近鄰高層建筑基坑開挖地質(zhì)沉降雷達(dá)探測技術(shù)研究

中圖分類號：TU473 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

城市里高層建筑基坑開挖工程越來越多，可周邊往往有好多既有建筑物、地下管線和交通設(shè)施，使基坑開挖時的地質(zhì)沉降問題變得又復(fù)雜又關(guān)鍵。挖土?xí)蚱仆馏w原來的應(yīng)力平衡，周邊土體應(yīng)力重新分布，地表和建筑物就會沉降。如果沉降太多，周邊建筑物墻體可能開裂、傾斜，地下管線可能破裂、滲漏，甚至引發(fā)嚴(yán)重安全事故，威脅人民生命財產(chǎn)安全。傳統(tǒng)地質(zhì)沉降監(jiān)測方法，在復(fù)雜多變的基坑開挖環(huán)境里，很難及時、準(zhǔn)確地反映地質(zhì)沉降的真實情況，不能滿足現(xiàn)代工程建設(shè)對安全監(jiān)測的高要求。近鄰高層建筑基坑開挖地質(zhì)沉降雷達(dá)探測技術(shù)精度高、效率高，能夠穿透一定厚度的土體，獲取地下土體的變形信息[1]，全方位、實時地監(jiān)測地質(zhì)沉降。通過該技術(shù)，工程人員能及時了解基坑開挖時周邊地質(zhì)沉降的變化規(guī)律，提前發(fā)現(xiàn)潛在安全隱患。

1 工程概況

以臨近商業(yè)綜合體的高層建筑基坑工程為例，該建筑地下2層、地上18層，為商業(yè)辦公用途，總建筑面積約 92500m² 。工程西側(cè)有未來道路拓寬項目，基坑占地約 7200m² ，圍護(hù)結(jié)構(gòu)總周長 38m ，長方形布局，擬建基坑深度 5.5～6.5m ，工程平面圖如圖1所示。

圖1工程平面圖

基坑開挖時，因局部排水沒做好，周邊土體出現(xiàn)水土流失，導(dǎo)致基坑北側(cè) 12m 處一棟已投用的寫字樓附屬裙樓有異常。裙樓和主樓用沉降縫分隔，地基在泥質(zhì)粉砂巖的天然淺基礎(chǔ)上。此裙樓結(jié)構(gòu)特殊，體型狹長、高度較高，對基坑開挖施工產(chǎn)生的擾動十分敏感。

依據(jù)詳細(xì)的巖土工程勘察報告，該區(qū)域從地表至基坑底板以下的地層分布情況如表1所示。

表1地層分布情況

作者簡介：吳李季(1992—），男，中級工程師，本科;研究方向：電法，瞬變電磁法，地質(zhì)雷達(dá)探測。

鑒于上述工程地質(zhì)條件及已出現(xiàn)的周邊建筑異常情況，工程人員采用雷達(dá)探測技術(shù)對基坑周邊土體地質(zhì)沉降進(jìn)行實時監(jiān)測。

2近鄰高層建筑基坑開挖地質(zhì)沉降雷達(dá)探測技術(shù)設(shè)計

2.1利用雷達(dá)探測技術(shù)獲取基坑開挖地質(zhì)異常情況

近鄰高層建筑基坑開挖地質(zhì)沉降雷達(dá)探測技術(shù)是借助地質(zhì)雷達(dá)（Ground PenetratingRadar，GPR）捕捉基坑開挖過程中的地質(zhì)異常情況。地質(zhì)雷達(dá)會朝著地下發(fā)射具有特定頻率的電磁波信號[2]，同時接收從地下介質(zhì)反射回來的電磁波。之后，技術(shù)人員會對接收到的信號開展處理、分析以及解讀工作。當(dāng)電磁波在地下傳播時，在已知地下介質(zhì)波速的情況下，能準(zhǔn)確計算出目標(biāo)體的位置，具體過程如圖2所示。

圖2利用雷達(dá)探測技術(shù)獲取目標(biāo)體的位置

圖3監(jiān)測點具體布設(shè)

用地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)，在基坑開挖地質(zhì)主軸方向，分析雷達(dá)圖像里反射波同相軸變化，能判斷地質(zhì)異常位置和形態(tài)。如果反射波同相軸明顯錯斷，基本能判定這位置有異常[3]。工程人員準(zhǔn)確獲取并分析這些異常情況后，能提前采取加固支護(hù)、調(diào)整開挖方案等針對性措施，保障基坑開挖安全，避免地質(zhì)災(zāi)害造成大損失。

2.2計算近鄰高層建筑基坑地質(zhì)層位位移

考慮到多數(shù)地質(zhì)異常引發(fā)的地層變形集中在12m 厚土層范圍內(nèi)，且集中體現(xiàn)在 25～45cm 深度區(qū)域，故針對該 12m 厚度土層展開數(shù)值計算。為簡化研究，假設(shè)地質(zhì)異常導(dǎo)致的土洞形態(tài)為橢球狀和球狀。建立的地質(zhì)模型尺寸為 12m×12m×12m 。模型在 x，y 方向的網(wǎng)格大小設(shè)定為 0.6m，z 方向的網(wǎng)格大小則依據(jù)土洞大小及埋深進(jìn)行靈活調(diào)整[4]

