建筑工程深基坑的變形觀測(cè)探討

劉 林

(四川省建筑科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 610081)

0 前 言

在高層建筑不斷涌現(xiàn)的社會(huì)環(huán)境下，建筑工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，建筑物深基坑開(kāi)挖施工也比較常見(jiàn)。在深基坑中，基坑深度在5 m以上，諸多復(fù)雜因素都會(huì)對(duì)基坑產(chǎn)生影響，比如施工環(huán)境、地質(zhì)條件、周邊環(huán)境等，為保證深基坑施工質(zhì)量與安全，開(kāi)展規(guī)范化的變形觀測(cè)是非常必要的。

1 深基坑變形機(jī)理及監(jiān)測(cè)目的

在建筑工程施工中，基坑開(kāi)挖或?qū)е轮車(chē)貙映霈F(xiàn)異動(dòng)，這是深基坑變形的主要原因。實(shí)際上，可通過(guò)基坑開(kāi)挖面上卸載來(lái)看待基坑開(kāi)挖過(guò)程，此種操作下會(huì)導(dǎo)致水平方向或者垂直方向上土體原始應(yīng)力有所改變。就基坑開(kāi)挖的整個(gè)過(guò)程來(lái)看，在水平方向上，受到坑內(nèi)外部土壓力的影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)位移，地表沉降也得以加大。在垂直方向上，基坑內(nèi)外存在高差，加載出現(xiàn)，并且受到地面超載的作用，導(dǎo)致坑底出現(xiàn)隆起情況。

在建筑工程深基坑施工中，通過(guò)基坑變形監(jiān)測(cè)的落實(shí)，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)與施工的順利進(jìn)行提供支持，便于反饋信息，優(yōu)化開(kāi)挖方案，在實(shí)際施工中積累經(jīng)驗(yàn)，確保深基坑工程設(shè)計(jì)與施工水平都能夠逐步得到提升。

2 深基坑變形的常見(jiàn)現(xiàn)象、原因及防治

1)變形觀測(cè)過(guò)程中，基準(zhǔn)點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)設(shè)定在時(shí)間上存在偏差，無(wú)法對(duì)邊坡實(shí)際變形加以準(zhǔn)確反映。其原因在于，操作人員缺乏系統(tǒng)且完善的變形觀測(cè)知識(shí)，并未高度重視沉降與水平位移觀測(cè)質(zhì)量控制，觀測(cè)過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)、土方開(kāi)挖等對(duì)觀測(cè)點(diǎn)造成擾動(dòng)。針對(duì)此種情況，需要在支護(hù)結(jié)構(gòu)與降水井施工完成后且基坑開(kāi)挖之前來(lái)設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)，保證觀測(cè)結(jié)果的真實(shí)性。

2)各觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置不夠合理，基坑邊坡變形會(huì)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)產(chǎn)生影響。其原因在于，觀測(cè)點(diǎn)埋設(shè)不合理，基準(zhǔn)點(diǎn)位移出現(xiàn)，相對(duì)變形值無(wú)法對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行反應(yīng)，操作者的專(zhuān)業(yè)水平有待提升。針對(duì)此種情況，需要合理布設(shè)水平位移觀測(cè)點(diǎn)與沉降觀測(cè)點(diǎn)，控制好變形觀測(cè)點(diǎn)間距，重視基準(zhǔn)點(diǎn)與變形觀測(cè)點(diǎn)的保護(hù)，避免遭到人為破壞。

3)變形觀測(cè)時(shí)間不合理，頻率紊亂，影響觀測(cè)成果。在變形觀測(cè)過(guò)程中，由于觀測(cè)時(shí)間間隔缺乏規(guī)律性，無(wú)法通過(guò)觀測(cè)成果來(lái)把握實(shí)際情況。這就需要實(shí)施變形觀測(cè)，控制好基坑開(kāi)挖中觀測(cè)時(shí)間間隔，若部分情況可能導(dǎo)致變形加快，需要將觀測(cè)頻數(shù)提升。地下構(gòu)筑物完工后，觀測(cè)得以結(jié)束。

