基坑支护工程变形监测

一、基坑支护工程变形监测的目的和内容

基坑工程是指建（构）筑物基础工程或其他地下工程（如地铁车站、地下车库、地下商场和人防通道等）施工中所进行的基坑开挖、降水、支护（围护）和土体加固等综合性工程。一般基坑开挖深度≥5m的称为深基坑工程。基坑支护是指基坑开挖过程中所设置的坑壁支护结构和撑锚体系。支护结构的类型主要有钢板桩支护、地下连续墙、柱列式灌注桩排桩支护、内支撑和锚杆支护、深层搅拌水泥土桩支护等。在深基坑施工的过程中，基坑坑壁土体的应力状态的改变引起围护结构承受荷载，并将导致围护结构和土体的变形。一旦围护结构及土体的内力、变形的量值超过容许的范围，将导致基坑失稳破坏，或对周边环境造成不利影响。因此，在基坑施工期应进行变形监测，其目的是：（1）监测基坑的变形，确保基坑支护结构和相邻建筑物的安全； （2）检验设计参数和各种假设的正确性，指导基坑开挖和支护结构的施工； （3）用反分析法修正计算参数和理论公式，指导设计。

基坑监测的时段是从基坑开挖直至土体回填结束。基坑工程变形监测工作，对时间和空间的准确性要求很高，工作拖延或失误造成的影响往往难以补救。因此，在基坑开挖前应制定详细的监测方案，主要内容包括监测目的、监测项目、测点布置、监测方法、监测仪器及精度、监测进度和频率、报警值、监测报表等。

基坑监测项目的选择，应根据基坑工程的安全等级、地质条件和围护结构的类型确定，一般包括： （1）围护结构完整性及强度监测； （2）围护结构水平位移和垂直位移监测； （3）围护结构应力监测； （4）支护结构内外压力监测； （5）支护结构内外孔隙水压力监测； （6）表层土体沉降、水平位移以及深层土体分层沉降和水平位移监测； （7）基坑内外地下水位变化的监测； （8）基坑周边的建筑物、管线和道路等设施变形监测； （9）支撑轴力监测； （10）基坑坑底隆起的监测。

基坑工程监测项目警戒值的确定至关重要，一般情况下，每个警戒值应由两部分控制，即允许的累计变化量和允许变化速率。预警值的确定没有统一的定量化计算模式和确定准则，通常都是根据工程地质勘察报告给定的岩性指标、基坑设计的技术参数及区域性经验来确定。确定的警戒值应能保证基坑工程安全和周围环境的安全。

二、地铁地下车站基坑工程监测实例

某地铁地下车站建筑施工的基坑工程，位于市中心高层建筑密集区的城市主干道上，基坑长约363m、宽24～36m、深约19m，设计等级为Ⅰ级，采用盖挖逆作法施工。基坑场地处于古河道与Ⅰ级掩埋阶地交接地带，其下存在Ⅱ～Ⅲ级掩埋阶地，地质形态复杂。水文地质为浅层孔隙潜水层，地下水位在0.8～1.8m之间。根据设计要求及施工区段的地质、支护结构的特点和所处的周边环境条件，确定的监测项目有： （1）围护结构顶部沉降监测； （2）围护结构顶部水平位移监测； （3）围护桩（墙）测斜； （4）围护结构与中间桩差异沉降监测； （5）支撑轴力监测； （6）围护结构裂缝及渗水监测； （7）地下水位及孔隙水压力监测； （8）周边地表沉降观测； （9）邻近建筑物变形监测； （10）邻近地下管线监测。

（一）监测方法

1.围护结构顶部沉降监测

（1）沉降测点和基准点的布设

沉降测点布设在围护墙顶两根水平支撑间的跨中部位以及基坑阳角部位，测点间隔为5～15m，共布设测点约80个，测点布设见图18-4，点名“A××”、 “B××”、 “C××”、 “D××”、 “E××”和“F××”均为沉降测点。观测标志采用钻孔镶嵌直径为10mm的膨胀螺栓，螺栓顶面为高程测量立尺点。