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖過程中會產(chǎn)生側(cè)向變形，其側(cè)向變形曲線一般表達(dá)式可設(shè)為：

式(1)中， u(x) 表示基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在距離開挖面處的側(cè)向變形量， u₀ 為圍護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖面處的初始側(cè)向變形量， α 為與土體性質(zhì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度等因素相關(guān)的系數(shù)， e 為自然對數(shù)的底數(shù)。

基坑任意位置 Φ(x，y) 所在的地層水平位移可表示為：

U(x，y)=λu(x)×cosθ

式(2)中， λ 為考慮空間效應(yīng)和土體不均勻性的修正系數(shù)， θ 為水平位移方向與 x 軸的夾角。

基坑任意位置 (x，y) 所在地層豎向位移可表示為：

式(3)中， γ 為反映豎向位移與水平變形關(guān)系的系數(shù)， h 為該位置到某一參考面的垂直距離。

依據(jù)上述公式，基坑任意位置 Φ(x，y) 地層的總位移可表示為：

深基坑地層位移方向由水平位移 U(x，y) 和豎向位移 W(x，y) 共同決定。利用上述公式，可精準(zhǔn)算出基坑開挖時，由地質(zhì)異常引發(fā)的地層位移情況。

2.3檢測近鄰高層建筑基坑開挖地質(zhì)沉降

在近鄰高層建筑基坑開挖工程中，地質(zhì)層位位移狀況與基坑及周邊地質(zhì)沉降緊密相關(guān)。依據(jù)本工程特點以及周邊復(fù)雜的環(huán)境條件，施工技術(shù)人員須對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的地質(zhì)層位應(yīng)力應(yīng)變場，還有周邊建筑物的沉降變形展開嚴(yán)密監(jiān)測，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)做出合理調(diào)整。

監(jiān)測點布設(shè)。在基坑南側(cè)，安排6個點構(gòu)成一個監(jiān)測斷面，各點間距設(shè)定為 6m，6m，12m，18m_c 。在基坑北側(cè)，則由7個點組成斷面，點與點間距依次為6m，6m，12m，2m，18m 。監(jiān)測點埋設(shè)時，選用長度大于 120cm 的鋼筋打入地面。如果土質(zhì)松軟，就采用注漿加固等方式，保證監(jiān)測點在監(jiān)測全程不會位移[5]，具體布設(shè)如圖3所示，依據(jù)現(xiàn)場實際靈活調(diào)整。

注漿加固美

對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部豎向位移[6-7]，在冠梁頂?shù)年P(guān)鍵位置打入帶有沉降與位移測試功能的復(fù)合測量點。針對深層地質(zhì)層位水平位移，把測斜儀探頭緩緩放入預(yù)埋的測斜管底部，通過測量測斜儀與鉛垂線的夾角，精確計算水平位移量。對于周邊建筑物基礎(chǔ)沉降監(jiān)測，布設(shè)測點要保證測點頂部低于地面 12cm ，防止地面活動對測量結(jié)果造成干擾。對于土釘拉力監(jiān)測，將專用傳感器精準(zhǔn)套在土釘上，安裝到土釘錨固區(qū)后，及時測定初始拉力數(shù)據(jù)，后續(xù)持續(xù)監(jiān)測其變化。通過這些監(jiān)測手段，工程人員能準(zhǔn)確掌握基坑開挖過程中的地質(zhì)沉降情況，保障工程安全。

3實例

3.1 實例準(zhǔn)備

實例現(xiàn)場采用高精度自動化雷達(dá)探測系統(tǒng)，設(shè)備就位后，先對探測區(qū)域進(jìn)行基準(zhǔn)點校準(zhǔn)，確保雷達(dá)天線與預(yù)設(shè)探測路徑嚴(yán)格垂直。探測時，先對基坑周邊重點敏感區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化預(yù)掃描，再對關(guān)鍵監(jiān)測點位加密探測，以保障沉降數(shù)據(jù)采集的全面性與精準(zhǔn)性。

若探測區(qū)域地層較厚、目標(biāo)埋深大，比如要探明基坑下方幾十米深的潛在軟弱夾層分布，可選用30MHz 或 80MHz 低頻雷達(dá)探測系統(tǒng)，雖分辨率會有所降低，但能保證足夠的穿透深度。若目標(biāo)埋深淺且地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，像基坑周邊淺層土體中的微小裂縫，則宜選 250MHz 或 500MHz 高頻雷達(dá)探測系統(tǒng)提升精度。實際中可組合使用，以全面提升探測效能，雷達(dá)探測系統(tǒng)頻率技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2雷達(dá)探測系統(tǒng)頻率技術(shù)參數(shù)

