市政基坑監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析研究

廖云峰

摘 ? ?要：在市政工程中，不論是道路、地鐵還是橋梁，都會(huì)涉及到基坑開(kāi)挖作業(yè)，基坑工程的安全監(jiān)測(cè)也受到了社會(huì)各方面的關(guān)注和重視。在基坑監(jiān)測(cè)中，由于監(jiān)測(cè)內(nèi)容多、產(chǎn)生數(shù)據(jù)量大、實(shí)效性要求高等特點(diǎn)，給基坑監(jiān)測(cè)實(shí)施與數(shù)據(jù)分析帶來(lái)了一定的難度。本文以某地下連續(xù)墻支護(hù)的市政基坑工程作為研究對(duì)象，從監(jiān)測(cè)內(nèi)容、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析和實(shí)際應(yīng)用入手，對(duì)市政基坑監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析進(jìn)行研究，為市政基坑監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展提供參考。

關(guān)鍵詞：市政;基坑監(jiān)測(cè);數(shù)據(jù)分析

1 ?前言

市政基坑的開(kāi)挖是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，根據(jù)施工區(qū)域的地質(zhì)條件、荷載條件和社會(huì)因素的不同，基坑施工的安全性也會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)。在進(jìn)行基坑監(jiān)測(cè)前，需要專(zhuān)業(yè)的工程量測(cè)單位根據(jù)工程特點(diǎn)，編制基坑監(jiān)測(cè)方案，并且經(jīng)建設(shè)、監(jiān)理和設(shè)計(jì)單位認(rèn)可后，進(jìn)行基坑監(jiān)測(cè)的實(shí)施。通過(guò)監(jiān)測(cè)方案能夠一定程度上對(duì)基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與基坑受力情況進(jìn)行描述，確定基坑的動(dòng)態(tài)變形情況。

2 ?市政基坑監(jiān)測(cè)內(nèi)容及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集傳輸

2.1 ?市政基坑監(jiān)測(cè)內(nèi)容

在市政基坑施工中，由于施工區(qū)域的不同，地質(zhì)環(huán)境會(huì)出現(xiàn)很大的差異。因?yàn)橥翆迎h(huán)境的復(fù)雜多變，周?chē)ㄖ锏暮奢d的影響和地下管線(xiàn)的不確定因素干擾，基坑開(kāi)挖施工往往沒(méi)有固定的施工模板和可靠的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參考。所以，基坑監(jiān)測(cè)對(duì)于基坑開(kāi)挖及支護(hù)的作用非常重要[1]。從現(xiàn)行的基坑施工監(jiān)測(cè)規(guī)范來(lái)看，基坑施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括支護(hù)結(jié)構(gòu)、施工工況、地下水情況、基底及周?chē)馏w狀況、周?chē)ㄖ锛暗叵鹿芫€(xiàn)設(shè)施和自然環(huán)境等眾多可能影響基坑開(kāi)挖施工的項(xiàng)目。具體可以細(xì)化為水平位移監(jiān)測(cè)、豎直位移監(jiān)測(cè)、體系內(nèi)力監(jiān)測(cè)、土壓力監(jiān)測(cè)、水壓力監(jiān)測(cè)等眾多內(nèi)容，通過(guò)這些數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測(cè)收集，能夠一定程度上反映出基坑開(kāi)挖過(guò)程中的變化，及時(shí)采取相應(yīng)措施，保障基坑施工的安全性。

2.2 ?基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)也在快速的發(fā)展，從傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)記錄數(shù)據(jù)，向著自動(dòng)化和信息化發(fā)展。當(dāng)前，基坑監(jiān)測(cè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)自動(dòng)分析處理[2]。通過(guò)數(shù)據(jù)評(píng)估報(bào)告，能夠?qū)崿F(xiàn)基坑施工的危險(xiǎn)值預(yù)警。除此之外，通過(guò)現(xiàn)代化基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠?qū)⒈O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果上傳至云端數(shù)據(jù)管理中心，將監(jiān)測(cè)成果發(fā)布共享。通過(guò)移動(dòng)終端能夠?qū)崿F(xiàn)便捷的監(jiān)測(cè)情況查詢(xún)，圖1即為自動(dòng)化鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作狀況，夠能夠給基坑施工提供更好的輔助。

