基坑开挖支护结构与周边建筑变形监测分析

基坑开挖支护结构与周边建筑变形监测分析摘要：随着建筑行业的发展，我国对于建筑物的质量要求日渐提高。基坑监测成为建筑工程中的重点问题，这是因为如果基坑周围地面与建筑物之间发生沉降或者变形就很容易导致建筑工程的安全问题。本文以大连地铁的某个基坑为研究案例，从基坑开挖过程开始，对其结构施工过程进行研究，希望能够对支护结构和周围建筑物沉降等问题的解决提供借鉴。关键词：基坑，支护结构，沉降变形。目录（一）工程情况简述1（二）基坑监测方案概述1（三）大连地铁2号线监测数据分析2（四）监测总结12（五）结语12随着我国城市化进程的加快，城市建筑越来越密集，这就使得基坑工程的实施往往要在建筑物密集的区域进行，这不仅给基坑工程的施工带来了困难，也带来了新的问题考量。例如，传统的基坑施工是采用强度控制，但是由于目前我国建筑发展的情况，不得不注意到的一个问题就是基坑工程的变形控制，这么做的原因是要确保对周围的环境不产生破坏影响。但是作为建筑施工的一部分，开挖卸荷、基坑降水等等原因都会造成基底的隆起，还有支护结构的变形，那么基坑周围的建筑物出现变形等情况也是必然的，因此在建筑施工过程中对于四周环境的监测是非常必要的一个过程。本文以大连某地铁线路的一个基坑作为主要论述研究对象，对其施工开挖过程的监测进行详细的分析，以此为案例期待对于其他类似的工程项目提供一些有利的经验。(一）、工程情况简述大连市地铁2号线起始地点分别为海之韵和机场，其中代号为366的基坑安全等级经过评定为一级，总长约为70m。隧道的主体结构埋深约为15m，基坑开挖采用明挖法施工，就是指先将地面挖开，在露天情况下修筑衬砌，然后再覆盖回填的地下工程施工方法。因为明挖法是软土地下工程施工中最基本、最常用的施工方法，多用于浅埋隧道，按照大连地铁2号线的隧道深度来说是明挖法是适用的。因为地铁穿过一个商业区，所以此基坑与某个办公大厦的负1层相连。基坑采用的是新型水泥土搅拌桩墙，桩900@700mm，内部插用的钢是HN800×300×15×26型钢，采用相隔插置法，也就是隔一插一，内部支撑体系是由两道钢管支撑的加钢腰梁构成。基坑地下水水位埋深约在1.2m到3m之间。在第一层的含水层中有粉土层结构，经过测量其标高大概为-1m至0m之间。总体来看，施工难度中等，但是需要对周边环境进行细致的考量，否则施工过程会影响商业区的建筑物稳定以及周边的水位。（二）、基坑监测方案概述基坑监测作为基坑施工过程中的一个重要环节，是指对基坑开挖及地下工程中的基坑岩土性状、支护结构变位和周围环境条件的变化，进行各种观测及分析工作。其监测结果作为一种反馈，能够对后续的施工所产生的变形进行预测，并且能够预估其发展状态是否稳定,为信息化施工提供依据。其次对于并判定施工对周围环境造成影响的程度有着很大的意义。第三它能对施工过程和方法进行指导与设计。最后，基坑监测是发展基坑工程设计理论的重要手段。尤其是在现代科学技术发展的之下，更加有利于信息化工程的发展。接下来，我们将根据大连地铁2号线的基坑施工来探讨一下起监测方案。对于监测内容主要分为五个部分，第一就是对桩顶变形的监测，采用的是高精度水准仪+全站仪的测量方法，监测频率为1次·d－1。第二项是对桩体位移的监测，采用的是测斜仪的技术方法，监测频率为1次·d－1。第三项是利用轴力计对支撑轴力进行监测，监测频率也为1次·d－1。第四项则是监测地下水位,监测频率也为1次·d－1。最后一项则是周边建筑物沉降的监测，这是因为及时发现对建筑物不利的下沉及差异沉降现象，可以为我们采取措施争取时间，保证建筑物安全使用，同时也为今后合理设计提供资料，这里的监测频率仍然是1次·d－1，采用的技术方法是水准仪。