在近鄰高層建筑基坑開挖地質(zhì)沉降雷達(dá)探測技術(shù)實例準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，本次探測使用的雷達(dá)系統(tǒng)測線距設(shè)定為 2m ，旨在精準(zhǔn)獲取深度 12m 以內(nèi)目標(biāo)體（如地下裂縫、松散土體異常區(qū)等)信息，測點距為 0.15m 。工程現(xiàn)場共設(shè)置12個地表沉降監(jiān)測點，編號為 B01～ B12；同時布置12個建筑物沉降觀測點，編號為 J01～ J12，具體布點位置如圖4所示。

圖4沉降觀測點具體布點位置

本實例具體針對J01、J02、J03這幾個建筑物沉降觀測點的數(shù)據(jù)。鑒于臨近建筑沉降與周邊地表沉降緊密相關(guān)，也須對地表沉降數(shù)據(jù)加以分析。本文主要聚焦于B03、B09、B12這幾個地表沉降監(jiān)測點的數(shù)據(jù)。

3.2 應(yīng)用結(jié)果分析

按照既定的監(jiān)測計劃，重點關(guān)注J01、J02、J03這幾個建筑物沉降觀測點所處區(qū)域的基坑周邊地下管線區(qū)域沉降變化情況，具體結(jié)果如圖5所示。

從圖5能看出，J01、J02、JO3這幾個建筑物沉降觀測點所在區(qū)域都有沉降。J01點沉降量從 0mm 升至 2.0mm ，J02點從 0mm 升至 1.4mm ，J03點從0mm 升至 1.8mm 。整個周期內(nèi)，所有觀測點沉降量都小于 2.0mm ，達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。這說明本文設(shè)計的近鄰高層建筑基坑開挖地質(zhì)沉降雷達(dá)探測技術(shù)能精準(zhǔn)捕捉基坑周邊地下管線區(qū)域的沉降變化，提前預(yù)防由沉降過大造成的安全事故，證明該技術(shù)在保障基坑及周邊建筑安全上既可靠又有效。

圖5建筑物沉降觀測點沉降變化情況

本文重點對B03、B09、B12這幾個地表沉降監(jiān)測點的沉降變化情況展開監(jiān)測，具體如圖6所示。

從圖6來看，各監(jiān)測點沉降量都隨時間慢慢增加。B03點從0天的 0mm 到60天變成 1.4mm ，B09點漲到 0.95mm ，B12點增加到 1.1mm 。整體沉降量不大，變化也平穩(wěn)，說明基坑開挖對周邊地表沉降的影響在可控范圍。這表明本文設(shè)計的近鄰高層建筑基坑開挖地質(zhì)沉降雷達(dá)探測技術(shù)有優(yōu)勢，能精準(zhǔn)捕捉地表細(xì)微沉降變化，提前預(yù)警風(fēng)險。施工方根據(jù)實時數(shù)據(jù)分析，能及時調(diào)整方案，避免沉降過大引發(fā)安全事故，保障了基坑和周邊建筑安全。

4結(jié)語

近鄰高層建筑基坑開挖地質(zhì)沉降雷達(dá)探測技術(shù)的研究，給復(fù)雜城市環(huán)境里的基坑工程安全監(jiān)測提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。研究表明，該技術(shù)能實時獲取地質(zhì)沉降數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險，可使施工方及時調(diào)整施工方案，保障基坑及周邊建筑安全。未來，本研究會持續(xù)探索，結(jié)合新興技術(shù)，提高雷達(dá)探測精度和穩(wěn)定性，擴大應(yīng)用范圍，完善相關(guān)理論和技術(shù)體系，爭取為城市高層建筑基坑工程安全建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

圖6地表沉降監(jiān)測點的沉降變化情況

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(編輯 王雪芬)

Research on radar detection technology for geological settlement in foundation pit excavation of nearby high-rise buildings

WU Liji (Guangdong General Team， China Building Materials Industry Geological Exploration Center， Guangzhou 510403，China)

Abstract:Intheradardetection technologyforgeological settlement intheexcavationoffoundationpitsof nearby high-risebuildings，theradardetection technologyisusedtoemitandreceiveelectromagneticwavesof specific frequencies.The position ofthe targetbody iscalculated incombination with the known wave velocity，and the location andshapeof geologicalanomaliesare identified basedonthein-phaseaxis changesof thereflected waves in theradar image.Considering the influenceof geologicalanomaliesonthe displacement of geological strata，ageological model was established for the12-meter-thick soil layer toaccuratelycalculatethe stratum displacement.Based on the characteristics of the project andenvironmental conditions，the foundation pitsupport structureand surounding buildings should be closely monitored. Monitoring points should be reasonablyset up，and measures such as inserting inclinometer probes，instaling sensors，and seting water level observation marks should be adopted to accurately grasp thegeological settementsituation.Theapplicationresultsshow thatthesettlementamounts attheobservationpointsof building settlement are all less than 2.0mm . The settlement amount at the surface settlement monitoring points ranged from 0.95 to 1.4 mm and changed steadily.This technology can accuratelycapture setlement changes and ensure the safety of the foundation pit and its surrounding areas.

Keywords: nearby high-rise buildings； foundation pit excavation;geological subsidence;radar detection technology; geological stratigraphic displacement