图18-4 某地下车站基坑测点位置布置图

基准点设置在基坑外100m的稳定基础上，基坑施工对其基本无影响，为复核其稳定性，在不远处另设了两个校核水准基点。

（2）沉降监测方法

沉降观测采用精密几何水准方法测量，基准点与沉降测点之间构成闭合水准路线，按国家一等水准测量技术要求作业。内业计算以基准点高程为起算值，按闭合水准路线平差获得各测点本期高程，进而计算其沉降值。再根据监测结果做出沉降变化图。

2.围护结构顶部水平位移监测

（1）水平位移监测方法

水平位移测点与沉降测点的标志相互兼用，不另外布点，膨胀螺栓的中心切割“十”字标志，即为水平位移对中点。

根据基坑顶口的几何形状特点，水平位移采用测小角法和全站仪极坐标法两种方法观测，基坑矩形长边直线段的测点（约60个点）采用视准线法，右侧圆弧段和左侧矩形短边直线段采用全站仪极坐标法。如图18-5所示，视准线设置了MN和JK两条，M、 N和J、 K为工作基点；A、 B为全站仪极坐标法测量的工作基点，位于距基坑约30m的三层楼高平台上。监测利用的全站仪的精度：测角2″ ，测距±（2mm+2 × 10-6×D）。设计要求地下连续墙顶水平位移允许值为2cm，当大于2cm时，应立即采取加强支撑措施。

（2）水平位移工作基点的稳定性监测

工作基点应尽可能离基坑远一些，以减少基坑变形对其稳定性的影响，但有时施工场地狭小，很难做到工作基点离基坑远一些。不过，工作基点离基坑近一些时便于监测，同时也能提高测量的精度，此时工作基点的稳定性必须定期检查。为提高工作效率，应尽可能使仪器不换站，采用边角后方交会法来监测A、 B工作基点稳定性。如图18-5， T1、 T2、 T3是固定的基准点，为地铁首级控制网点，位于距基坑约150～200m的高层建筑物楼顶。检验A点稳定性时，仪器架在A点，对T1、 T2、 T3三点进行方向和距离观测。利用间接平差法求取A点的本期坐标，本期坐标与上期坐标的差值在2～3倍的测量中误差之内，则认为A点是稳定的，其坐标值不作修正；反之则采用本期的计算坐标值。比如在实测中用2″级全站仪方向观测2测回、平距测量1测回（读数4次），经间接平差精度估算得A点x、 y坐标中误差均为0.76mm，则本期坐标与上期坐标的差值大于±2mm时才对A点的坐标进行修正。工作基点B、视准线工作基点M、 N和J、 K也采用相似方法来监测稳定性，监测时应尽可能选择较优的交会角。

图18-5 水平位移监测示意图

（3）观测点精度估算

一般基坑支护工程变形观测要求：点位测量中误差应≤±2mm，下面分析上述两种测量基坑水平位移点的精度情况。

对于测小角法观测精度，根据公式，设最不利的点D=200m， mΔβ=1.41″，则mΔP=1.37mm，再考虑工作基点0.76mm的误差，mΔP仍小于2mm 。

对于全站仪极坐标法测量位移测点，根据公式，根据现场实际情况，取D=60m， mΔβ1=.41″， mD=1.50mm，则mΔP=1.55mm，再考虑工作基点1.07mm的误差，mΔP仍小于2mm。

3.围护桩（墙）测斜

（1）测斜管布设

根据基坑平面和支撑布置形式，测斜管布置在基坑维护墙结构内外壁中间位置，每隔30m左右布置一根，共布置23个，图18-4中点名“CXG× ×”为测斜管点位。确定测斜管具体位置是根据支护结构设计计算书，选择在围护桩（墙）计算变形较大的部位，以及根据周围环境情况，在需要进行保护的建筑物、构筑物和地下管线处布设。测斜管选用直径为70mm带“十”字内导槽的高精度PVC塑料管直接安放在墙体内混凝土中，安放深度为20～25m。

