基坑工程監(jiān)測項(xiàng)目初始值采集時間研究

徐國勇

(北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 北京 100101)

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基坑工程監(jiān)測項(xiàng)目初始值采集時間研究

徐國勇

(北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 北京 100101)

基于多個基坑工程監(jiān)測實(shí)例，通過對不同的施工階段監(jiān)測數(shù)據(jù)變化量與現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的控制值進(jìn)行對比，分析不同的監(jiān)測項(xiàng)目初始值采集時間對監(jiān)測結(jié)果的影響程度。總結(jié)出圍護(hù)墻頂部水平位移、深層水平位移、鋼筋混凝土支撐內(nèi)力、周邊建筑豎向位移等監(jiān)測項(xiàng)目合理的初始值采集時間，為基坑工程監(jiān)測結(jié)果的科學(xué)性、監(jiān)測評價的準(zhǔn)確性奠定基礎(chǔ)。

城市軌道交通；基坑監(jiān)測；初始值；地下連續(xù)墻

20世紀(jì)80年代以來，我國高層建筑和地下工程得到了迅猛發(fā)展，基坑工程的重要性逐漸被人們所認(rèn)識，基坑工程監(jiān)測技術(shù)也不斷完善和發(fā)展。

為業(yè)主提供可靠的監(jiān)測結(jié)果和評價，用以判斷基坑工程自身安全和周邊環(huán)境安全，是基坑監(jiān)測的目的之一。基坑工程施工全過程(支護(hù)結(jié)構(gòu)施工、基坑降水、基坑開挖、基坑使用、支撐拆除、地下水位恢復(fù))均可引起支護(hù)體系和坑內(nèi)外土體產(chǎn)生變形[1]。合理確定基坑工程監(jiān)測初始值的采集時間，可以提高監(jiān)測結(jié)果的科學(xué)性、監(jiān)測評價的準(zhǔn)確性。筆者通過統(tǒng)計相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，結(jié)合基坑監(jiān)測目的和監(jiān)測效果，系統(tǒng)闡述了目前基坑工程監(jiān)測項(xiàng)目合理的初始值采集時間，為準(zhǔn)確、及時地評價基坑自身及周邊環(huán)境安全狀態(tài)奠定了基礎(chǔ)。

1 基坑工程監(jiān)測初始值采集時間現(xiàn)狀

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部與國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局相繼聯(lián)合發(fā)布了《建筑基坑工程監(jiān)測技 術(shù) 規(guī) 范》和《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》。其中，在監(jiān)測初始值采集時間方面，《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》第6.1.5條規(guī)定，監(jiān)測項(xiàng)目初始值應(yīng)在相關(guān)施工工序之前測定，并取至少連續(xù)觀測3次穩(wěn)定值的平均值[2]?！冻鞘熊壍澜煌üこ瘫O(jiān)測技術(shù)規(guī)范》第7.1.6條規(guī)定，工程周邊環(huán)境與周圍巖土體監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)在施工之前埋設(shè)，工程支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)在支護(hù)結(jié)構(gòu)施工工程中及時埋設(shè)。監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)并穩(wěn)定后，應(yīng)至少連續(xù)獨(dú)立進(jìn)行3次觀測，并取其穩(wěn)定值的平均值作為初始值[3]。

目前，我國各城市主要參考現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范并根據(jù)基坑工程施工時的幾個關(guān)鍵時間節(jié)點(diǎn)，對各監(jiān)測項(xiàng)目初始值采集時間提出要求。初始值采集時間的節(jié)點(diǎn)主要有圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工前、基坑降水前和基坑開挖前。但筆者在搜集了北京、天津、廣州、上海、蘭州、南寧等6個城市基坑工程部分監(jiān)測項(xiàng)目的初始值采集時間(見表1)后發(fā)現(xiàn)，各城市仍存在較明顯的差異。

經(jīng)過考察發(fā)現(xiàn)，大部分城市基坑工程監(jiān)測以基坑開挖為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行各監(jiān)測項(xiàng)目的初始值采集。各城市周邊地表和周邊建筑物的豎向位移監(jiān)測項(xiàng)目的初始值采集時間差異較大。需要說明的是，上海地區(qū)在基坑降水期間對周邊建筑豎向位移進(jìn)行監(jiān)測，但一般在基坑開挖前重新采集初始值且數(shù)據(jù)不連續(xù)累計，因此認(rèn)為其各監(jiān)測項(xiàng)目均在基坑開挖前采集初始值。