4)觀測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定性不足，埋設(shè)方式不合理，影響了觀測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性與可靠性。若施工單位并未高度重視沉降觀測(cè)，觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置不合理，就會(huì)導(dǎo)致此種問(wèn)題出現(xiàn)。針對(duì)此種情況，需要依照要求來(lái)確定觀測(cè)點(diǎn)，保證牢固且穩(wěn)定，便于長(zhǎng)期保存，確保在頂部能夠垂直量測(cè)，且視同條件優(yōu)良。

5)變形觀測(cè)缺乏完善的資料，無(wú)法保證觀測(cè)成果的真實(shí)性與權(quán)威性。這一情況的出現(xiàn)原因在于，基準(zhǔn)點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)資料不夠完善，并未詳細(xì)記錄觀測(cè)值，導(dǎo)致記錄值不夠全面等。觀測(cè)過(guò)程中其他單位并未就簽證進(jìn)行辦理。針對(duì)此種情況，需要就基準(zhǔn)點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)的位置加以明確，做好編號(hào)，對(duì)變形觀測(cè)各項(xiàng)信息進(jìn)行準(zhǔn)確記錄，包括日期、時(shí)間、累積變形值等。以觀測(cè)資料為支持，繪制曲線(xiàn)或圖表，待觀測(cè)結(jié)束后進(jìn)行匯總，附上文字說(shuō)明。及時(shí)請(qǐng)有關(guān)單位進(jìn)行檢查與復(fù)核，做好簽證備案。

3 深基坑變形觀測(cè)的內(nèi)容

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

水平位移監(jiān)測(cè)過(guò)程中，能夠直觀體現(xiàn)出圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中必須要掌握重點(diǎn)。就水平方向上基坑狀態(tài)來(lái)看，基坑內(nèi)外土體原始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，會(huì)導(dǎo)致地層移動(dòng)出現(xiàn)，進(jìn)而造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，水平方向影響范圍與開(kāi)挖深度相比可達(dá)1.5倍，一般在基坑邊上對(duì)監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置的過(guò)程中，以開(kāi)挖距離的2.5～3倍距離之外的穩(wěn)定區(qū)域?yàn)橹饕h(huán)境，保證監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)的設(shè)置能夠滿(mǎn)足水平位移與沉降的監(jiān)測(cè)需求。在對(duì)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行布置的過(guò)程中，要明確具體的觀測(cè)間隔，水平位移監(jiān)測(cè)過(guò)程中相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示，以確保水平位移監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性與可靠性。

表1 水平位移監(jiān)測(cè)中數(shù)據(jù)信息表

在沉降監(jiān)測(cè)方面，必須要認(rèn)識(shí)到地下水活動(dòng)往往會(huì)對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其沉降變化出現(xiàn)。在地下水位升降過(guò)程中，會(huì)影響到基坑底部壓力，導(dǎo)致其出現(xiàn)差異性變化，基地突涌或者下陷的問(wèn)題較為常見(jiàn)。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)過(guò)程中，對(duì)于關(guān)鍵部位，一般會(huì)應(yīng)用到電子水準(zhǔn)儀，確保其具有較高的精密度，也可依照水準(zhǔn)測(cè)量方法來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在深基坑變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中，需要結(jié)合工程性質(zhì)、地質(zhì)條件、施工進(jìn)度等要素開(kāi)展綜合分析，來(lái)對(duì)觀測(cè)的周期、時(shí)間和次數(shù)等加以確定，以確保深基坑變形觀測(cè)工作得以規(guī)范化開(kāi)展。

