基于壓差傳感技術(shù)的坑底隆起監(jiān)測方法及應(yīng)用

葉俊能，尹鐵鋒，杜培貞

(寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315101)

基于壓差傳感技術(shù)的坑底隆起監(jiān)測方法及應(yīng)用

葉俊能，尹鐵鋒，杜培貞

(寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315101)

針對基坑坑底隆起監(jiān)測問題，提出了一種基于壓差傳感技術(shù)的坑底隆起監(jiān)測方法。首先分析了壓差傳感技術(shù)原理，其次介紹了監(jiān)測系統(tǒng)中的壓差傳感系統(tǒng)及相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，然后通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證了監(jiān)測系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性，最后將該監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于工程實(shí)踐，并對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了分析。所得主要結(jié)論如下：基于壓差傳感技術(shù)的坑底隆起監(jiān)測系統(tǒng)通過測點(diǎn)處的液面變化來反映豎向位移?；涌拥茁∑鹬惦S著開挖深度的增加而增大；開挖深度較小時(shí)，坑底隆起隨基坑開挖同時(shí)發(fā)生和結(jié)束；當(dāng)基坑開挖深度不斷增加，坑底隆起隨基坑開挖同時(shí)發(fā)生，并在該層開挖結(jié)束后持續(xù)增大。開挖相同厚度的土層，深度越深，所引起的坑底隆起越大，坑底土體重新穩(wěn)定所需要的時(shí)間也越長。

坑底隆起；監(jiān)測方法；壓差傳感技術(shù)

基坑開挖過程中坑底土體卸載回彈以及坑底土體負(fù)孔隙水壓力消散導(dǎo)致的吸水膨脹與軟化都將導(dǎo)致坑底隆起[1]?？拥茁∑鹨环矫鏁?huì)引起基坑工程本身的質(zhì)量安全問題，如坑底受承壓水作用產(chǎn)生隆起破壞；另一方面會(huì)對附近建(構(gòu))筑物產(chǎn)生不利影響，如地鐵隧道上方基坑開挖產(chǎn)生坑底隆起引起隧道上浮、開裂、漏水，甚至影響地鐵運(yùn)營安全。因此，坑底隆起監(jiān)測是基坑監(jiān)測中至關(guān)重要的一環(huán)，坑底隆起方面的研究也越來越受到學(xué)者及工程師們的重視。

喻軍等[2]通過杭州地區(qū)基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得到基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與地面沉降和坑底隆起的關(guān)系，并確定了基坑變形控制值。何玉紅[3]基于孔隙比和壓縮變形量的關(guān)系推導(dǎo)了塑性發(fā)展系數(shù)β的表達(dá)式，并建立了一種基于塑性發(fā)展系數(shù)β和卸荷比R的回彈量估算方法。陳立國等[4]基于極限分析法提出了基坑抗隆起穩(wěn)定性分析的計(jì)算公式，并采用工程實(shí)例對可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。竇華港等[5]對坑底回彈量的各種計(jì)算方法及適用性進(jìn)行了分析，并給出了回彈量與開挖卸荷之間的經(jīng)驗(yàn)公式。周健華[6]重點(diǎn)分析了基坑內(nèi)是否有樁、基底土是否加固、基坑開挖時(shí)間效應(yīng)、空間效應(yīng)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度以及坑內(nèi)水位降深等因素對坑底回彈、隆起量的影響。吳傳波[7]以工程實(shí)例為依托，利用數(shù)值手段研究了基坑坑底隆起變形規(guī)律。結(jié)果表明隨基坑寬深比不斷增加，坑底最大隆起量也不斷增大。曹力橋等[8]建立了開挖與降水開挖的三維基坑模型，分析了軟土地區(qū)深基坑坑底隆起變形及其影響因素。得出了降水對基坑穩(wěn)定有利的結(jié)論。田志杰[9]結(jié)合某明挖基坑臨時(shí)立柱沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出了通過臨時(shí)立柱傳遞坑底豎向位移，利用全站儀測量深大基坑回彈量的新方法。