天津地區(qū)基坑工程的監(jiān)測，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施作期即對周邊地表豎向位移、周邊建筑豎向位移進(jìn)行監(jiān)測，且在基坑降水期間即對圍護(hù)墻頂部位移、深層水平位移、立柱豎向位移、支撐內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測，初始值采集時間相對其他城市最早。

表1 初始值采集時間

注：圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工前● 基坑降水前▲ 基坑開挖前■

2 監(jiān)測項(xiàng)目初始值采集時間影響分析

2.1 圍護(hù)墻頂部水平位移

國內(nèi)一些學(xué)者鄭剛等[4]對基坑開挖前的預(yù)降水引起的地下連續(xù)墻向基坑內(nèi)位移做過研究。研究結(jié)果表明，如果降水前基坑不施工墻頂側(cè)向支撐，地連墻將發(fā)生懸臂型側(cè)移，墻頂最大側(cè)移可達(dá)10 mm。

以地下連續(xù)墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式、一級基坑的報警值為例，相關(guān)規(guī)范中規(guī)定圍護(hù)墻頂部水平位移的累計絕對值為25～30 mm。在基坑開挖前的預(yù)降水期間，如果墻頂向基坑內(nèi)位移10 mm，則圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生的水平位移階段變化量將占最大報警值的33%，比例非?？捎^。由此可見，圍護(hù)墻頂部位移的初始值是否在基坑降水前采集，對其累計變形量影響顯著。

由于在基坑開挖期間，圍護(hù)墻頂部水平位移會隨時間(開挖深度)的增加而不斷增大[5]，且與開挖前預(yù)降水期間變形方向一致。如果圍護(hù)墻頂部水平位移在預(yù)降水前采集初始值，則必然導(dǎo)致實(shí)測值累計變形量大于受基坑開挖影響的累計變形量，可能出現(xiàn)危險報警時間提前的情況，施工單位將因此采取應(yīng)急處理措施，增加了施工單位不必要的時間和資金成本。

基坑開挖前的預(yù)降水期間，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移不會對未開挖的基坑穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，在基坑開挖前的預(yù)降水期間，擬開挖的基坑自身顯然是安全穩(wěn)定的。如果圍護(hù)墻頂部水平位移采集時間過早，將會影響通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對基坑自身安全及穩(wěn)定性的判定。

綜合考慮，筆者認(rèn)為圍護(hù)墻水平位移的初始值在基坑開挖前采集較為合理。

2.2 圍護(hù)墻深層水平位移

國內(nèi)學(xué)者對基坑開挖前的預(yù)降水引起地下連續(xù)墻體深層水平位移做過研究。研究表明，如果降水前不施工墻頂側(cè)向支撐，墻體最大側(cè)移會發(fā)生在墻頂處，可達(dá)10 mm左右；如果降水前施工墻頂側(cè)向支撐，墻體會發(fā)生內(nèi)凸型側(cè)移，最大側(cè)移發(fā)生在墻頂以下一定深度，向基坑內(nèi)位移值可達(dá)4 mm左右[4]。

以巖土類型為堅硬或中硬土，圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式為地下連續(xù)墻，工程監(jiān)測等級為一級的基坑控制值為例，相關(guān)規(guī)范中規(guī)定墻體水平位移的累計絕對值為20～30 mm。基于上述研究結(jié)果分析，在基坑開挖前的預(yù)降水期間，墻體水平位移階段變化量將占上述最大控制值的13%～33%。由此可見，深層水平位移的初始值是否在基坑降水前采集，對其累計變形量影響顯著。

墻體水平位移在基坑開挖期間一般表現(xiàn)為向坑內(nèi)位移，且與開挖前預(yù)降水期間變形方向一致。然而，圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體在基坑未開挖時可能產(chǎn)生少量變形，但基坑自身仍然是安全穩(wěn)定的。將基坑未開挖的前期預(yù)降水階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體變形量計入基坑開挖階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體變形量，缺乏合理性且必然導(dǎo)致實(shí)測值累計變形量明顯大于受基坑開挖影響的累計變形量，可能出現(xiàn)預(yù)警時間提前的情況，將會增加施工單位不必要的時間和資金成本。

