大型市政基坑变形监测技术与应用研究

张玉华

(中铁二十三局集团第一工程有限公司,山东日照 276826)

随着现代城市规模与建设工艺的发展,以大型深基坑开挖工程为代表的施工项目日益增多,然而基坑降水、土体开挖与工程建设过程中,受复杂的地质条件影响,势必对周边建筑物、地下管线与周围地表造成一定影响。因而在基坑施工前后采用现代测量仪器与技术方法,通过测定开挖主体支护、周边监测对象的平面位移与高程变化数据,及时反馈施工异常情况并采取有效应对措施,科学合理的判定施工对象的稳定性。

1 基坑监测内容与数据处理方法

从工程实践分析,深基坑工程一般临时性构筑物多、抗风险系数低,地质条件与土地结构区域性明显,加之周边构筑物、地下管线等环境复杂,须根据土体变形规律与应力变化趋势,事先拟定最佳监测方案。

基坑变形监测中基础建设项目为基坑坡顶水平位移、竖向位移监测、周边建筑物沉降监测,其次根据基坑规模与分级程度的差异,增加地下管线监测、地下水监测、深层土地位移监测、支护应力监测、裂隙监测等。同时由于监测项目类型的差异,数据采集设备从高精度全站仪、水准仪、测斜仪到应力计、地下水位监测仪不等,数据类型与表现形式多样化;数据处理与信息挖掘方面,多采用回归分析、曲线拟合、灰色模型理论等进行数据建模分析,数据预测的精度也相对较高。

2 变形监测精度分析

从基坑监测精度的影响因素分析,其数据成果误差主要来源于观测误差、仪器系统误差与环境因素引起的误差3方面,因此变形监测施测过程中,多采用定人员、定路线、定时段的方法,尽量减少人为因素与系统误差的影响,提升数据观测的可靠性。根据误差传播定律,来分析基坑坡顶竖向位移与水平位移的方法与成果精度如下：

(1)竖向位移监测。基坑支护竖向位移监测,即采用S1以上精密水准仪周期性的测定监测点高程变化量,来客观标定基坑沉降速率变化的指标。其误差来源于i角误差、水准尺误差、观测与读数误差、地球曲率变化与设备升降误差等,全中误差为：其中W为闭合差,L为闭合环路路线长度,N为闭合环数量。

(2)水平位移监测。在数据采集方面,多采用经纬仪小角法、全站仪极坐标法等手段,其中小角法为利用基坑边线构建基准坐标系,通过周期性的测定测站与带测点间夹角、距离,来计算点位水平偏移量的方法,其测量中误差表示为：

而极坐标法为按照前方交会原理,直接测定点位水平坐标的方法,其测量中误为：

3 大型市政基坑变形监测技术应用分析

现有某地下人行通道与配套设施工程包含3部分,即A道路口顶管始发井与出入口、地下顶管人行通道和B道路顶管接收井与出入口配套工程。其中两井基坑深度12.5米,顶管截面顶距离路面5米,现以顶管施工专项监测为例进行研究分析。

(1)工程地质与周边环境情况。施工场区涉及的A、B道路均为城市主干道、沥青材质,沿线有地铁2#线通过、同时涉及高架桥墩等设施,且地下有燃气、电力、雨污等管线设施,道路与周边环境情况相对复杂。

(2)监测依据。依照《工程测量规范》、《建筑基坑工程监测技术规范》与《精密水准测量规范》等相关技术指标文件。

(3)监测内容与项目。包含道路地表路面沉降监测、地铁隧道变形监测、基坑变形监测与地下管线监测等内容;监测方式采用测量仪器数据采集与外业巡视检查互补结合的方式开展。

(4)监测基准点与监测点布设。基准点设置于远离沉降监测区的稳固地区(一般为3-5倍开挖深度),按照监测区域实际情况,共布设4个监测基准点构成闭合环路;路面监测点则按照设计要求,沿顶管施工区域,在地表以3点为一横向断面,布设8条监测线共计24点;基坑监测则采用钢筋应力计采集应力信息,对于支护顶部平面与竖向位移则选择凸出主体的顶点进行布点观测;地下管线则采用与地表监测点共用的方式布设,针对部分刚性材料管道则采用钻机引孔的方式固定安置。

(5)施测流程与监测精度指标要求：采用Topcon MS05A高精度全站仪、A T-G 2电子水准仪等进行平面与高程数据的采集,其中竖向高程信息采集时按照二级水准的要求施测,精度指标如表1所示。

本工程竖向位移监测时,采用统一高程基准,周期性观测均采用闭合环路测量,初始数据值采用两次起始数据均值,且高程差值控制低于0.5 m m;针对基准点数据的可靠性,每隔1个月定期进行基准点闭合环复测,以检定是否存在基准点沉降变动异常情况。

(6)施测频率：顶管施工期间(土体开挖)按照1次/d的频率,土建施工与竣工期间,按照1次/2d的频率施测,报警值为累积变形量30 mm或2m m/d,针对特殊情况予以加密观测。

表1 一二级水准测量指标参数表

图1 部分监测点S-T沉降曲线图

(7)监测成果数据分析：针对工程监测实施中所采集的周期性坐标与高程数据,采用Excel电子表格进行分类汇总与图表生成,以S-T、V-T曲线图等形式进行直观表示,如图1所示。

同时为开展监测数据预测应用研究的目标,针对部分基坑与道路地表沉降数据,利用M A T L A B数值分析软件进行GM(1,1)灰色系统数学建模预测分析,经过样本预测成果与标本数据的对比,实际精度良好,可满足短期变形监测预报的需求。

4 结语

基坑开挖具有区域性强、综合性高与环境效应显著等特点,伴随土体应力与地下水条件的变化,土体强度降低、稳定性较差,优化基坑施工中的各项监测工作,具有重要安全意义。数据采集过程中尽量降低外界因素的影响,从固定观测人员与仪器、固定观测路线与方法,以及固定观测气象条件等方面入手,减弱系统观测误差影响,提高变形监测的观测数据精度;数据成果预报方面,可采用GM(1,1)灰色模型开展数据预报,原始数据呈非等间隔时采用时间加权的方式进行预处理,同时若出现预测效果较差的情况,可构建基于残差修正的灰色模型,提升数据处理与预测的可靠性。

[1] 曹雄伟.试分析建筑工程施工中深基坑支护的施工技术管理[J].绿色环保建材,2016(09)：86.

[2] 刘志楠,张胜.监控量测技术在牟尼沟隧道出洞口浅埋段的应用[J].公路交通科技,2011(3)：202-204.

[3] 吴志刚.沉降监测成果质量检查方法研究[J].山西建筑,2013(23)：189-191.

[4] 张光瑞,刘洋.深基坑工程的特点及存在的问题[J].中国新技术新产品,2009(09)：51.