探析深基坑开挖的安全监测
深基坑安全监测能较客观地反映深基坑深层土体及基坑开挖过程中对相邻建筑物、道路、管网等设施当前所处的状态；较客观地反映监测对象的稳定性；可以及时发现问题，预测险情，短时间采取措施，消除不稳定因素；可以修正设计方案，通过最经济的手段最大限度地发挥支护能力；在基坑施工过程中对相关数据进行定量分析， 通过监测数据与原设计预计情况进行对比，判断现设计施工的合理性，必要时及早调整施工方案，确保基坑施工安全。1 深基坑工程安全监测方案
1 工程概况
南京市某医院中心大楼建设工程是南京市重点建设工程之一,该工程地处南京市中心繁华地段,西边、北边为城市道路,有多种地下管线;东边、南边为已有建筑。基坑开挖深度为18m左右,面积约为4700m2,基坑性质属于深基坑,等级为一级。该基坑施工场地小、基坑深、周边环境比较复杂,施工难度大。基坑土质为淤泥质填土、素填土、粉质粘土、粉质粘土混粗砂等,地质条件一般。在施工过程中,采用了地下连续墙(人工挖土桩等)作为围护止水、挡土,而水平支撑对侧向压力起到至关重要的作用,布设3道支撑梁。基坑为柱墩及钢筋混泥土整板基础,柱墩共56个,柱墩直径为1.5m～4.5m,柱墩深度3m～6m不等,支护桩为6m干旋挖桩,直径为0.8m、0.9m、1.0m干旋挖桩为高压旋喷桩,止水桩为双轴深搅桩。该深基坑工程监测自2006年6月起,历时16个月。
为了工程建设的顺利进行,采用常规测量的方法(沉降和水平位移)和先进的测量手段,即埋设水位仪、测斜仪、振弦读数仪等监测元件,测量出基坑微小的变化量,及时准确为该工程安全施工提供科学数据。该项目利用的建筑沉降自动处理系统,是根据变形的机理和工程设计理论,采用了先进的变形预报模型,自动进行预报预警,及时掌握建筑物的稳定性,为安全运行诊断提供必要的信息,以便及时发现问题并采取措施。
2 围护工程的设计特点
围护工程的设计是以有关规范为准则,以岩土工程勘察报告为依据,以建筑物设计要求为根本,还要考虑到经济、合理、高效和现有的施工条件等因素。围护工程的设计特点是确定施工监测的基础。深基坑工程的理论和技术还很不成熟,因为每个深基坑的条件不同。在复杂的地层中,基坑围护体系所承受的土压力等荷载存在着较大的不确定性;对地层和围护结构一般都作了较多的简化和假定,与工程实际有一定差异;基坑开挖与围护机构施工过程中,存在着时间和空间上的延迟过程,以及降雨、地面荷载和挖机撞击等偶然因素的作用,使得在基坑工程设计时,对结构和土体变形的预估与工程实际情况有较大的差异,并在相当程度上依靠经验。
3 监测工作的内容与要求
基坑工程施工现场监测的内容分为三大部分,即围护机构和支撑体系监测、周围地层监测和相邻环境监测。
3.1 围护机构和支撑体系
监测围护机构和支撑体系监测包括的内容有:围护桩桩顶圈梁水平位移、沉降观测;围护体周围深层水平位移(测斜管)监测;砼支撑应力或轴力量测;支护桩桩身侧向应力量测;支撑立柱桩的沉降、位移监测;水位测试等。
3.2 周围地层和相邻环境监测
周围地层和相邻环境监测包括邻近道路沉降、位移观测、周围重要地下管线监测、邻近房屋沉降监测等。基坑周围道路及其他设施上每隔15m左右设置1个沉降、位移监测点,共计12个。地下管线监测在主要管线正上方每隔15m布设1个监测点,共12个沉降观测点。基坑的东侧依次为砖混结构房屋、砼结构房屋等,考虑到基坑开挖可能对它们产生一定的影响,在以上房屋附近布设了22个房屋沉降观测点。以上各监测点都按二级变形测量的相关要求进行。各监测点点位分布详见图1。
4 监测手段及作业方法
参照国家精密水准测量规范中关于国家二等水准测量的作业方法及工程测量中关于城市沉降观测的各项限差进行作业,具体要求详见表1。
所用测量仪器为N3,其编号为(466192),标尺为苏州产2m因瓦水准标尺一付,其编号为№.011、012,转点所用尺垫为5kg铸铁尺垫,该套设备经检验后符合作业要求。外业观测记录由本公司编制的程序在广州市朗特数码科技有限公司开发研制的HT-2680A型机上进行,内业数据处理采用我公司最新研制的建筑沉降信息处理系统进行处理,自动生成文件和图表,并结合实际情况进行变形分析。
在施工区附近选择安全稳定的地方埋设水准工作基点,距离约200m处,按二等水准作业要求对水准工作基点与基准点进行联测。作业中每周进行检测,以掌握工作基点的稳定性。对各沉降监测点进行测量时,一级导线点、水准工作基点和所有沉降监测点组成一个环形监测网,其环线闭合差限差按二级水准测量要求,即环形闭合差不大于规定限差为±1.0mm(n为测站数)。水平位移测量采用小角法,仪器为TC1800全站仪(精度为1秒)。
