深基坑开挖监测工法

    在深基坑的设计施工过程中，由于地质条件、荷载条件、材料性质、施工条件和外界其它条件的影响，以及当前土压力计算理论和边坡计算模型的局限性，很难单纯从理论上预测工程中可能遇到的问题。 所以在基坑的开挖施工中，对支护结构、基坑邻近建筑物、地下管线以及周围土体等在理论分析指导下有计划的监测，以此监测数据为依据，对基坑支护进行动态设计，是十分必要的。

广东省基础工程公司在省工商银行业务大楼、东门车库、合银广场、奥财大厦等基坑的施工中，都采用了多项原体监测手段，逐步将基坑监测完善，形成了本工法。

    1、特点

    1.1 监测对象的代表性、针对性

由于监测仪器昂贵，监测数据的测读、处理烦琐，布置测点一定要有代表性和针对性。选择监测的点、施工段基本上能反映整个结构的受力或变形情况，要尽可能监测到整个结构受力或变形的最大值，起到监测的预警作用。如对围护结构位移的观测，其长边中点处有可能是位移最大值，在该处就要布置位移观测点。支撑测点应布置在主撑跨中部位。

    1.2 监测项目要全面

基坑开挖过程中，围护结构位移、内力、支撑轴力等都有变化，采用多项监测手段，其结果可以互相验证（见表1）。

表1  监测项目与监测方法

    基坑监测技术含量高，要求监测人员具备测量、土力学、结构力学、钢筋混凝土结构、计算机等方面的知识。

    1.4 基坑监测需要多方协作

    监测成果要应用到施工上去，监测小组要隶属于项目经理部或同项目经理部紧密配合，并向项目经理部及时汇报监测情况，监测结果表明异常或有险情时，项目经理部应及时采取措施进行排除，监测才能起到应有的作用。

    2、适用范围

    基坑监测适用于深度超过10m、复杂的大中型工程或环境要求严格的基坑施工。

    3、工艺原理

    基坑监测的每一测试项目都应根据实际情况的客观环境和计算说明书，事先确定相应的警戒值。在基坑开挖过程中，通过对各监测项目进行数据测读，以判断位移或受力状况是否会超过允许的范围，判断工程是否安全可靠，是否需要调整施工步骤或优化原设计方案。

    基坑开挖监测原理示意如图1所示。

    4、工艺流程及操作要点 见图（2）

    5、监测仪器的安装、使用方法、工作原理

    5.1 水准仪  经纬仪

    （1）水准仪：在基坑施工中可观测：1、基坑围护结构的沉降；2、基坑周围地表、地下管线、四周建筑物的沉降；3、基坑支撑结构的差异沉降；4、确定分层沉降管、地下水位观测孔、测斜管的管顶标高。

     （2）经纬仪：在基坑监测中，可观测：1、周围建筑物、地下管线的水平位移；2、围护结构顶面及各层支撑的水平位移；3、测斜管顶的绝对水平位移。

这里要强调一点，测量控制点要安全，其位置不要设在变形、位移区内。

    5.2 测斜仪

   （1）测斜管的安装  测斜管有圆形和方形两种，国内多采用圆形，直径有50、70mm等，第1节一般为2m长，采用钢材、铝合金、塑料等制作，最常用的还是PVC塑料管。测斜管在吊放钢筋笼之前，接长到设计长度，绑扎在钢筋上，随钢筋笼一起放入桩孔内。测斜管的底部与顶部要用盖子封住，防止砂浆、泥浆及杂物入内。

     （2）测斜仪工作原理  测斜仪按其工作原理有伺服加速度式、电阻应变片式、差动电容式、钢弦式等。常用的是伺服加速度式、电阻应变片式两种，前者精度较高，目前用得较多。

测斜仪上下各有1对滑轮，上下轮距500mm，其工作原理是利用重力摆锤始终保持铅直方向的性质，测得仪器中轴线与摆锤垂直线间的倾角，倾角的变化可由电信号转换而得，从而可以知道被测结构的位移变化值（见图3）。

    （3）操作要点  1、埋入测斜管，应保持垂直，如埋在桩体或地下连续墙内，测斜管与钢筋笼应绑牢；2、测斜管有两对方向互相垂直的定向槽，其中一对要与基坑边线垂直；3、测量时，必须保证测斜仪与管内温度基本一致，显示仪读数稳定才开始测量；4、由于测斜仪测得的是两滑轮之间（500mm）的相对位移，所以必须选择测斜管中的不动点为基准点，一般以管底端点为基准点，各点的实际位移是测点到基准点相对位移的累加。测斜管埋入开挖面以下：岩层不少于1m，土层不少于4m。