綜上所述，目前關(guān)于坑底隆起監(jiān)測新方法方面的研究尚不多見，本文提出了一種基于壓差傳感技術(shù)的基坑坑底隆起監(jiān)測方法，使坑底隆起監(jiān)測具有良好的連續(xù)性和可靠性，對同類工程具有一定的參考價(jià)值。

1 壓差傳感技術(shù)原理

幾個(gè)底部互相連通的容器，注入同一種液體，在液體不流動(dòng)時(shí)各容器的液面總是保持在同一水平面上稱為連通器原理。利用連通器內(nèi)液面等高的原理，可將兩點(diǎn)間豎向相對位置變化轉(zhuǎn)換成連通器內(nèi)液面的變化。如圖1所示，基于連通器原理的坑底隆起監(jiān)測系統(tǒng)由水箱、通液管、基點(diǎn)傳感器、測點(diǎn)傳感器和通氣管構(gòu)成；其中虛框內(nèi)的2，3，4，5組成一個(gè)連通器；3設(shè)置在影響范圍外，以確保無沉降(或隆起)；1經(jīng)過特別設(shè)計(jì)，當(dāng)連通器內(nèi)的液體有損失時(shí)，可及時(shí)向連通器內(nèi)補(bǔ)充液體；5相對于大氣是封閉的，可避免液體揮發(fā)，但1，3，4內(nèi)的氣壓相等(可不等于大氣壓)，防止因氣壓差引起液面變化。

圖1 基于連通器原理的坑底隆起監(jiān)測系統(tǒng)平面示意圖Fig.1 Plane drawing of the monitoring system of bottom heave based on connected vessels theory1—水箱；2—通液管；3—基點(diǎn)傳感器；4—測點(diǎn)傳感器;5—通氣管

當(dāng)3產(chǎn)生沉降(或隆起)時(shí)，3，4內(nèi)的液面均會(huì)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致3，4處壓強(qiáng)隨之改變，根據(jù)式(1)即可求得3相對于4的相對沉降(或隆起)量：

式中：Δh——沉降變化值；

pR0——基準(zhǔn)傳感器初始值；

pi0——測點(diǎn)傳感器初始值；

ρ——測量系統(tǒng)使用的液體(一般為水)密度；

g——重力加速度。

2 坑底隆起監(jiān)測系統(tǒng)

2.1壓差傳感系統(tǒng)

壓差傳感系統(tǒng)平面圖如圖2所示。由圖2可知，基點(diǎn)傳感器設(shè)在冠梁上，測點(diǎn)傳感器固定在鍍鋅管頂部，鍍鋅管通過三角支架固定在支撐上。為避免因冠梁和混凝土支撐上升導(dǎo)致坑底隆起測量誤差，在測量基點(diǎn)附近，布設(shè)了校核測點(diǎn)(一般以支護(hù)樁/墻頂豎向和水平位移測點(diǎn)替代)，以定期復(fù)核基點(diǎn)傳感器的高程。

圖2 壓差傳感系統(tǒng)平面圖Fig.2 Plane drawing of the pressure difference sensing system

為保證壓差傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通液管必須在同一水平面內(nèi)，采取的走線方式是從鍍鋅管預(yù)留的缺口中引出，然后固定在混凝土支撐上部，最后接入水箱，以確保通液管處于同一水平面上(圖3)。

圖3 壓差傳感系統(tǒng)立面圖Fig.3 Elevation drawing of the pressure difference sensing system

圖4 基坑坑底隆起監(jiān)測輔助系統(tǒng)示意圖Fig.4 Diagram of the monitoring assistance system of bottom heave

2.2輔助系統(tǒng)

針對現(xiàn)場復(fù)雜的施工環(huán)境，以盡量不影響施工為基本原則，搭建坑底隆起監(jiān)測輔助系統(tǒng)(圖4)。本系統(tǒng)取消鍍鋅管的豎向約束，使鍍鋅管能夠準(zhǔn)確傳遞土體豎向位移。

由圖4(a)可知，每個(gè)監(jiān)測斷面的2根鍍鋅管埋設(shè)在混凝土支撐的同側(cè)，管內(nèi)澆筑混凝土，以增大鍍鋅管剛度抵施工振動(dòng)等影響。用抱箍將鍍鋅管固定在混凝土支撐上，以約束鍍鋅管，使之僅能傳遞豎向位移。

