基坑监测及信息化施工

随着我国城市建设高峰的到来,房地产市场不断升温,城市用地价格一路高涨.为提高土地的空间利用率,各地纷纷争相开发地下空间,逐渐成为城市发展的一个方向,地下基础越做越深,基坑开挖深度不断增加.在深基坑开挖的施工过程中,即使采取了支护措施,由于应力状态的改变,一定数量的变形总是难以避免的,当位移量值超过了某种允许的范围,都将对基坑支护结构造成危害.尤其是在城市的繁华地区,或是施工场地四周有建筑物和地下管线时,基坑开挖所引起的土体变形将直接影响这些建筑物和管线的正常状态.

多年的实践表明,对基坑支护结构、基坑周围的土体和相邻的建(构)筑物进行全面、系统的监测,才能对基坑工程的安全性和对周围环境的影响程度有全面的了解,在出现异常情况时及时反馈,并采取必要的工程应急措施,甚至调整施工工艺或修改设计参数,以确保工程的顺利进行.因此,在深基坑开挖施工过程中,只有对基坑支护结构、基坑周围的土体和相邻的建筑物进行综合、系统的监测,才能对工程情况有全面的了解,保证工程的安全进行.

7．4．1 基坑工程监测

基坑工程监测是基坑工程施工中的一个重要环节,是指在基坑开挖及地下工程施工过程中,对基坑岩土性状、支护结构变位和周围环境条件的变化,进行各种观察及分析工作,并将监测结果及时反馈,预测进一步挖土施工后将导致的变形及稳定状态的发展,根据预测判定施工对周围环境造成影响的程度,来指导设计与施工,实现所谓信息化施工.

(1)基坑现场监测应满足下列技术要求:

①监测工作必须是有计划的,应严格按照有关的技术文件(如监测任务书)执行.这类技术文件的内容,至少应包括监测方法和使用的仪器、监测精度、测点的布置、监测周期等.计划性是监测数据完整性的保证.

②监测数据必须是可靠的.数据的可靠性由监测仪器的精度、可靠性以及监测人员的素质来保证.

③监测必须是及时的.因为基坑开挖是一个动态的施工过程,只有保证及时监测才能有利于发现隐患,及时采取措施.

④对于监测的项目,应按照工程具体情况预先设定报警值,报警值应包括变形值、内力值及其变化速率.当监测发现超过报警值的异常情况,应立即考虑采取应急补救措施.

⑤每个工程的基坑支护监测,应该有完整的监测记录,形象的图表、曲线和监测报告.由于基坑工程监测是一个集信息采集及预测于一体的完整的系统,因此,在基坑工程施工前应该制定出严密的监测方案.应包括以下几个方面:

a．确定监测目的.根据现场场地的工程地质和水文地质情况、基坑工程围护体系设计、周围环境情况确定监测目的.其主要有以下三种类型:

a)通过监测成果分析预测基坑工程围护体系本身的安全度,保证施工过程中围护体系的安全.

b)通过监测成果分析预测基坑工程开挖对相邻建筑物的影响,确保相邻建筑物和各种市政设施的安全和正常工作.

c)通过监测成果分析检验围护体系设计计算理论和方法的可靠性,为进一步改进设计计算方法提供依据.

不同基坑工程的监测目的应有所侧重.当用于预估相邻建筑物和各种市政设施的影响,要逐个分析周围建筑物和各种市政设施的具体情况,如建筑物和市政设施的重要性、可能受影响程度、抗位移能力等,确定监测重点.

b．确定监测内容.监测项目选择应根据基坑支护形式、地质条件、工程规模、施工工况与季节及环境保护的要求等因素综合而定.一般而言,深基坑施工监测内容主要包括周边环境变形监测和基坑围护体系监测两大类.其中周边环境变形监测包括周边建筑物沉降、地下管线沉降、地表沉降等;基坑围护体系监测包括围护墙顶沉降、围护墙顶位移、围护墙深部水平位移、立柱隆沉、支撑轴力监测、坑外地下水位监测、土压力监测、孔隙水压力监测、土体分层沉降等.

监测值的变化和周边建筑物、管网允许的最大沉降变形是确定监控报警标准的主要因素,其中周边建筑物原有的沉降与基坑开挖造成的附加沉降叠加后,不能超过允许的最大沉降变形值.在基坑工程中需要进行的现场测试主要项目及测试方法见表7．3,在制定监测方案时可根据监测目的选定.