3.2 周?chē)h(huán)境

在監(jiān)測(cè)鄰近建筑物沉降的過(guò)程中，需要明確深基坑開(kāi)挖的具體情況，密切關(guān)注基坑周?chē)馏w狀態(tài)，把握其塑性流動(dòng)，自圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)出發(fā)，土體得以流向坑內(nèi)和基底，導(dǎo)致地表沉降問(wèn)題出現(xiàn)。在基坑開(kāi)挖之前，地下連續(xù)墻施工作業(yè)也會(huì)影響到地層狀態(tài)，導(dǎo)致地層位移出現(xiàn)，進(jìn)而造成地表沉降問(wèn)題。針對(duì)此種情況，在觀測(cè)建筑物沉降的過(guò)程中，需要把握建筑物結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件、開(kāi)挖施工方案等要素，在全面分析的基礎(chǔ)上，合理布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以確保變形觀測(cè)工作得以規(guī)范落實(shí)。一般情況下，將觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置于建筑物角點(diǎn)、中點(diǎn)或者周邊，也可在建筑物自身墻壁上進(jìn)行固定，與地面保持適當(dāng)?shù)木嚯x，一般保持在1 m左右，一般每棟建筑物設(shè)置6個(gè)以上觀測(cè)點(diǎn)，以確保滿(mǎn)足觀測(cè)需求。

在觀測(cè)臨近建筑物裂縫的過(guò)程中，需要保證觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置的合理性。在深基坑施工過(guò)程中，不均勻沉降的出現(xiàn)會(huì)對(duì)地基產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致位移情況出現(xiàn)，若建筑物傾斜，則會(huì)影響結(jié)構(gòu)狀態(tài)，導(dǎo)致附加拉力與剪力出現(xiàn)。若材料承載能力有限，無(wú)法承受較大的應(yīng)力，就會(huì)導(dǎo)致裂縫問(wèn)題出現(xiàn)。在變形觀測(cè)過(guò)程中，需要統(tǒng)一進(jìn)行編號(hào)，就裂縫進(jìn)行合理分組，布設(shè)觀測(cè)標(biāo)志，以避免出現(xiàn)混亂。通過(guò)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)裂縫寬度進(jìn)行表示時(shí)，必須要保證數(shù)據(jù)精確至0.1 mm，詳細(xì)記錄觀測(cè)日期、長(zhǎng)度、寬度、部位等數(shù)據(jù)，為建筑工程深基坑施工提供參考。

在觀測(cè)道路與管線(xiàn)變形方面，要把握建筑工程深基坑開(kāi)挖施工的整體過(guò)程，從水平位移和沉降入手，來(lái)實(shí)施規(guī)范化的觀測(cè)，以把握施工現(xiàn)場(chǎng)臨近道路以及管線(xiàn)等實(shí)際情況。在這一方面主要應(yīng)用儀器觀測(cè)方式，也可通過(guò)測(cè)試與目測(cè)調(diào)查相協(xié)調(diào)的方式，二者互為補(bǔ)充，從而確保變形監(jiān)測(cè)獲得理想的效果。在應(yīng)用目測(cè)調(diào)查法的過(guò)程中，主要是圍繞周?chē)孛孢M(jìn)行，觀察其是否存在超載情況，把握建筑物與地面之間裂縫分布狀況，以及地下管線(xiàn)是否存在變形或者損壞等，從而對(duì)變形進(jìn)行全面觀測(cè)和準(zhǔn)確記錄，以便優(yōu)化深基坑施工方案，切實(shí)加強(qiáng)建筑工程施工質(zhì)量控制。

4 建筑工程深基坑的變形觀測(cè)

4.1 工程概況

某深基坑工程基本信息如表2所示?；?xùn)|西兩側(cè)分別緊鄰8層大酒店，地下為回填雜土，周邊分布密集的市場(chǎng)管線(xiàn)。深基坑邊坡土質(zhì)為回填土，基坑周邊放坡空間有限，幾乎呈垂直狀態(tài)，存在復(fù)雜的支護(hù)結(jié)構(gòu)。在深基坑工程中，以西邊坡變形觀測(cè)為重點(diǎn)。

表2 某深基坑工程基本信息

4.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移觀測(cè)