采用了先进的监测技术手段对基坑各项指标进行监测,水位仪、测斜仪、振弦读数仪等专门监测仪器,定期进行检核。每监测项目两人一组(同项目、同仪器、同人员),每组数据采用仪器直接读数记录,避免人为因素对读数的影响。在计算机上进行数据处理,自动生成文件和图表,并结合实际情况进行变形分析。如有异常要进行第二次监测,保证数据真实、可靠。
利用的测试系统和传感器对深基坑监测,具有高灵敏度、高准确度、高稳定性。输出与输入之间成比例关系,直线性好,灵敏度高,抗干扰能量强(即受被测量之外的因素影响小),滞后、漂移误差小,不因其接入而使测试对象受到影响。选择传感器时,注意固体介质(如岩体)与传感器的变形特征要相似,保证介质与传感器相匹配,这样监测的数据呈直线性,降低了匹配误差,确保数据准确可靠。
5 确定观测频率和变形量报警值
5.1 确定观测频率
在基坑开挖前可以埋设的各监测项目,必须在基坑开挖前埋设并读取初始值,初始值是监测的基准,需复校无误后才能确定,通常连续三次测量无明显差异时,取其中一次的测量值作为初始读数,否则应继续测读。测斜管和水位孔在基坑开挖一周前埋设,使读数有足够的稳定过程。混泥土支撑内的钢筋计等需随施工进度而埋设的元件,在埋设后读取初读数。围护墙顶水平位移和沉降、土体深层位移监测贯穿基坑开挖到主体结构施工到±0.00标高的全过程。监测频率开始为2～3天一次,从基坑开始开挖到浇筑完主体结构底板,每天监测一次。现场施工监测的频率因随监测项目的性质、施工速度和基坑状况而变化,适时调整监测频率。测读的数据必须在现场整理,对监测数据有疑虑可及时复测,当数据接近或达到报警值时应尽快通知甲方,以便施工单位尽快采取应急措施。监测数据准确、及时提供才能有效指导施工,确保基坑安全。
5.2 确定变形量报警值
对基坑工程监测预警值的设定需综合考虑基坑的规模、工程地质和水文地质条件、周围环境的重要性程度以及基坑的施工方案等因素。根据不同项目进行设定,控制监测值的变化速率,水平位移速率。一级工程在3mm/d之内控制;支护结构体系报警临界值,一级控制(0.1～0.25)H%,H为基坑的深度,单位为m;支撑轴力以设计轴力作为监控值,报警值为大于设计值的80％,第一道支撑轴力设计值3068.6kN,第二道支撑轴力设计值为5770kN,东南角角撑轴力6688.9kN。钢材允许挠度取1/400～1/500,混凝土允许挠度取1/250～1/300。例如:煤气 管 道 的 沉 降 和 水 平 位 移 均 不 得 超 过10mm;自来水管道的沉降和水平位移均不得超过30mm等。
6 监测结果分析
南京市某医院中心大楼深基坑安全监测于2006年6月进场,按监测方案埋设了周边各监测点,陆续按监测方案埋设了测斜管和其他各类监测点,与基坑工程同步进行了各类监测工作,并将每次监测结果及时提交甲方、监理方及施工方。
由于地质条件比较复杂,深层土体位移测量尤为重要,因为深层土体位移量能较直观反映深层土体位移变化情况。各量测段的水平位移△应该是各次测的水平偏差与测斜管的初始水平偏差之差,即:
式中δ0n为从管口下数第n量测段处的水平偏差初始值;
ω0i为从管口下数第n量测段处的倾角初始值;
△0为实测的管口水平位移,当从管口起算时,管口没有水平偏差初始值;L为为量测段的长度,取0.5m整数(单位:mm)。
利用测斜仪测双向位移,由两个方向的测量值求出其矢量和,得位移的最大值和方向。对数据进行处理,真实准确地反映出深层土体位移的变化量。
测试结果表明:基坑边最大沉降量5.0mm(E4号点处),基坑边最小沉降量0.5mm(D12号点处),平均沉降速率为0.015mm/d;基坑周边建筑物最大沉降量13.6mm(L8号点),最小沉降量0.2mm(5号点),平均沉降速率为0.016mm/d,深层土体位移最大位移点在基坑西侧为C9号孔,最大位移量为24.49mm(地面下9.0m处),基坑周边水平位移最大位移量8.5mm(D13号点处);支撑轴力最大受力为-2694kN(Y5点),监测结果符合技术方案要求。
7 结语
本次对南京市某医院中心大楼基坑的监测,从工程概况、监测工作的内容与要求、作业方法、观测频率和变形量报警值的确定、监测数据处理等进行了全面的阐述。实践证明监测方案设计合理、使用设备先进、作业方法得当、监测数据及时、准确,为确保基坑工程安全施工提供了重要依据,满足了工程项目需求,对类似工程具有一定的借鉴意义。
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