表7．3 检测项目和测试方法

(2)各监测项目的具体实施方法如下:

①调查当地的气象情况,记录雨水、气温、台风、洪水等情况,并检查自然环境条件对基坑工程的影响程度.了解基坑工程的设计与施工情况、基坑周围的建筑物、重要地下设置的布置情况和现状,检查基坑周围水管渗漏情况、煤气管道变化情况、基坑周围道路及地表开裂情况和建筑物的开裂变位情况,并做好资料的记录与整理工作.

②检查支护结构的开裂变位情况,特别应重点检查支护桩侧、支护墙面、主要支撑、连接点等关键部位的开裂情况及支护结构的漏水情况.

③边坡土体顶部和支护结构顶部的水平位移和垂直位移监测点应沿基坑周边布置,一般在每边的中部和端部均应布置监测点,且监测点间距不宜大于20m.

④对于与基坑周边距离不超过3H(H为基坑开挖深度)的建筑物,应监测其变位.

⑤围护结构、支撑及锚杆的应力G应变监测点和轴力监测点应布置在受力较大且有代表性的部位,监测点数量视具体情况而定.

⑥基坑周围地表沉降、地下水位、墙背土体深层位移、墙背土体的土压力和孔隙水压力的监测点宜设在基坑纵横轴线或其他有代表性的部位,监测点数量视具体情况而定.地下管线的沉降监测点宜设置于地下管线顶部,必要时可设置在管线底部地层内.

⑦基坑周围地表裂缝、建筑物裂缝和支护结构裂缝的监测应是全方位的,并选择其中裂缝宽度较大、有代表性的部位重点监测,记录其裂缝宽度、长度和走向.

⑧沉降监测基准点,应设在基坑工程影响范围以外,一般距基坑周边应不少于5H,也不宜少于30~50m,且数量不应少于两点.

(3)确定监测项目报警值.基坑监测中,每一个监测项目均应根据实际情况和设计要求,事先确定监测项目报警值,以判断位移和受力状态是否会超过允许范围,判断施工是否安全可靠,是否需要调整施工工艺或优化原设计方案.一般情况下,每个报警值由两部分控制,分别是总允许变化量和单位时间内允许变化量.

目前,报警值的确定还缺乏全国统一的定量化指标和判别标准.按《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120—2012)的规定,基坑监测项目的监控报警值应根据监测对象的有关规范及支护结构设计要求确定.在实际监测工作中,可按以下原则确定:

①满足设计计算要求,报警值应低于设计计算值.

②满足现行有关规范、规程和标准的要求.

③针对不同的环境和施工因素,满足测试对象的安全要求,达到保护目的.

④满足测试对象主管部门提出的要求.

⑤在保证安全的前提下,综合考虑经济因素,避免提出过低的报警值.

根据以上原则,结合实践经验,对一些项目提出以下报警值,以供参考:

①支护结构水平位移:累计水平位移、深层位移量不得超过5‰的开挖深度,连续3d水平位移速率不得超过2mm/d.

②周围建筑物的变形:累计沉降不得超过建筑物宽度的1‰,连续3d沉降速率不得超过1mm/d,建筑物差异沉降不得超过1/1000.

③周围地面与道路的变形:累计沉降不得超过开挖深度的5‰,且不大于15mm,连续3d沉降速率不得超过2mm/d.

④周围地下管线的变形:对于煤气管道,其沉降和水平位移累计不得超过10mm,发展速率不得超过2mm/d,对于自来水管道沉降和水平位移,其累计不得超过20mm,发展速率不得超过3mm/d.

⑤地下水位:基坑内降水或基坑开挖引起的基坑外水位下降,其建筑物红线处累计不得超过2000mm,发展速率不得超过500mm/d.

⑥桩墙内力、锚杆拉力、支撑轴力、桩身应力:不得超过设计值的80％.

⑦立柱变形:立柱隆起或沉降累计不得超过10mm,发展速率不得超过2mm/d.

⑧对于测斜、围护结构纵深弯矩等光滑的变化曲线,若曲线上出现明显的折点时,应作出报警处理.

