基坑坡頂水平位移監(jiān)測方法研究與工程實(shí)踐分析

周仁龍，熊健，朱春華

(1.安徽中匯規(guī)劃勘測設(shè)計研究院股份有限公司，安徽 銅陵 244000； 2.江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院，江蘇 南京 210049)

1 引 言

隨著我國城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)，人們對地下空間的開發(fā)力度越來越大，地下室結(jié)構(gòu)由一層轉(zhuǎn)向多層發(fā)展，開挖深度不斷加深，由普遍開挖至地表以下5 m～6 m發(fā)展到10 m～12 m以下，甚至更深。在深基坑土方卸載與支護(hù)結(jié)構(gòu)施工中，必須要求支護(hù)結(jié)構(gòu)與被支護(hù)的土體滿足一定的平衡，才能確?；庸こ贪踩椒€(wěn)，否則會引發(fā)被支護(hù)的土體及周邊環(huán)境較大變形，導(dǎo)致相應(yīng)次生災(zāi)害，為工程建設(shè)帶來極大損失。為了避免災(zāi)害的發(fā)生，基坑監(jiān)測對基坑圍護(hù)體系與周邊環(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)督，為施工方及時提供監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工方信息化施工，同時，驗(yàn)證支護(hù)設(shè)計方案的正確性，積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。然而，基坑監(jiān)測坡頂?shù)乃轿灰谱鳛楸O(jiān)測的必測項(xiàng)目，它能直接反饋基坑的變形情況，在基坑監(jiān)測中為重中之重。

傳統(tǒng)常用的基坑水平位移監(jiān)測方法有視準(zhǔn)線法、小角法。這類方法受儀器以及環(huán)境影響較大，測量精度較差，工作量大，效率低[1，2]。隨著高精度全站儀的普及、應(yīng)用與研究，自由設(shè)站法、極坐標(biāo)法、方向線偏移法、邊角交會法、精密導(dǎo)線法、單站改正法和自由設(shè)站法，基于自由設(shè)站的CPⅢ控制網(wǎng)的觀測方法，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)[4，5]。本文結(jié)合工程實(shí)例提出一種簡易的基坑監(jiān)測水平位移監(jiān)測方法。結(jié)果表明：該方法能有效滿足一級基坑水平位移監(jiān)測要求。

2 基坑坡頂水平位移監(jiān)測方法及精度分析

如圖1所示，P點(diǎn)位于三倍基坑開挖深度以外，在P點(diǎn)處埋設(shè)強(qiáng)制觀測墩，A1，A2，A3點(diǎn)分別置于穩(wěn)定周邊建筑物上，PA1垂直于坑邊線。以P點(diǎn)為原點(diǎn)，PA1為x軸，基坑邊線為y軸建立基坑坐標(biāo)系，將A1方向作為起始定向方向，假定P點(diǎn)坐標(biāo)，從而能推導(dǎo)出A1，A3點(diǎn)在該坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，用于檢驗(yàn)P點(diǎn)穩(wěn)定性情況以及判斷單次測量的觀測誤差，繼而測出監(jiān)測點(diǎn)J。

圖1 監(jiān)測方法

采用上述監(jiān)測方法，可知監(jiān)測點(diǎn)J的坐標(biāo)計算公式如下：

(1)

式(1)中α為J點(diǎn)的天頂距，s為斜距，β為J點(diǎn)的方位角。

對式(1)進(jìn)行微分有：

(2)

依據(jù)誤差傳播定律，將X方向，Y方向以及點(diǎn)位中誤差如下所示：

(3)

在通常情況下，可認(rèn)為全站儀的水平角與豎直角測角精度一樣。

(4)

由于該種方法埋設(shè)強(qiáng)制觀測墩的形式，可認(rèn)為儀器對中誤差以及偏心中誤差為零，監(jiān)測點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差由誤差傳播定律可知

(5)

徠卡Nova TS50標(biāo)稱精度，α=β=0.5″，測距精度為單次(棱鏡)0.6 mm+1 ppm×D。在現(xiàn)場施測過程中，天頂距對監(jiān)測點(diǎn)位移監(jiān)測影響較小，以天頂距為90°計算，在只進(jìn)行單次觀測的情況下，隨著距離的增加所得的監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)位測量中誤差如表1所示：

