深基坑工程监测技术与数据分析

深基坑工程监测技术与数据分析
作者：李光宇
来源：《科技创新导报》2013年第10期
摘要：随着建筑用地资源日趋紧张，人们对于地下空间的需求越来越大，深基坑工程已经成为建筑行业的热点问题之一。

岩土体结构体系十分复杂，物理力学参数很难精确确定。

在这种情况下，在深基坑工程施工阶段对围护结构和基坑周边环境进行监测，既可以保证基坑安全，又町以验证基坑设计的合理性，并通过信息反馈及时修正设计与施工方法，做到信息化施工。

文章结合某深基坑工程的监测实例，对测斜、桩身应力、锚索应力、地下水位等监测成果进行了分析，得到了一些有意义的结论。

关键词：深基坑工程监测数据分析技术
中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）04（a）-0-02
随着深基坑工程建设的不断发展，越来越多的人认识到：基坑虽然作为临时工程，但其重要性与主体工程相同，在基坑工程施工期间务必确保基坑安全。

全国一系列基坑安全事故，也提醒土木工作者，在基坑施工过程中，对基坑围护结构及其周围环境进行监测是必要可行的。

目前，上海市已经出台专门的基坑监测规范—《基坑工程施工监测规程》，国家标准《建筑基坑工程监测技术规范》目前已经进入应用阶段。

基坑工程监测正逐步走向规范化，标准化。

与此同时，一些先进的监测手段和监测仪器也开始广泛应用到施工现场。

这些监测手段和监测仪器的应用，不仅提高了工作效率，更提高了监测工作的精度，有利于及时、准确将监测数据反馈到施工过程中，调整施工工艺，保证基坑工程安全。

1 工程概况
济南天马相城华昱大厦B座工程，场地位于济南市高新区孙村片区春晖路东侧，科创路以南。

拟建华昱大厦B座为地上24层，地下2层，基础埋深均为-9.0 m，且楼座下地下车库与周围地下车库（地下2层）相连。

平面尺寸约114.8 m×71.4 m，本次支护工程监测范围包括华昱大厦B座主楼及地下车库。

该基坑呈较规则矩形，基坑东西方向宽约71.4 m，南北方向长约114.8 m。

基坑深度：依据场地地形图及勘察资料，目前场地标高与拟建建筑物±0.0000标高大致相同。

目前主体及地下车库基础结构资料不详，基坑开挖深度按8.50～9.90 m考虑。

基坑平面布置图如图1所示。

基坑周边环境情况如下：北侧：空旷场地，距离拟建商业街24 m，无地下管线；东侧：空旷场地，无地下管线；南侧：基坑南侧距拟建华昱大厦约16 m，无地下管线；西侧：基础边线距绿化带约10 m；用地边界线西侧距春晖路约26 m。

2 基坑监测的目的
借助现场测量对基坑支护结构进行动态监测，并据以指导开挖作业和支护结构的设计与施工是大型基坑开挖支护进行信息化施工的基本要求。

现场测量是基坑开挖支护工程监控的重要手段，其目的在于了解基坑边坡的动态变形过程，掌握基坑支护结构的稳定情况，判断基坑支护体系的可靠程度；是直接为支护系统的下步设计和施工决策服务的，这是现场测量的基本出发点。

同时，基坑监控测量也是对初始设计的完善和修正，是对基坑开挖施工的指导和调整。

所以必须把基坑支护监控测量贯穿于基坑开挖支护施工的整个过程中。

3 基坑监测的方法
3.1 基坑顶部水平位移监测与计算的方法
基坑水平位移监测的方法是采用边角交给法。

基坑水平位移观测时，最终是以边角交会法进行坐标观测和计算的，通过自动差分测量从而得到水平、垂直位移量。

在坐标变形监测系统中，必须考虑大气条件的变化对距离测量的影响。

一般情况下，为了准确求得距离的大气折射率改正，需要测定大气中的气象元素。

但是，如果利用监测站与各基准点间的已知距离信息，可实现无需测定气象元素的距离大气折射率实时差分改正。

综合以上各项差分改正，按坐标计算公式可准确求的每周期各变形点的三维坐标：
式中：—为监测站的坐标值。

为差分改正后的方位角
若以变形点第一周期的坐标值（，，）作为初始值，则各变形点相对于第一周期的变形量为：
并由下列公式可以计算变形点的水平位移量和垂直位移量。

总位移量为：
这样，进行基坑监测时，每次观测都可以得到一个位移值，从而可以获得监测点的变形速率和基坑边坡坡顶的变形规律，并通过设定极限值来判断是否超限而报警。

此方法在监测基坑顶部的水平位移时，在获得水平位移工作基点和变形点的基坑抵偿坐标系坐标后，将本期的基坑抵偿坐标分解为与基坑边线平行（纵向）和垂直（横向）的坐标系统，通过矢量差分精确计算出横向和纵向偏移值，与上期的相应偏移值进行比较，以获得两期期间各点的横向和纵向的变形值，基坑监测主要利用垂直（横向）基坑边坡的偏移量，并以列表的方式进行各期比较。