此外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體水平位移監(jiān)測在現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范中也沒有考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)成槽時傾斜度的影響，從另一方面印證了圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體水平位移監(jiān)測初始值在基坑降水前采集的不合理性。

筆者認(rèn)為，圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體水平位移監(jiān)測初始值在基坑開挖前采集較為合理。

2.3 鋼筋混凝土支撐內(nèi)力

一般情況下，鋼筋混凝土支撐達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的90%以上，才能進(jìn)行基坑的下一層土方開挖[6]。在開挖過程中，鋼筋混凝土支撐內(nèi)力監(jiān)測通常采用埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計的測試方法，將鋼筋應(yīng)力計截面受力換算成鋼筋混凝土支撐截面的受力[7]。受混凝土收縮徐變、環(huán)境溫度、鋼筋混凝土支撐自重等多方面因素影響，通過此種監(jiān)測方法計算出的鋼筋混凝土支撐內(nèi)力會有偏大的現(xiàn)象。通過統(tǒng)計天津地區(qū)基坑監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在基坑土方開挖深度小于5 m時，出現(xiàn)首層鋼筋混凝土支撐內(nèi)力報警的情況約占所統(tǒng)計鋼筋混凝土支撐總數(shù)量的70%左右。

天津地區(qū)大量監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在基坑土方開挖前1 d至其正下方土體開挖(開挖深度小于5 m)且支撐整體處于懸臂狀態(tài)后1 d內(nèi)，鋼筋混凝土支撐內(nèi)力迅速增大。在此階段，支撐內(nèi)力約1～2 d的階段變化量約占支撐內(nèi)力歷史最大值的30%～60%?？梢?，此階段其內(nèi)力增長較為異常。在基坑開挖初期，鋼筋混凝土支撐由基坑開挖前基本不受力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為懸臂狀態(tài)，且考慮到此時開挖深度相對較小，推斷其內(nèi)力的異常增長主要由鋼筋混凝土支撐自身重量引起。

為印證以上推斷，在某工程首層鋼筋混凝土中部布設(shè)沉降觀測點(diǎn)，繪制基坑內(nèi)開始降水至土方開挖1 d后，沉降觀測點(diǎn)變化的時程曲線(見圖1)。其中，沉降觀測點(diǎn)ZCC9、ZCC8、ZCC10所在鋼筋混凝土支撐跨度分別為35.4、32.0、21 m?？梢钥闯觯诨觾?nèi)降水中期和土方開挖初期，鋼筋混凝土支撐沉降速率最大；鋼筋混凝土支撐中部在基坑內(nèi)降水至土方開挖1 d后的期間內(nèi)分別產(chǎn)生了約47、27、24 mm的沉降量，且沉降量與支撐跨度正相關(guān)。由此推斷，鋼筋混凝土支撐受自重下沉影響，內(nèi)力變化顯著。

圖1 鋼筋混凝土支撐沉降時程曲線

綜上所述，鋼筋混凝土支撐內(nèi)力初始值采集時間的選取宜盡量同時滿足以下條件：

1) 在混凝土達(dá)到齡期后進(jìn)行初始值采集，以減少混凝土收縮、徐變對支撐內(nèi)力的影響；

2) 應(yīng)避開特殊天氣(如雨雪等)，并選擇上午光照前溫差相對較小時采集為宜，從而減小溫度對內(nèi)力的影響；

3) 在鋼筋混凝土支撐下方土體開挖，并在其處于懸臂狀態(tài)1 d后采集初始值，從而最大限度消除支撐自重對其內(nèi)力的影響。

通過實(shí)踐表明，在遵循上述鋼筋混凝土支撐初始值采集時間的條件后，可以有效減少鋼筋混凝土支撐內(nèi)力過早報警的情況，顯著改善鋼筋混凝土支撐內(nèi)力測值偏大的現(xiàn)象[8]，可以更加真實(shí)地反映支撐體系的受力狀態(tài)。