監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)位精度表 表1

由表1可知，采用強(qiáng)制對中設(shè)站的前提下，不考慮大氣折光，大氣湍流等影響，理論上利用徠卡Nova TS50觀測精度在 400 m以內(nèi)，只進(jìn)行單次觀測的測量精度能達(dá)到一級基坑水平位移監(jiān)測[6]要求，即一級基坑要求監(jiān)測點(diǎn)測量點(diǎn)位中誤差在 ±1.5 mm以內(nèi)。

3 工程實(shí)例及精度分析

蚌埠市某項(xiàng)目為連接兩個已做好的地下車庫臨時開挖基坑工程，設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)長方形地下工程，周長 329 m，開挖深度為 10 m，基坑?xùn)|西走向，本次施工采用分段施工的方法，先開挖西段部分，待西段基礎(chǔ)做好回填后再開挖東側(cè)部分。在埋有強(qiáng)制觀測墩的定向點(diǎn)與設(shè)站基準(zhǔn)點(diǎn)上分別固定棱鏡與架設(shè)全站儀，其中，J1，J2，J3，J4為檢驗(yàn)點(diǎn)，以檢測每次觀測精度以及判斷基準(zhǔn)點(diǎn)與定向點(diǎn)的變動情況。Pi點(diǎn)為坡頂位移監(jiān)測點(diǎn)，其中基準(zhǔn)點(diǎn)與定向點(diǎn)的連線方向要求垂直于基坑邊線，在現(xiàn)場布置坡頂點(diǎn)時要求坡頂監(jiān)測點(diǎn)沿著基坑方向布置。具體如圖2所示：

圖2 某工程基坑水平位移監(jiān)測布點(diǎn)情況圖

3.1 設(shè)站基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性分析

考慮第m、n兩期的觀測成果，對每期基準(zhǔn)網(wǎng)的觀測成果根據(jù)所選的基準(zhǔn)進(jìn)行對應(yīng)的平差，由平差改正數(shù)計算兩期單位權(quán)方差的估值：

(6)

(7)

式中，f=fm=fn。

假設(shè)兩個觀測期間點(diǎn)位未變動，即可由兩期所求得的坐標(biāo)差△X計算得到另一個方差估值：

(8)

在H0成立的條件下，構(gòu)造統(tǒng)計量：

(9)

在顯著水平α下，若F

選取項(xiàng)目2017年9月首期基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)值與2018年1月末期基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)值進(jìn)行對比分析，具體數(shù)據(jù)如表2所示：

兩期坐標(biāo)平差值 表2

3.2 監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，建立垂直于基坑邊線的監(jiān)測坐標(biāo)系。監(jiān)測點(diǎn)的水平位移日變化量與累計變化量即為垂直于x軸或y軸方向的偏離值，分別如下式(10)、式(11)；

△X累計=xpi-xp0；△Y累計=ypi-yp0

(10)

△X速率=xpi-xpi-1；△Y速率=ypi-ypi-1(i≥1)

(11)

上式中，xpi，xpi-1，ypi，ypi-1為第i，i-1次測得監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)值；△X累計，△Y累計表示第i次監(jiān)測點(diǎn)變形累計值，△X速率；△Y速率表示第i次位移日變化量。

按照本方法，對蚌埠市某基坑進(jìn)行水平位移監(jiān)測，并取得了較好的效果，限于文章篇幅選取P2，P3，P6，P11，P16五個點(diǎn)從2017年9月2日～2018年1月8日的65期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。具體變形情況如圖3所示。

由圖3可知，監(jiān)測點(diǎn)位位移累積量基本為正值，由于隨著基坑的開挖，基坑內(nèi)的土被大面積卸載，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在土壓力作用下，導(dǎo)致坡頂不斷向基坑內(nèi)位移；在2018年1月2日左右，該基礎(chǔ)工程基本回填結(jié)束，之后的坡頂位移趨于穩(wěn)定，這種現(xiàn)象符合現(xiàn)場施工情況。

圖3位移監(jiān)測點(diǎn)累計變化曲線圖

4 總 結(jié)

基坑監(jiān)測中，坡頂位移作為基坑最為直觀體現(xiàn)基坑安全狀況的數(shù)據(jù)，無論幾級基坑，位移監(jiān)測為必測項(xiàng)目。文章采用一種基坑位移監(jiān)測方法，對該種方法進(jìn)行理論分析，得出觀測精度，并通過對檢驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析得出該種方案實(shí)際觀測精度，采用平均間隙法進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性分析，結(jié)合工程實(shí)例分析施工監(jiān)測的變形信息。