同时为了建设管理部门和监理单位更加直观地阅读变形数据，还可以将各工作基点和变形点的各期变形总量采用图示的方式进行分析，如基坑水平位移分布图和各点近几期的水平位移过程线图、各点本期水平位移的矢量图等。

3.2 基坑边坡顶部的沉降（垂直位移）监测的方法
3.2.1 沉降观测的方法
对于沉降观测的水准网，即工作基点和水准基点的观测，采用Dini12数字水准仪配条形码铟钢尺进行观测，观测方法和观测精度要求进行。

观测程序采用后、前、前、后的观测程序，并固定观测线路。

工作基点和水准点共5个，对于5个基准点每次观测要按闭合水准路线进行观测。

本项目工程将采用德国的Dini 12 数字水准仪，配GPCL2 m条码铟钢尺一支，每公里高差中误差为0.3 mm，小于规范要求的2 mm，往返测误差不得超过：mm，高于规范要求的mm（n为测站数）。

每月或每季观测一次。

沉降观测点的观测是一项较长期的系统观测工作，为保证观测成果的正确性，应尽量做到“五固定”的观测原则：固定人员观测和整理成果；固定使用同一台Dini 12 数字水准仪，配同一根GPCL2 m条码铟钢尺；使用固定的工作基点；固定观测方法和观测线路，观测方法采用后、后、前、前的观测程序；每次的观测时间基本固定。

一般在早
6：00～10：00，这样每次观测的大气环境（气压及温度）基本一致。

每次作业时，同时对3个工作基点进行观测并相互检查，当其相邻基准点高差中误差不大于0.5 mm时，方可观测建筑物的沉降观测点，若超出以上限值，要进行水基准点与工作基点的联测，并应分析原因进行平差处理。

3.2.2 沉降观测的计算
基坑开挖前，由监测基准点通过水准测量测出基坑边坡顶部沉降监测点的初始高程H0，在基坑开挖过程中测出的高程为Hn，则高差，即为基坑边坡顶部的沉降值。

4 基坑监测的数据处理及精度分析
基坑监测结束后，根据测量误差理论及统计检验原理对获取的观测数据及时进行平差计算和处理，并计算各点的变形量、累积变形量、变形速率等。

基坑监测数据的平差计算是以每个工作基点为起算点，采用清华三维平差软件进行严密平差。

平差前对观测数据进行了严格的筛选，剔除了含有粗差的观测数据，然后进行平差计算，从而达到高精度的观测成果。

平差模型为：
观测点测站高差中误差按下式进行估算：首先按照设计的沉降观测网，计算网中最弱观测点高程的协因数、待求观测点间高差的协因数；然后根据下列公式计算单位权中误差即观测点测站高差中误差：
式中：—沉降量的测量中误差（mm）
—沉降差的测量中误差（mm）.
观测数据经过处理后，将原始观测数据进行简易平差计算。

求得每期各观测点的观测值班、本期变形量、累积变形量和沉降速率。

数学模型如下：
本期变形降量：
累积变形量：
变形速率：
—为一个观测周期的时间，单位：天（d）
5 结语
（1）深基坑施工开挖是一项涉及结构工程、岩土工程、环境工程等多学科的复杂问题，具有时空效应，施工过程必须加强监测，并应根据监测结果及时调整开挖或支护方式，以确保施工安全，而不能因为是临时工程而降低工程措施要求，单一的土钉支护在深基坑支护中应谨慎采用。

（2）分步开挖的深度对支护面水平位移和支护的稳定影响明显。

现场测试表明，一次开挖的深度过大会使支护面产生过大的水平位移，即使将原土重新回填大部分水平位移也不能恢复，说明土体结构的破坏不能在短时间恢复。

（3）减小基坑上部（卸土）和侧面荷载（回填）能减小水平位移增大的趋势；而增加上部荷载（堆放材料）和有瞬间荷载（上部土体扰动）出现，能加大支护面的水平位移。

（4）当出现荷载减小或加固等有利于支护体系稳定情况出现时，可能使支护面的水平位移减小，但一般降低幅度不大。

（5）土压力发生明显变化一般发生在开挖或采取工程措施阶段。

支护完成后，土压力值趋于稳定时，支护面附近土压力分布是上部较小，中部和下部比较接近。

参考文献
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