由圖4(b)可知，鍍鋅管由3種管節(jié)構(gòu)成。1號管節(jié)位于最底部，在下端開若干小圓孔，以增加和土體的粘結(jié)力，使土體和管一起運(yùn)動(dòng)，以得到更準(zhǔn)確的坑底隆起值；2號管節(jié)位于中部，不做特殊處理；3號管節(jié)位于頂部，壓力傳感器布設(shè)在3號管節(jié)內(nèi)，頂端開一小口以方便走線。

3 溫度穩(wěn)定性驗(yàn)證

監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性影響因素主要有振動(dòng)和溫度，振動(dòng)影響是指外界振源產(chǎn)生的振動(dòng)波傳遞至監(jiān)測系統(tǒng)使其所測壓強(qiáng)產(chǎn)生波動(dòng)，通過優(yōu)化安裝方式、控制施工工藝等可以實(shí)現(xiàn)有效規(guī)避；溫度影響是指監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)液/氣體受溫度作用膨脹系數(shù)不一致導(dǎo)致壓強(qiáng)差?，F(xiàn)通過模型試驗(yàn)對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行夏季高溫條件下的溫度穩(wěn)定性驗(yàn)證。

3.1模型試驗(yàn)介紹

圖5為監(jiān)測系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性分析的模型試驗(yàn)圖，如圖5所示在一小型建筑物四周搭建監(jiān)測系統(tǒng)，其中基點(diǎn)處于陰面，受溫度影響相對較??；基點(diǎn)與測點(diǎn)1，2處于同一高度，若忽略溫度等影響，系統(tǒng)所測沉降差應(yīng)該為零。

圖5 模型試驗(yàn)示意圖Fig.5 Diagram of the model test

3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6橫坐標(biāo)為日期，縱坐標(biāo)為測點(diǎn)1，2相對于基點(diǎn)每日的最大沉降差平均值。由圖6可知，溫度引起的最大誤差約為0.5 mm，說明監(jiān)測系統(tǒng)具有較好的溫度穩(wěn)定性，即使在夏季高溫條件也能基坑監(jiān)測精度的要求。

圖6 溫度影響的最大沉降差平均值Fig.6 Curves of the average of the maximum settlement difference with time when considering temperature effect

4 工程應(yīng)用

基于上述坑底隆起監(jiān)測系統(tǒng)，以寧波軌道交通3號線一期工程高塘橋站—句章路站明挖區(qū)間(高句區(qū)間)基坑工程為依托，開展坑底隆起現(xiàn)場監(jiān)測。

4.1工程概況

高句區(qū)間基坑長565 m，寬10.55～19.75 m，開挖深度13.9～16.4 m。該基坑由封堵墻分為3個(gè)小基坑，從左到右依次編號為A、B和C(圖7)。根據(jù)現(xiàn)場情況選擇A基坑進(jìn)行坑底隆起監(jiān)測。A基坑圍護(hù)結(jié)果為800 mm地下連續(xù)墻，支撐結(jié)構(gòu)為1道混凝土支撐+4道鋼支撐。

圖7 高句區(qū)間基坑平面圖Fig.7 Plan of the pit in Gao-Ju

4.2監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)

基坑第一道混凝土支撐架設(shè)完畢后，進(jìn)行坑底隆起監(jiān)測系統(tǒng)的安裝(安裝完成后的監(jiān)測系統(tǒng)如圖8所示)。監(jiān)測系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，進(jìn)行基坑土體分層開挖；第1層土開挖完成后，拆除底部在第一道鋼支撐以下1 m處的鍍鋅管，相應(yīng)的測點(diǎn)退出工作；依次類推，直至第5層土開挖完成，拆除坑底加固土層上的鍍鋅管，基坑隆起監(jiān)測系統(tǒng)隨即退出工作。

圖8 安裝完成后的坑底隆起監(jiān)測系統(tǒng)Fig.8 Monitoring system of the bottom heave after installation

圖9所示為測點(diǎn)布置圖，由圖9可知，每個(gè)監(jiān)測斷面的2個(gè)坑底隆起測點(diǎn)和1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)構(gòu)成1個(gè)小型監(jiān)測系統(tǒng)，5個(gè)小型監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成整個(gè)基坑的坑底隆起監(jiān)測大系統(tǒng)。