（三）、大连地铁2号线监测数据分析对于以上四种监测数据的分析有利于对基坑施工环境周围的情况做出了解，不仅可以优化施工进程，还可以对未发生的一些危险状况进行预判，从而进行施工过程的改进和优化，以避免危险的发生。接下来，我们将从桩顶沉降、桩体位移、支撑轴力和建筑物沉降进行数据分析。1、桩顶沉降围护体顶部圈梁施作完成之后，我们需要选定沉降观测水准基点的位置，保证在基坑施工影响范围之外，且不大于100米，根据场地条件、场地使用性质、地下埋藏物的情况、长期保存条件等，水准基点埋设在距离基坑80米的商业区绿化内，按照规范制作，数量3个，编号K1-K3。在顶部圈梁设计的位置进行沉降钉的打入，原则是监测点的间距不宜大于20米。沉降监测作业采用天宝DiNi电子水准仪及配套的条码铟钢水准尺，该仪器每公里往返水准标称精度达0.3mm，最小显示0.01mm。具有先进的感光读数系统，可见白光即可自动读数测量，自动存贮数据。图1-1天宝DiNi精密电子水准仪及条码铟钢水准尺对沉降监测的精度分析即是对水准监测的精度分析，仪器精度为m=±0.1mm，仪器每公里的往返测高差中数的偶然中误差为±0.03mm，按照二等垂直位移监测精度进行监测，前后视距长度应满足小于等于30m，以前后视距30m计算，则1公里往返测测站数n=13，则各测站的测量高程中误差为：m站=mc=±m／(2.236×2)=±0.006mm闭合或附合路线的最弱点在中间测站，即第五站，最弱点的单程观测高程中误差为：m弱=±m站×(5)=±0.016mm当采用往返测量时，最弱点高程中误差为：m弱(往返)=±m弱／(2)=±0.01mm综合以上计算，所使用的仪器满足监测要求。观测条件：应在标尺分划线呈像清晰和稳定的条件下进行观测。不得在日出或日出前约半小时、太阳中天前后、风力大于四级、气温突变时以及标尺化纤的呈像跳动而难以照准时进行观测。晴天观测时，应用测伞为仪器遮蔽阳光；每次作业前后应对水准仪及水准标尺的ｉ角和水准器进行检查。当发现观测成果出现异常情况并认为与仪器有关时，应及时进行检验与校正。为了进一步检核在观测、记录及计算中是否存在错误，也为了避免测量误差的积累，保证监测结果的准确，因此在使用闭合水准路线观测的时候可以只对单程进行观测。但是，使用附合水准路线观测的时候则要进行往返观测。这是因为附合水准路线的布设可以对所观测的成果进行检校，因此附合水准路线的布设是工程水准测量中最常用的一种布设方式。从已经多次获得的数据来看，由于在工程开挖的初始阶段，应力释放之后，基底发生回弹，所以支护结构出现了微小的上浮情况，最大值约为4mm。根据施工工程标准来看，并没有超出允许值的20mm，而且在施工过程中，随着桩体应力的加强，桩顶沉降的幅度也略有回弹，因此趋向于平稳的状态。2、桩顶水平位移对于桩顶水平位移的测量，主要是通过埋入钢质测，利用全站型电子测距仪来完成监测。全站仪是集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离等，高差测量功能于一体的测绘仪器系统。点位设置同围护结构顶垂直位移监测点共用一个点，并在监测点上做标志，作为水平位移监测的标志。图2-1徕卡TS30电子全站仪水平位移监测点水泥固定墩水平位移监测点水泥固定墩钢筋嵌固部分图2-2监测元件图图2-3监测点埋设示意图监测方法如下：（1）、视准线法适用于基坑直线边及直线支撑杆件的水平位移监测。全站仪于工作基点1架设调平后，照准工作基点2连成视准线，把T型尺放置在监测点上，读取监测点与视准线之间的垂直距离变化量，即为水平位移变化量。一般用全站仪正倒镜读数2次，取中数作为一次监测值。初始值监测时要监测两遍，以保证无误。