1)坐標(biāo)法。結(jié)合深基坑工程項(xiàng)目實(shí)際情況出發(fā)，水平位移觀測(cè)過(guò)程中對(duì)于坐標(biāo)法的應(yīng)用，主要是以全站儀與反射片相互協(xié)調(diào)，對(duì)變形點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，通過(guò)整體平面控制網(wǎng)法的應(yīng)用，來(lái)觀測(cè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。于基坑區(qū)南北道路上對(duì)穩(wěn)定點(diǎn)進(jìn)行選擇，構(gòu)成基準(zhǔn)點(diǎn)，滿(mǎn)足平面控制需求。將圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)頂端?？刂凭W(wǎng)過(guò)渡點(diǎn)布設(shè)于基坑周邊道路以及施工道路上，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行連接，形成控制網(wǎng)，以監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)為輔助，來(lái)監(jiān)測(cè)基坑內(nèi)錨桿、樁頂冠梁以及護(hù)坡變形點(diǎn)等。由于場(chǎng)地條件存在一定限制與監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)缺乏規(guī)則性，這就需要定期復(fù)測(cè)控制網(wǎng)，保證其具有良好的精度。將反射片裝置設(shè)置于變形觀測(cè)點(diǎn)上，在對(duì)觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行掃描的過(guò)程中應(yīng)用全站儀極坐標(biāo)法，基坑的水平位移以及豎向位移得以通過(guò)三維坐標(biāo)變化加以呈現(xiàn)，從而獲得準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，來(lái)將基坑側(cè)壁具體情況反映出來(lái)。

2)基線(xiàn)法。在對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，基線(xiàn)法發(fā)揮著重要的作用，于基坑邊坡北部位置對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行選擇，確保滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)需求，以經(jīng)緯儀基線(xiàn)法為輔助，將儀器架設(shè)于基準(zhǔn)點(diǎn)上，對(duì)開(kāi)挖影響范圍以外的目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)，基線(xiàn)得以確定，之后對(duì)位移變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行選擇，在基坑開(kāi)挖的過(guò)程中，變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)也隨之移動(dòng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移就是移動(dòng)的距離。通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)方法下以測(cè)釬和直尺讀數(shù)為瞄準(zhǔn)方式，無(wú)法保證測(cè)量的精確度與有效性，針對(duì)此種情況，可運(yùn)用軌道化標(biāo)尺，標(biāo)尺一次滑動(dòng)即可完成繁瑣的立測(cè)釬過(guò)程。通過(guò)基線(xiàn)位移觀測(cè)覘的移動(dòng)，能夠與發(fā)射片保持強(qiáng)制對(duì)中作用，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確瞄準(zhǔn)。通過(guò)激光器調(diào)節(jié)作用的發(fā)揮，能夠與經(jīng)緯儀確定的基線(xiàn)保持一致，通過(guò)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的輔助，可通過(guò)一次滑動(dòng)對(duì)位移量進(jìn)行測(cè)量。讀數(shù)可估讀到0.1 mm。在使用過(guò)程中可將經(jīng)緯儀架設(shè)于基準(zhǔn)點(diǎn)上，以便對(duì)基線(xiàn)進(jìn)行確定，觀測(cè)覘某刻度與變形觀測(cè)點(diǎn)緊貼，將經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，瞄準(zhǔn)觀測(cè)覘后，對(duì)反射片進(jìn)行滑動(dòng)，通過(guò)刻度盤(pán)來(lái)將位移值讀出。該方式能夠滿(mǎn)足基線(xiàn)法測(cè)水平位移的項(xiàng)目應(yīng)用需求，方便快捷，應(yīng)用前景廣闊。

4.3 周?chē)ㄖ锍两涤^測(cè)