2.4 周邊建筑物豎向位移

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在施工階段可能對周邊建筑物沉降產(chǎn)生較大影響。以某基坑工程為例，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻并截斷第2層承壓水。地下連續(xù)墻槽段距建筑物(建造年代為70年代，為地上5層砌體結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ))最近處約5 m。臨近地下連續(xù)墻施工槽段附近建筑物有第三方監(jiān)測單位布設(shè)的沉降觀測點(diǎn)JGC-15、JGC-16、JGC-17(見圖2)。

圖2 基坑與建筑物位置關(guān)系

在施工地下連續(xù)墻時，周邊建筑物豎向位移監(jiān)測點(diǎn)即產(chǎn)生了約8 mm的沉降，地下連續(xù)墻施工完成后建筑物沉降趨于平穩(wěn)(見圖3)。

圖3 建筑物豎向位移變化時程曲線

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工階段，此建筑物產(chǎn)生了8 mm的沉降，占此建筑物沉降控制值20 mm的40%?？梢?，建筑物豎向位移在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工前采集初始值的必要性。

此外，即使基坑土方未開挖，基坑坑內(nèi)降水引起的土層壓密也會導(dǎo)致鄰近建筑物沉降[9]。筆者以基坑為對象，對基坑周邊建筑物在基坑開挖預(yù)降水階段的最大沉降值進(jìn)行了統(tǒng)計。在參與統(tǒng)計的18個基坑中，14個基坑工程在開挖前的預(yù)降水階段，其周邊建筑物最大沉降值在3 mm以內(nèi)，沒有出現(xiàn)明顯異常，占所統(tǒng)計基坑數(shù)量的77.8%；有3個基坑工程在開挖前預(yù)降水階段，周邊建筑物沉降最大值在6～10 mm，占所統(tǒng)計基坑數(shù)量的16.7%；個別基坑工程周邊建筑物沉降最大值達(dá)到了10 mm以上，占所統(tǒng)計基坑數(shù)量的5.5%?？梢姡庸こ淘陂_挖前的預(yù)降水階段，其周邊建筑物沉降出現(xiàn)異常的可能性不容忽視。

以某基坑工程為例，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻并截斷第二層承壓水。周邊建筑物(建造年代為70年代，為地上6層砌體結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ))距基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊緣最近處約10.5 m。理論上，基坑內(nèi)降水不會對周邊環(huán)境造成較大影響，但在基坑開挖前的降水階段，由于未預(yù)見因素的影響，周邊建筑物出現(xiàn)了明顯的下沉趨勢(見圖4)。

圖4 建筑物豎向位移時程曲線

此外，基坑工程一般在坑內(nèi)施工降水井的同時，還在坑外進(jìn)行觀測井施工，某些工序可能對地下水位產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到周邊建筑物。因此，在基坑內(nèi)外降水相關(guān)施工活動開始前，應(yīng)對周邊建筑物進(jìn)行豎向位移的初始值采集。

綜合考慮，認(rèn)為基坑周邊建筑物豎向位移初始值在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工前采集較為合理。

2.5 其他監(jiān)測項(xiàng)目

通過多種方法和途徑對基坑自身和其周邊環(huán)境各對象進(jìn)行監(jiān)測，各監(jiān)測項(xiàng)目監(jiān)測數(shù)據(jù)互相印證，才能更準(zhǔn)確地對基坑自身和周邊環(huán)境安全做出準(zhǔn)確判定。對上述監(jiān)測項(xiàng)目外的其他監(jiān)測項(xiàng)目，適時進(jìn)行初始值采集同樣十分重要，例如周邊地表豎向位移、立柱豎向位移等。

通常，地下連續(xù)墻施工階段施工場地內(nèi)硬化條件并不十分完善，大型施工機(jī)械較多，基坑周邊地表受施工機(jī)械擾動情況突出，測點(diǎn)保護(hù)困難，地表豎向位移監(jiān)測很難順利、連續(xù)地實(shí)施。筆者認(rèn)為，地表豎向位移作為間接反映基坑自身及周邊環(huán)境安全狀態(tài)的一種手段，其初始值在基坑降水施工前采集為宜。