(4)确定测点布置和监测频率.根据监测目的确定各项监测项目的测点数量和布置.按照对基坑工程控制变形的要求,一般情况下,设置在围护结构里的测斜管,在基坑每边设1~3点,测斜管深度与结构入土深度一样.围护桩(墙)顶的水平位移、垂直位移测点应沿基坑周边每隔10~20m设一点,并在远离基坑(大于5倍的基坑开挖深度)的地方设基准点,位移监测基准点数量不应少于两点,且应设在影响范围之外.对基准点应按其稳定时测量其位移和沉降.

基坑监测点的布置除应满足支护结构本身的监控要求外,还应考虑监测基坑边缘以外1~2倍开挖深度范围内的需要保护的物体.

地下管线位移测量有间接法和直接法两种,所以测点也有两种布置方法.直接法就是将测点布置在管线本身上;而间接法则是将测点设在靠近管线底面的土体中.为分析管道纵向弯曲受力状况或在跟踪监测、跟踪注浆调整管道差异沉降时,间接法必不可少.房屋沉降量测点则应布置在墙角、柱身(特别是代表单独基础及条形基础差异沉降的柱身)、门边等外形突出部位,测点间距应能充分反映建筑物各部分的不均匀沉降.

立柱桩沉降测点直接布置在立柱桩上方的支撑面上.每根立柱桩的沉降量、位移量均需测量,特别对基坑中多个支撑交汇处的立柱,因受力复杂,应作为重点测点.重点测点的变形与应力量测应配套进行.

围护桩(墙)弯矩测点应选择基坑每侧中心处布置,深度方向测点间距一般以1．5~2．0m为宜,支撑结构轴力测点需设置在主撑跨中部位,每层支撑都应选择几个具有代表性的截面进行测量.对于需要测轴力的重要支撑,宜配套测其在支点处的弯矩以及两端和中部的沉降及位移.底板反力测点布置在底板结构形状在最大正弯矩和负弯矩处,宜布置在塔楼范围内.

在实际工程中,应根据工程施工引起的应力场、位移场分布情况分清重点与一般,抓住关键部位,做到重点量测项目配套,强调量测数据与具体施工参数配套,以形成有效检测系统,使工程设计和施工设计紧密结合,以达到保证工程和周围环境安全及及时调整优化设计与施工的目的.

根据基坑开挖进度确定监测频率.原则上在开挖初期可以几天测一次,随着开挖深度发展提高监测频率,必要时可一天测数次.

(5)建立监测成果反馈制度.应及时将监测成果报告给现场监理、设计和施工单位,凡超过监测项目报警值应及时研究及时处理,以确保基坑工程安全顺利施工.

(6)制定监测点的保护措施.由于基坑开挖施工现场条件复杂,测试点极易受到破坏,因此,所有测点务必做得牢固,配上醒目标志,并与施工方案密切配合,以确保其安全.

(7)监测方案设计应密切配合施工组织计划.监测方案是施工组织设计的一个重要内容.它只有符合施工组织的总体计划安排,才有可能得以顺利实施.

7．4．2 基坑信息化施工

信息化施工出现之前对工程的监测、管理可称为监测施工.监测施工是在施工过程中凭借工程技术人员的经验判断施工过程的安全性,或安放测试元件进行测试,根据施工过程中的测试结果进行事后分析.对施工过程中可能出现的重大质量、安全问题,主要靠工程技术人员的经验判断,必要时采取应急措施.而监测的目的主要是验证原有设计,为今后的工程设计积累经验和资料.靠事后分析的监测施工不能直接指导当前工程项目的施工,其原因主要是测量、分析手段落后所致.因此,在大型复杂工程施工中,必须采用信息化施工技术来指导工程项目的设计和施工.

所谓信息化施工,就是在施工过程中,通过设置各种测量元件和仪器,实时收集现场实际数据并加以分析,根据分析结果对原设计和施工方案进行必要的调整,并反馈到下一步施工过程,对下一阶段的施工进行分析和预测,从而保证工程施工安全、经济地进行.信息化施工技术是在现场测量技术、计算机技术,以及管理技术的基础上发展起来的.要进行信息化施工,应具备的条件:有满足检测要求的测量元件和仪器,可实时检测,有相应的预测模型和分析方法,应用计算机进行分析.