精密水準(zhǔn)測(cè)量法能夠滿(mǎn)足周?chē)ㄖ锍两当O(jiān)測(cè)需求，電子水準(zhǔn)儀需具備較高的精度，對(duì)建筑物沉降觀測(cè)點(diǎn)以及水準(zhǔn)點(diǎn)之間高差變化進(jìn)行周期性的監(jiān)測(cè)。于基坑西邊坡的周邊道路上，設(shè)置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要是對(duì)地下管線(xiàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而大樓上基坑邊沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇，主要是對(duì)建筑物沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.4 錨索應(yīng)力觀測(cè)

在這一方面主要應(yīng)用錨索測(cè)力計(jì)，其由合金鋼圓筒制作而成，強(qiáng)度較高，在不同荷載下其內(nèi)部所放置的高精度振弦式傳感器的數(shù)量也有所不同。錨索測(cè)力計(jì)上的總荷載的監(jiān)測(cè)，可通過(guò)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)不均勻荷載或者偏心荷載進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。在本工程項(xiàng)目中，所選用的錨索測(cè)力計(jì)為基康三弦式，以支護(hù)施工進(jìn)度為支持，選定錨索并監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化，獲得應(yīng)力值變化曲線(xiàn)，可知基坑位移較大部位存在典型性的應(yīng)力變化。

基坑變形與錨索應(yīng)力之間密切相關(guān)，統(tǒng)一分析變形數(shù)據(jù)，能夠把握基坑實(shí)際變化狀態(tài)。若錨索承載力有限，無(wú)法承受應(yīng)力，則會(huì)影響基坑的穩(wěn)態(tài)，甚至?xí)斐善茐摹ａ槍?duì)基坑側(cè)移量超限的情況，必須要采取有針對(duì)性的防治措施，以達(dá)到良好的加固效果。基坑爆破施工中，會(huì)擾動(dòng)地基土地，破壞了地基的受力平衡，導(dǎo)致變形問(wèn)題出現(xiàn)。針對(duì)此種情況，可采取鋼支撐方法來(lái)進(jìn)行加固，以雙拼H型鋼為主，對(duì)地

下室底板所預(yù)留的鋼筋混凝土牛腿進(jìn)行支撐，并通過(guò)另一端對(duì)原圍護(hù)結(jié)構(gòu)圈梁進(jìn)行支撐，預(yù)應(yīng)力施加一般為1 000 kN，以達(dá)到良好的支撐效果。此種方式下，能夠一定程度上抵抗圍護(hù)結(jié)構(gòu)背后土體，位移也得到有效控制，基坑危險(xiǎn)得以防范。

4.5 周?chē)h(huán)境觀測(cè)

隨著開(kāi)挖施工的不斷進(jìn)行，達(dá)到基坑底部時(shí)，發(fā)現(xiàn)基坑西側(cè)存在明顯的地面沉降，路面裂縫為縱向，多出現(xiàn)于道路中縫、地基交接部位等。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，43天左右基坑側(cè)壁移動(dòng)是裂縫出現(xiàn)的主要原因。通過(guò)支護(hù)措施的合理化應(yīng)用，能夠防范超限值發(fā)展問(wèn)題，建筑物沉降并未超出允許范圍，可知通過(guò)斜支撐的應(yīng)用能夠?qū)游灰瓢l(fā)展加以有效遏制，災(zāi)害產(chǎn)生也得到有效防治。

5 結(jié) 語(yǔ)

為確保建筑工程深基坑施工能夠獲得理想的效果，須立足工程項(xiàng)目實(shí)際情況出發(fā)，保證施工組織設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)化與完善化，并落實(shí)規(guī)范且有效的變形觀測(cè)，為整個(gè)建筑工程深基坑施工的安全有序進(jìn)行創(chuàng)造條件。這就需要保證變形數(shù)據(jù)信息觀測(cè)的規(guī)范化，及時(shí)向相關(guān)單位及部門(mén)反饋數(shù)據(jù)信息，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的安全性做出判斷，在發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定因素的第一時(shí)間進(jìn)行處理，從而全面提升建筑工程深基坑施工質(zhì)量。

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