圖9 測點(diǎn)布置平面圖Fig.9 Plane drawing of measuring point arrangement

為了盡可能地監(jiān)測開挖面隆起值，鍍鋅管分5種長度從基坑一端到另一端呈遞增/遞減布置，布置位置分別位于第1，2，3道鋼支撐、坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高20～30 cm和連續(xù)墻底處(圖10)。這樣布置不僅可以適應(yīng)基坑普遍開挖模式，還能更好的反應(yīng)深層土體位移變化規(guī)律。

4.3結(jié)果分析

因各測點(diǎn)監(jiān)測曲線變化規(guī)律基本一致，故選取土體分層開挖過程中1#斷面南側(cè)監(jiān)測點(diǎn)和5#斷面北側(cè)測點(diǎn)所測坑底隆起值隨時(shí)間變化曲線(圖11)進(jìn)行分析。

由圖11可知，坑底隆起值隨著基坑開挖深度的增加而增大；在開挖深度較小時(shí)，坑底隆起隨基坑開挖同時(shí)發(fā)生，同時(shí)結(jié)束；隨著基坑開挖深度不斷增加，坑底隆起隨基坑開挖同時(shí)發(fā)生，并在該層開挖結(jié)束后坑底隆起值持續(xù)增加；開挖相同厚度的土層，深度越深，所引起的坑底隆起越大，坑底土體重新穩(wěn)定所需要的時(shí)間也越長。

圖11(a)表明在第1，2，3，4層土開挖后，1#斷面南側(cè)監(jiān)測點(diǎn)穩(wěn)定后的隆起值依次為8，15，47，88 mm；開挖至第5層土?xí)r，測點(diǎn)傳感器達(dá)到預(yù)期工作壽命，退出工作。

圖10 鍍鋅管布設(shè)立面圖Fig.10 Elevation drawing of the galvanized pipe setting

圖11 土體分層開挖1#、5#斷面測點(diǎn)隆起值時(shí)程曲線Fig.11 Curves of measuring point of 1 #, 5 # section when soil stratified excavation

圖11(b)表明在第2，3，4層土開挖后，5#斷面北側(cè)監(jiān)測點(diǎn)隆起值穩(wěn)定后的坑底隆起值依次為12，49，81 mm；開挖至第5層土?xí)r，測點(diǎn)傳感器達(dá)到預(yù)期工作壽命，退出工作。

5 結(jié)論

(1)基于壓差傳感技術(shù)的坑底隆起監(jiān)測系統(tǒng)可描述為使水箱、基點(diǎn)傳感器、測點(diǎn)傳感器和連接水管成為在底部和開口分別相通的連通器，即通過測點(diǎn)處液面變化來反應(yīng)豎向位移。

(2)在夏季高溫條件下，坑底隆起監(jiān)測系統(tǒng)受溫度引起的最大誤差約為0.5 mm，監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的溫度穩(wěn)定性，滿足基坑監(jiān)測精度的要求。

(3)基坑坑底隆起值隨著開挖深度的增加而增大；在開挖深度較小時(shí)，坑底隆起隨基坑開挖同時(shí)發(fā)生，同時(shí)結(jié)束；當(dāng)基坑開挖深度不斷增加，坑底隆起隨基坑開挖同時(shí)發(fā)生，并在該層開挖結(jié)束后持續(xù)增大。開挖相同厚度的土層，深度越深，所引起的坑底隆起越大，坑底土體重新穩(wěn)定所需要的時(shí)間也越長。

(4)基于壓差傳感技術(shù)的坑底隆起監(jiān)測方法具有良好監(jiān)測連續(xù)性和穩(wěn)定性，是一種可靠實(shí)用的基坑坑底隆起監(jiān)測方法。

[1] 鄭剛,焦瑩,李竹.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——軟土地區(qū)深基坑坑底隆起變形問題[J]. 施工技術(shù),2011,40(10):10-15. [ZHENG G, JIAO Y, LI Z. Stability and deformation problems during deep foundation excavation in soft soil area and their control measures: heave deformation due to deep foundation excavation in soft soil area[J]. Construction Technology,2011,40(10):10-15.(in Chinese)]