(1)信息化施工的基本方法主要有以下两种:

①理论解析方法.理论解析方法利用现有的设计理论和设计方法.进行工程结构设计时应采用许多设计参数,若进行深基坑开挖护坡结构设计时,需要采用土的侧压力系数等.按照设计进行施工并进行监测,如果实测结果与设计结果有较大偏差,说明原设计所采用的参数不一定正确,或其他影响因素在设计方法中未加考虑.通过一定方法反算设计参数,如果采用的一组设计参数计算分析得到的结构变形、内力与实测结果一致或相接近,说明采用这组设计参数进行设计,其结果更符合实际.利用新的设计参数计算分析,判断工程结构施工现状,并预测下一施工过程,以保证工程施工安全、经济地进行.

②“黑箱”方法.“黑箱”方法不按照现有设计理论进行分析和计算,而是采用数理统计的方法,即避开研究对象自身机理和影响因素的复杂性,将这些复杂的、难以分析计算的因素投入“黑箱”,不管其物理意义如何,只是根据现场的反馈信息来推算研究对象的变形特性和安全性.

(2)信息化施工通常主要包含以下几个阶段:

①基于监测值的日常管理.利用计算机实时采集工程结构的变形、内力等数据,每天比较监测值和管理值,监测工程的安全性以及是否与管理值相差过大.

②现状分析和对下阶段的预测.利用监测结果推算设计参数,根据新的设计参数计算分析,判断现施工阶段工程结构安全性,并预测以后施工阶段结构的变形及内力.

③调整设计方案.根据预测结果调整设计方案,必要时改变施工方案,重新进行设计.

基坑工程是一个涉及地质、水文、气象等条件及土力学、结构、施工组织和管理等学科各个方面的系统工程.深基坑的护壁,不仅要求保证基坑内正常作业安全,而且应防止基坑及坑外土体移动,保证基坑附近建筑物、道路、管线的正常运行.各地通过工程实践与科学研究,在基坑支护理论与技术上都有了进一步的发展,取得了可喜的成绩.由于地质条件的复杂性、设计和施工方法的局限性以及各种不确定因素的影响,在基坑开挖过程中,土体性状和支护结构的受力状态都在不断变化,恰当地模拟这种变化是工程实践所需要的.但用传统的固定不变的计算模型和参数来描述不断变化的土体性状是不合适的.因此,在深基坑施工中,必须采取必要的测试手段定人、定期对地层、支护结构以及周围重要建筑物进行变形、受力情况的监测,必须根据现场监测信息,不断修改、优化设计,以便达到安全施工的目的,确保工程质量.

从许多基坑工程的事故中不难发现,任何一起工程事故,无一例外地与监测不力或险情预报不准确有关.换而言之,如果基坑工程的环境监测与险情预报准确而及时,就可以防止重大事故的发生.或者说,可以将事故造成的损失降低到最低程度.

信息化施工是应用系统工程于施工的一种现代施工管理办法,包括信息采集(监测)、反分析(即分析模型和计算参数反演)、正分析(预测)以及根据预测结果进行决策与控制等方面的内容,其原理如图7．27所示.

图7．27 信息化施工原理框图

思考题

一、简答题

1．为什么说基坑工程是一项复杂的综合性系统工程?

2．土钉墙的构造及其各组成部分的作用是什么?

3．土钉墙的设计内容包括哪些?

4．简述土钉墙的施工工艺流程.

5．锚杆技术有哪些优点?

6．简述锚杆的构造与类型.

7．锚杆的设计内容包括哪些?

8．锚杆与土钉有哪些异同点?

9．锚杆的支护机理是什么?

10．排桩墙支护体系由哪些部分组成?支护墙体的主要形式有哪些?

二、计算题

某基坑采用土钉墙进行支护,已知土钉水平和竖向间距分别为sx＝1．2m,sz＝1．5m,土钉与水平面夹角α＝30°,土钉与土体的摩阻力标准值qs＝60k Pa,土钉直径d＝0．1m,土钉在破裂面外的长度为l＝3．0m,该土钉位置基坑水平荷载(即土压力)pak＝20k Pa,荷载折减系数ζ＝0．6,η＝1．0试计算:

(1)该土钉的抗拔承载力设计值Rk.

(2)该土钉的受拉荷载标准值Nk.

(3)判断该土钉是否会被拉出.