（2）量测方法

观测选用CX-01型测斜仪，每间隔L=0.5m，且0°～180°两次测读，观测误差≤±1.0mm。测量时，把测斜仪放入测斜管中，保持一段时间，使测斜仪与管内温度基本一致，待显示读数稳定后开始测量。以管顶为基准，用全站仪测出该点的绝对水平位移δ0，用测斜仪测量出倾角θi，则可推算出测斜管从管口往下数第n测量段处的水平偏移量。

然后，以深度为纵轴，以位移为横轴，做出测斜曲线图，如图18-6所示。

4.周边地表及建筑物的变形监测

周边地表沉降观测，测点布置在基坑结构矩形长边两侧，各布两条平行基坑结构的监测点，每20m一个点。用水准仪监测地面高程。按国家一等水准测量技术要求作业，高程中误差控制在±0.3mm内。

图18-6 7#测斜孔第16期的实测位移曲线

基坑周边为城市商贸中心，建筑物密集。为监测周边高层建筑结构安全，根据沉降观测规程和实际情况，测点布设原则为：建筑物的四角、大转角处；高低层建筑物、新旧建筑物、纵横墙等的交接处两侧；建筑物伸缩缝和沉降缝两侧、基础埋深相差悬殊处、不同结构的分界处；框架结构的基础柱上，能及时反映出沉降、倾斜、裂缝的位置，沿基坑周边60～80m的建筑共布点300个。监测方法采用精密几何水准，按照国家一等水准测量技术要求进行。

5.围护结构与中间桩差异沉降监测

围护结构顶部沉降根据现场实际情况，将监测点布置在相对较危险的地段上和尽可能靠近建筑物处。中间柱差异沉降观测将测点布置在连续墙与中间桩轴线上，以便能及时反映出水平位移和沉降。沉降监测采用精密几何水准，按照国家一等水准测量技术要求作业；水平位移监测方法采用全站仪极坐标法，测量点位中误差控制在±2.0mm内。

6.地下水位及孔隙水压力监测

地下水位观测孔沿基坑长边和短边布设，保证短边至少有1个孔，长边至少有3个孔，考虑到观测资料要能够反映出地下水流梯度的大小，因此在基坑外南侧和北侧分别布置两排孔，南侧两排孔的第一排为S3，第二排为S1、 S2，北侧两排孔的第一排为S3′，第二排为S1′、 S2′，东、西两端各设1个孔，如图18-4所示。孔位于地面建筑物附近。采用钢尺（点测）水位仪测量，量测方法是用仪器的探头沿水位管下放，当碰到水时，上部的接收仪发出蜂鸣声，通过信号线的刻度读数，直接测得地下水位距管口的距离，管口高程用精密水准法测定。提供每次测试的地下水位高程，本次和累计变化量成果表，绘制地下水位变化曲线图。

7.其他监测项目

围护结构裂缝及渗水监测采用巡视法。每天巡视并对基坑内的裂缝和渗漏水情况做出详细的记录。

支撑轴力监测，在开挖基坑内，沿基坑纵向每两个开挖段布设一组钢支撑轴力计，采用1/1000 （F×s）轴（反）力计测量。

（三）警戒值的确定和监测频率

各项监测项目的警戒值为： （1）基坑连续墙测斜。矩形直段的墙体最大位移量30mm，大圆盘的连续墙墙体最大位移量35mm，变形速率不超过2mm/d。 （2）基坑地下水位动态监测。基坑降水或开挖时引起坑外水位下降不超过1000mm且不超过500mm/d。 （3）支撑弯矩及轴力监测。支撑实际弯矩及轴力不超过设计值的80%。 （4）连续墙顶的位移。墙体最大的位移量为20mm，变形速率不超过2mm/d。 （5）基坑周边地面变形观测。沉降不超过3mm/d。（6）周边建筑物变形观测，沉降不超过30mm且不超过5mm/d。 （7）地下管线变位。煤气管道沉降或水平位移均不得超过10mm且不超过2mm/d；自来水管道沉降或水平位移均不得超过30mm且不超过5mm/d。监测频率：原则上，从基坑开挖前到车站结构顶板浇筑完毕，每天监测1次，顶板浇筑后至挖土回填完毕，每周观测1～2次。