[2] 喻軍,龔曉南,李元海.基于海量數(shù)據(jù)的深基坑本體變形特征研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2014，36(增刊2):319-324. [YU J, GONG X N, LI Y H. Deformation characteristics of deep excavations based on mass data[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014,36(Sup 2):319-324.(in Chinese)]

[3] 何玉紅. 考慮塑性發(fā)展系數(shù)的簡化軟土基坑回彈變形預(yù)測[J]. 長江科學(xué)院院報(bào), 2015, 32(9):94-98. [HE Y H. Simplified prediction of spring back deformation in soft soil foundation pit considering plastic development coefficient[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2015, 32(9):94-98.(in Chinese)]

[4] 陳立國, 劉寶琛. 基于極限分析法求解基坑支護(hù)墻入土深度下限解[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2015, 42(3):54-58. [CHEN L G, LIU B C. Lower-bound solution for inserted depth of supporting pile in a foundation pit[J]. Hydrogeology amp; Engineering Geology, 2015, 42(3):54-58.(in Chinese)]

[5] 竇華港, 焦瑩. 深基坑基底回彈變形計(jì)算方法分析及工程驗(yàn)證[J]. 天津城建大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 14(3):24-27. [DOU H G, JIAO Y. Review on calculation methods of bottom upheaval and certification in excavation pit[J]. Journal of Tianjin Institute of Urban Construction, 2008, 14(3):24-27.(in Chinese)]

[6] 周健華. 深基坑開挖卸荷回彈、隆起的影響因素及防治措施[J]. 中國水運(yùn)(下半月), 2011, 11(9):240-241. [ZHOU J H. Influencing factors and preventive measures of excavation unloading rebound and uplift of deep foundation[J]. China Water Transport (the second half of the month), 2011, 11(9):240-241.(in Chinese)]

[7] 吳傳波. 基坑寬度效應(yīng)對坑底隆起的影響研究[J]. 城市道橋與防洪, 2011(4):180-182. [WU C B. Study on influence of pit width effect on bulge at bottom of pit[J]. Urban Roads Bridges amp; Flood Control, 2011(4):180-182.(in Chinese)]

[8] 曹力橋, 鄭剛. 坑內(nèi)降水對軟土地區(qū)深基坑坑底隆起影響有限元分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2008,30(增刊1):332-337. [GAO LQ, ZHENG G. Effect of dewatering on bottom rebound due to excavation in soft ground[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008,30(Sup 1):332-337.(in Chinese)]

[9] 田志杰. 關(guān)于深大基坑回彈監(jiān)測方法的探討[J]. 鐵道建筑技術(shù), 2010(10):62-65. [TIAN Z J. On monitoring method for rebound of deep foundation pit[J]. Railway Construction Technology, 2010(10):62-65.(in Chinese)]

責(zé)任編輯

：張明霞

Monitoringmethodofbottomheavebasedonpressuredifferencesensingtechniqueanditsapplication

YE Junneng, YIN Tiefeng, DU Peizhen

(NingboRailTransitCo.Ltd,Ningbo,Zhejiang315101,China)

A monitoring method of bottom heave based on pressure difference sensing technique was proposed for the monitoring of foundation pit. Firstly, the principle of pressure difference sensing technique was analyzed. Secondly, the pressure difference sensing system and corresponding auxiliary system were introduced. Thirdly, the temperature stability of the monitoring system was verified by the model test. Finally, the monitoring system was applied to the engineering practice, and the monitoring results were analyzed. The results show that the bottom heave increases with increasing of the excavation depth. When the excavation depth is small, bottom heave starts with the beginning of excavation, and ends with the end of excavation. When the excavation depth is large, bottom heave starts with the beginning of excavation, but continued to increases at the end of excavation. When excavating the same thickness of soil layer, the deeper the soil, the greater the heave, and the longer the time of bottom soil stable.

bottom heave; monitoring method; pressure difference sensing technique

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.06.15

TU433

A

1000-3665(2017)06-0096-06

2017-05-15;

2017-08-25

葉俊能(1975-)，男，博士，教授級高工，主要從事城市軌道交通研究與管理工作。E-mail: yzn75@139.com