监测点监测点工作基点2工作基点1监测点监测点基坑图2-4视准线法监测示意图（2）、小角度法适用于监测点零乱、不在同一直线上的情况。在基坑一定距离外设定工作基点，在基坑外两倍的基点距测点距离外设定后视点，基点与后视点连线作为零方向。测定一定监测时间内，监测点与基点连线与零方向之间的角度变化值△βiQUOTE∆βi，根据△i=△βi×li/ρ（li为监测点到基准点的距离，ρ为常数）计算水平位移变化值。小角角度不应超过30″。（3）、极坐标法较为通用，适用于大部分情况。根据一个角和一段距离从一个工作基点上标定其他监测点位的一种方法。由一个已知工作基点和另一个已知通视的后视点，监测监测点的方向与距离，换算成所测方向的平面位移。图2-5小角法监测示意图图2-6极坐标法监测示意图本项目的监测精度主要由控制网的监测精度及监测网的监测精度共同确定。控制网的连测拟布设成导线网，采用二等水平位移监测基准网的主要技术要求。导线网中相邻导线点的相对点位中误差主要由测角误差和测距误差产生，本工程采用仪器测角精度即mv=±0.5″，测距精度即md=±0.6mm+1ppm.D，对本工程的控制网监测精度分析如下：表2-1二等水平位移监测基准网主要技术要求序号项目指标或限差1相邻基准点的点位中误差3.0mm2测角中误差1.8″3测边相对中误差≤1/1000004平均边长≤200m5水平角监测测回数6mβ=±(2)mv=±0.7″ms=±0.7mmmβs=±mβ／[(n)×ρ]×S=±0.15mmm中=±[(ms2式中：m中——导线网相邻点的相对点位中误差；ms——测距中误差；mβ——测角中误差；ρ——206265；S——导线边长，取100m；n——测回数。根据以上计算，控制网满足二等水平位移监测基准网的主要技术要求。监测网的精度分析如下：如选择小角法进行监测，监测精度计算如下：mc=±mβ／ρ×L=±0.3mm满足监测精度要求。式中：mc——监测中误差；L——监测视准线长度，取100m。若选择极坐标法进行监测，则在选定的水平位移监测工作基点上安置仪器，并选择另一后视点作为后视，监测监测点的距离、角度，并计算监测点在垂直于基坑方向的水平位移，监测中误差为：mc=±(2)m中=±1mm满足监测精度要求。通过对大连地铁2号线的数据分析，我们发现桩顶也发生了一定的偏移现象，这与上文中所描述的桩顶沉降原因有关，都是因为施工初始阶段的应力释放，导致了桩顶水平位移发生改变。但是水平位移的数据为-23mm，这已经超出了施工标准的允许值，如果放任不管会发生危险状况，因此采取了支撑架设，对桩顶水平位移进行控制，以免其继续侧偏，发生危险。3、桩体位移深层水平位移是基坑支护结构体系稳定状态的最直接反映，该项目对判断支护结构的安全性至关重要。对基坑开挖阶段桩体的纵深方向的水平变位进行监控，从而根据地层移动理论和长期大量的工程经验、经验公式分析得出围护结构的安全性。根据监测数据，有效地、正确地反馈设计和施工，采取针对性的措施，确保基坑和周边环境的安全。图3-1围护桩深层水平位移监测点布设示意图按设计要求，埋设测斜管后，以孔底为起算基准，计算桩身深层水平位移。管内由测斜探头滑轮沿测斜套管内壁导槽（与基坑边线垂直）渐渐下放至管底，配以电阻应变式测斜仪，自下而上每0.5m测定每点偏角值，然后将探头旋转180°，在同一导槽内再测量一次，合起来为一测回，通过测量测斜管的竖直倾斜，来探测由于地层移动引起的水平变形。监测数据的计算具体计算公式如下：Xi=∑ij=0Lsinαj=C∑ij=0(Aj-Bj)ΔXi=Xi-Xi0式中：ΔXi——i深度的累计位移（mm）；Xi——i深度的本次位移（mm）；Xi0——i深度的初始位移（mm）；Aj——仪器在0°方向的读数；Bj——仪器在180°方向的读数；C——探头标定系数；L——探头长度。