場地設置了8個沉降監測基準點，以保證在整個觀測過程中穩定、可靠。其中，場地外布設BM1、BM2 2個基準點。順著青年大道向本基坑均勻布設水準點，并分別命名為BM3～BM8。其中，BM7、BM8作為日常工作基點，埋設于靠近基坑但又不受影響的位置。

完成沉降基準點的聯測與穩定性檢驗后，進行沉降監測點的埋設。沉降監測使用精密電子水準儀，配合銦鋼條碼尺或玻璃鋼條碼尺進行水準測量，需將水準線路布設成環型閉合線路：從BM7起，經過BM8后對各監測點進行測量，最后再經過BM8后，閉合于BM7。在監測過程中，發現BM7、BM8的高差出現異常時（大于1.5mm），需重測并確認是否基準點發生了變化。

3.2 錨索應力監測

首先進行錨索計安裝，錨索的內力監測點應選擇在受力較大且有代表性的位置，基坑每邊中部、陽角處和地質條件復雜的區段宜布設監測點。各層監測點位置在豎向上應保持一致。

錨索應力監測時，在錨索計受力前進行初始值的測量，錨索預應力張拉時，同時進行錨索計的讀數，并根據千斤頂的讀數對錨索計的結果進行比較、校核。根據監測的頻率讀數計算錨索拉力值，并繪制拉力-時間變化曲線圖。

3.3 支護結構測斜

測斜工作首先需要進行樁體測斜管埋設和土體測斜管的埋設。測斜管在支護結構內的位置應避開導管，在測管連接時，將4m（或2m）一節的測斜管用束節逐節連接在一起，并在每個束節接頭兩端用防水膠布包扎。完成內槽檢驗和測管固定后即可吊裝下籠。冠梁施工階段是測斜管最容易受到損壞階段，應根據冠梁高度重新調整測斜管管口位置。土體內測斜管采用鉆孔法安裝，具體操作按照有關規范進行。測斜監測方法及精度也應滿足規范要求。

4 動態監測系統的應用

自動化監測即將監測元器件數據與互聯網結合，實現遠程監控，實時自主監測，自動反饋跟蹤，能夠使監測無盲點、無死角，可有效地確保監測的效率和精準度，杜絕工程事故的發生。針對緊鄰高邊坡的基坑，自動化監測方案能夠發揮其獨特的優勢，通過與常規監測手段的配合，能夠更好地滿足施工要求。自動化監測的組建如圖2所示。

圖2自動化監測系統示意圖

4.1 支護結構上部三維變形自動化監測

當前的三維變形自動化監測，應用較為廣泛和成熟的是使用測量機器人進行監測。采用TM30全站儀結合徠卡GeoMoS系統進行三維變形自動化監測。徠卡TM30測量機器人具有高精度、高速度、全自動化的特點，能夠確保全天候無間斷工作，其智能識別系統能夠滿足自動目標識別3 000m的測程。除此之外，其能夠實時顯示并保存測量數據，并可同時通過電纜、移動電話以及因特網進行數據傳輸。

監測方法為在基坑支護樁頂部及距離坑頂3～5m的支護結構內側設置目標棱鏡，在工作基點上架設測量機器人，通過后方交會獲得設站坐標及方位角后，依次對目標測量并通過無線網絡發送數據到GeoMoS。由軟件計算各監測點與初始值的三維變化并以圖表的形式呈現在監視器中。當某個監視點變形值或變形速率超過設定值時，馬上對相關的監測點進行再次測量，確認后發布預警信息。

4.2 基坑收斂（相對位移）及錨索應力自動化監測

將此前安裝好的錨索應力計接入自動化采集系統，由該系統根據設定好的周期或者臨時指令測量錨索拉力；分別在距離及坑頂約5m、10m的基坑支護結構上安裝測距儀，在對面基坑支護結構上安裝目標棱鏡。根據程序設定的方式測量儀器和棱鏡間的相對距離。當錨索拉力和相對距離的變形值或變形速率超過設定值后，經過再次復核后，發布預警信息。

通過自動化系統，可實現高頻率的即時監測，隨時向工程施工及各管理部門提供數據成果和趨勢分析等。當基坑施工進入較深的階段時，或者變形量接近預警值時，自動化實時監測將對工程安全起到更重要的作用。

5 監測結果分析

在保證基坑施工安全的前提下，變形監測中首次采用基于自動化監測系統的機器人監測技術，對本次監測工程來講是一次嶄新的嘗試，也是科研和生產的一次很好的結合。為驗證和保障自動化監測的準確性，自動化機器人監測位移的同時也進行了人工測量水平、沉降監測數據。將兩者的結果進行對比，能夠更好地反映新技術的適用性。

將同一位置不同手段得到的2組監測數據進行分析，對比數據如表1所示。

表1 2種監測方法數據對比mm

表1反映光纖自動監測機器人所測得的數據曲線和人工沉降監測的數據繪制的曲線圖形相似度較高，二者的結果相差不大，說明自動化監測系統所獲取的數據十分可靠。因此，自動化監測在緊鄰高邊坡的基坑監測中可以作為一種成熟的監測方法被應用。

6 結語

本工程依據場地特點，建立緊鄰高邊坡的基坑監測體系，在監測過程中采用了新的監測技術、設備和方法，在對基坑支護結構及邊坡重點部位進行人工監測的同時，還運用了自動化監測系統，在基坑開挖過程中對變形重點區域采用監測機器人等最新監測儀器，在為基坑開挖提供準確監測數據的同時提升了監測效率，從而保障了基坑開挖施工的安全。

技術層面上，通過人工監測與自動化監測系統在一些關鍵點監測的結果對比分析上來看，引入自動化監測技術在基坑內部支護結構建立的沉降、位移、錨索軸力的變化情況以及基坑外部邊坡、道路重點部位的位移變化，實現由基坑內到基坑外、人工監測方法與自動化監測技術相結合，有效獲得準確的監測數據，對保障工程的順利完成奠定了基礎。