    5.3 钢筋计

    （1）钢筋计的安装  钢筋计焊接在钢筋笼主筋上（见图4），当作主筋的一段，焊接面积应少于钢筋的有效面积。在焊接钢筋计时，为避免热传导使钢筋计零漂增加，需采取冷却措施  用湿毛巾或流水冷却（见图5）是常用的有效方法。

在开挖侧与挡土侧的主筋对应位置都安装钢筋计，钢筋计布置的间距一般为2～4m，视结构的重要性和监测需求而定。

    （2）钢筋计的原理  钢筋计有振弦式和电阻应变式两种，接收仪分别为频率仪和电阻应变仪。

振弦式钢筋计的工作原理是：当钢筋计受轴力时，引起弹性钢弦的张拉变化，改变钢弦的振动频率，通过频率仪测得钢弦的频率变化即可测出钢筋所受作用力的大小，换算而得混凝土结构所受的力。

电阻应变式钢筋计的工作原理是：利用钢筋受力后产生的变形，粘贴在钢筋上的电阻片产生变形，从而测出应变值，得出钢筋所受作用力的大小。

   （3）钢筋计的用途  1、钢筋计可用于测量基坑围护结构沿深度方向的应力换算为弯矩；2、基坑支撑结构的轴力、面弯矩；3、结构底板所受弯矩。

钢筋计在基坑监测中主要用来测量围护结构的弯矩，结构一侧受拉，一侧受压，相应的钢筋计一只受拉，另一只受压。测得钢筋计钢弦频率，再由频率换算成钢筋应力值再核算成整个混凝土结构所受的弯矩。

   （4）基坑监测使用钢筋计操作要点：1、做好钢筋计传感部分和信号线的防水处理；2、仪器安装前必须做好信号线与钢筋计的编号，做到一一对应；3、 钢筋计焊接必须保证质量；4、钢筋计安装好后，浇混凝土前测一次初值，基坑开挖前测一次初值；5、测数时，同时用温度计测量气温，考虑温度补偿。

     5.4 土压力计

    （1）土压力计的安装  测量侧压力时，土压力计如图4所示，绑扎于钢筋上，接触面紧贴土体一侧。测量竖向压力时，土压力计安装如图6所示。

  （2）土压力计的工作原理  土压力计有电阻式和钢弦式两种。钢弦式最常用，工作原理同钢筋计基本相同，钢弦式土压力计有单膜和双膜两种，双膜式使用较广，其接触面对变化不大的土压力较为敏感，受力时引起钢弦振动或应变片变形，弦的自振频率也发生变化。利用脉冲激励，使钢弦起振，并接收其频率。按事先标定的“压力－频率” 关系曲线，即可得出作用在土压力计上的压力值。

  （3）土压力计安装要点  根据以往施工经验，土压力计绑扎在围护结构的钢筋上，成功的机会不是很大，因为在浇混凝土时，难以保证混凝土不包裹土压力计。最好的安装方法还是在围护结构的外面钻孔埋设土压力计，并在孔中注入与土体性质基本一致的物质，填实空隙。

    5.5 孔隙水压计

    （1）孔隙水压计的安装  采用单独埋设法或钻孔埋设法。安装仪器前，在选定的位置（一般离开基坑外侧3～5m）钻孔至所需测的深度，再将用砂网、中砂裹好的孔隙水压计放到测点位置，然后孔内注入中砂，以高出孔隙水压计0.2～0.5m为宜，最后在孔内填入粘土，将孔封堵好。

   （2）振弦式孔隙水压计的构造和工作原理同土压力计很相似，只是孔隙水压计多了一块透水石，土体中的土压力、水压力作用于接触面上，经过透水石后，只有孔隙水压力能传到弹性原件上，弹性原件的变形引起钢弦张力的变化，从而根据钢弦频率的变化可测得孔隙水压力。

    6、劳动组织及安全

针对具体基坑的监测，成立3～4人监测小组，组长技术总负责，组员2～3人为技术人员，同时兼职测量员。在仪器安装时，人员需求可能会增加，焊接钢筋计时要有电焊工1～2人。安装土压力计、孔隙水压计要钻孔时，需要成孔人员。

    7、质量要求

基坑开挖监测工法要按有关基坑开挖和钢筋焊接的规范及各种监测仪器说明书的要求进行。

    8、施工实例与效益分析

在基坑施工中，采用一定的监测手段，减少了施工的盲目性，及时发现施工过程中的异常并预警，保证基坑的安全施工。通过监测数据的搜集为基坑支护的动态设计提供了充分的依据。如省工商银行业务大楼5层地下室超深基坑施工中，采用基坑监测方法进行信息化施工，确保了基坑的安全并进行动态设计，比原设计节约了支撑造价200多万元。