立柱豎向位移是體現(xiàn)基坑安全狀態(tài)的重要指標(biāo)之一。在基坑工程中，立柱常與支撐體系連接，承擔(dān)支撐的重量，作為支撐體系承重結(jié)構(gòu)的一部分。立柱豎向位移變形會影響水平支撐的豎向撓度[10]，進(jìn)而影響支撐體系安全。顯然，影響基坑支撐體系安全的施工階段主要在基坑開挖階段，因此立柱豎向位移的初始值在基坑開挖前采集較為合理。

圍護(hù)墻頂部豎向位移初始值在基坑開挖前采集較為合理，原因與立柱豎向位移相似，這里不再贅述。

3 結(jié)論

本文通過統(tǒng)計分析相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并結(jié)合基坑監(jiān)測目的和監(jiān)測效果，對基坑工程部分監(jiān)測項(xiàng)目的初始值采集時間進(jìn)行了總結(jié)和分析，得出以下結(jié)論：

1) 圍護(hù)墻頂部水平位移和豎向位移、深層水平位移、周邊地表豎向位移、立柱豎向位移的初始值應(yīng)在基坑開挖前采集；

2) 鋼筋混凝土支撐內(nèi)力初始值在其下方土體開挖，并在其處于懸臂狀態(tài)1 d后采集；

3) 周邊建筑物豎向位移初始值在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工前采集。

隨著新的監(jiān)測設(shè)備和傳感器的開發(fā)與應(yīng)用，基坑工程監(jiān)測技術(shù)也將得到不斷發(fā)展，不斷探索合理的監(jiān)測初始值采集時間，才能夠系統(tǒng)、準(zhǔn)確地反映基坑及周邊環(huán)境的受力與變形的重要變化過程。

[1] 李光照，鄭剛.軟土地區(qū)深基坑工程存在的變形與穩(wěn)定問題及其控制[J].施工技術(shù)，2011，40(7)： 5-9.

[2] 建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范：GB 50497—2009[S].北京：中國計劃出版社，2009：16.

[3] 城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范：GB 50911—2013[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014：33.

[4] 鄭剛，曾超峰.基坑開挖前潛水降水引起的地下連續(xù)墻側(cè)移研究[J] .巖土工程學(xué)報，2013，35(12)：2153-2163.

[5] 葉強(qiáng)，吳慶令.某深基坑工程的監(jiān)測分析與變形特征 [J].巖土工程學(xué)報，2010，32 (S2)：541-544.

[6] 逯登軍，楊大利.鋼支撐與混凝土支撐施工分析[J].天津建設(shè)科技，2015，25(1)：19-21.

[7] 方大勇，周輝.圍護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土支撐軸力計算中的徐變分析研究[J].廣東水利水電，2006，8(4)：11-13.

[8] 胡正亮.基坑工程中混凝土支撐內(nèi)力監(jiān)測結(jié)果異常分析[J] .西部探礦工程，2007，19(2)：2-3.

[9] 鄭剛.天津市地下工程中地下水的影響及控制 [J] .施工技術(shù)，2010，39(9)：1-12.

[10] 樓曉明，楊晶，李德寧.立柱樁在深基坑分布開挖過程中的上拔位移分析[J].巖土工程學(xué)報，2013，35(1)：193-198.

(編輯：郝京紅)

Acquisition Time of Initial Value for Excavation Engineering Monitoring

Xu Guoyong

(Beijing Urban Construction Exploration & Surveying Design Research Institute Co., Ltd., Beijing 100101)

The article is based on a number of foundation pits engineering monitoring examples by comparing the monitoring data to the controlled value of the current code in different construction stages. Analysis results on the influence of initial value acquisition time of different monitoring projects are carried out. The reasonable acquisition time for initial monitoring values is concluded for the wall top horizontal displacement, deep horizontal displacement, internal force of reinforced concrete support and vertical displacement for surrounding buildings etc., which laid a foundation for scientific monitoring and evaluation and the accuracy of monitoring results of the foundation pit engineering.

urban rail transit; monitoring of excavation; initial displacements; underground continuous wall

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.021

2015-07-14

2015-08-15

徐國勇，男，本科，學(xué)士學(xué)位，分院副院長，工程師，從事軌道交通工程監(jiān)測工作，17192040@qq.com

U231.1

A

1672-6073(2016)04-0093-05