日常监测值与初始值的差值为其累计变化量，本次值与前次值的差值为其本次变化量。“+”值表示向基坑内的位移，“-”值表示向基坑外的位移。图3-2测斜计算原理图监测过程中，发现最大水平位移的数据为-22mm，在桩顶处，与桩顶水平位移数据吻合，及时进行了施工加固，及时消除了隐患。4、支撑轴力在钢支撑管和围护之间通过安置一个轴力计，以便于对施工过程中钢支撑管和围护之间的支撑轴力的变化阈值，我们主要检测的是第一道支撑的轴力和第二道的支撑轴力。图4-1钢支撑轴力计安装按照厂家提供的转换公式，将测量频率转换成受力，根据受力大小进行判断。详细的锚杆轴力监测计算如下：F=A(f22-f02)-A(f2-f02)式中：A——传感器常数；f0——初频（F=0时的频率）；f——力为F时的输出频率；f2——力为F2时的输出频率。日常监测值与初始值的差值为其累计变化量，本次值与前次值的差值为其本次变化量。“+”值表示受力增大、“-”值表示受力减小。从数据来看，在第一道支撑安装之时，轴力相对于稳定，在第二道支撑施加的时候，轴力略有波动，但是整体来说仍然处于安全的阈值之内，并没有突破极限值。在开挖初期，施工工程进入设计标高阶段的时候，轴力值达到最高，数据约为240kN。从整体来看，仍然处于稳定阶段，根据施工工程规定，轴力的波动值处于正常范围之内，不会对施工过程造成影响，也不会产生危险事故。5、地下水位在基坑开挖施工中，须在基坑内进行大面积疏干降水以保持基坑土体的相对干燥，以便于土方开挖和土渣运输，如果止水帷幕的实际效果不够理想，将势必对周边环境和建筑物造成危害性影响，严重将造成基坑管涌、塌方的危害。为了使浅层地下水位保持适当的水平，掌握深层承压水位的变化情况，以使周边环境处于相对稳定可控状态，加强对坑内、外地下水位的动态观测和分析，对于了解和控制基坑降水深度、判定围护体系的隔水性能，分析坑内、外地下水的联系程度具有十分重要的意义。图5-1地下水位监测点大样图图5-2水位管埋设示意图水位管管口高程可用水准仪测得。管口顶部至管内水位的高差由钢尺水位计测出，由此计算水位与自然地面相对标高。各孔水位高程的初始值在监测管埋设稳定后并在基坑开挖前作两次测定，取平均值为其初始值。通过对地下水位的监测，结果表明止水帷幕效果良好，且施工过程中降排水设置运转良好，水位变化稳定。6、建筑物沉降在深基坑施工区域周边，由于深基坑开挖取土施工的影响，基坑施工区域周边建筑物会发生一定的沉降，由于建筑物基础的沉降及不均匀沉降，建筑物会发生倾斜、结构破裂等破坏，为保护基坑施工阶段周边建筑物的安全，在基坑施工阶段要对周边建筑物进行沉降、倾斜监测。建筑物沉降监测应测定建筑及地基的沉降量、沉降差及沉降速率，并根据需要计算建筑物（基础）倾斜。建筑物沉降观测是一项必须进行的工作，是对建设方、施工方以及最终的建筑物使用者的负责，因为建筑物的沉降直接决定着建筑物本身的安全性能，同时也是对施工过程中事故发生的一种预测。特别是对于地基软弱或者基础不够稳定的地区，例如，本文案例中的大连地铁2号线的建设施工，因为大连地处沿海，所以地基水分较多，因此地基相对较软，因此对建筑物沉降的观测是施工过程中必要的一环。根据我们观测的数据可以得出一个结论，那就是在施工的过程中，366基坑周围的建筑物虽然上升和下沉的状况均有出现，但是总体趋势仍然是下沉的趋势，但是沉降的范围数值经过检测是在正负2mm之间，我们施工工程中对于建筑物沉降的标准值要求在15mm，因此其建筑物沉降的数值远远小于15mm，而且在监测的末期，我们发现建筑物沉降的数值范围甚至小