在基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸中，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備并不能完全實(shí)現(xiàn)脫離人工。需要監(jiān)測(cè)人員配合儀器，進(jìn)行基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸，以確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確。在儀器收集監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息數(shù)據(jù)后，管理人員需要對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的變化進(jìn)行復(fù)核，以確保基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)出基坑的變形情況[3]。在管理人員對(duì)數(shù)據(jù)核對(duì)審查完成后，將其上傳至數(shù)據(jù)處理中心，完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理。

3 ?基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 ?基坑監(jiān)測(cè)報(bào)警值的確定

在基坑的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目預(yù)警值的確定非常關(guān)鍵。預(yù)警值的確定并非完全依靠設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行，還需要綜合考慮基坑施工過(guò)程中周?chē)暮奢d環(huán)境，確定項(xiàng)目監(jiān)測(cè)報(bào)警值。報(bào)警值的確定是為了對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)位移情況、受力是否超過(guò)允許范圍等確定一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)，衡量基坑開(kāi)挖施工的安全性[4]。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與報(bào)警值的對(duì)比，決定是否變更施工方案，提高基坑開(kāi)挖施工的安全性。在基坑監(jiān)測(cè)報(bào)警值確定時(shí)，要遵循一下幾個(gè)原則。其一，報(bào)警值并非是基坑開(kāi)挖設(shè)計(jì)值;其二，報(bào)警值確定需要綜合考慮基坑施工周?chē)那闆r，不可盲目按照開(kāi)挖施工情況確定;其三，確保監(jiān)測(cè)對(duì)象的安全性;其四，在確保監(jiān)測(cè)安全的前提下，綜合考慮施工難度及成本投入，提高工程效益。

在進(jìn)行基坑預(yù)警判定時(shí)，除了基坑的累計(jì)變形量外，同時(shí)還要參考基坑變形速率，當(dāng)基坑發(fā)生變形，并且這種變形趨勢(shì)呈現(xiàn)出不可控狀態(tài)，那么就需要結(jié)合變形速率進(jìn)行基坑危險(xiǎn)預(yù)警。例如，當(dāng)某一基坑開(kāi)挖施工時(shí)，在二到三天內(nèi)，基坑變形速率超過(guò)了提前設(shè)置的預(yù)警值，但是卻沒(méi)有超過(guò)突變值時(shí)，應(yīng)該綜合考慮基坑各方面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況，對(duì)基坑變形速率加快進(jìn)行科學(xué)的分析評(píng)估[5]。通常情況下，造成這一情況是由于基坑出于急劇變化期，需要對(duì)施工方法進(jìn)行改變，從而使基坑的變形速率恢復(fù)到正常范圍內(nèi)。

3.2 ?基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸模型

當(dāng)前，基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)監(jiān)測(cè)傳感終端，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸。但是由于基坑監(jiān)測(cè)的原始數(shù)據(jù)占用空間大，所以通常會(huì)采用數(shù)據(jù)壓縮的方式進(jìn)行上傳。通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)的壓縮處理，能夠極大的節(jié)省數(shù)據(jù)占用的存儲(chǔ)空間，還能夠節(jié)約數(shù)據(jù)上傳的時(shí)間，提高基坑監(jiān)測(cè)的效率。目前數(shù)據(jù)壓縮傳輸方法很多，可以將其分為無(wú)損壓縮和有損壓縮兩種算法。無(wú)損壓縮的原理是利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)冗余進(jìn)行壓縮，在數(shù)據(jù)復(fù)原時(shí)不會(huì)造成原始數(shù)據(jù)的丟失和損壞。這種壓縮算法的缺點(diǎn)在于壓縮率較低，主要被應(yīng)用在文本、程序和重要的圖像數(shù)據(jù)壓縮中[6]。在無(wú)損壓縮中，半字節(jié)壓縮算法是應(yīng)用廣泛的基坑原始數(shù)據(jù)壓縮方法，理論壓縮比能夠達(dá)到50%，實(shí)際使用效果非常理想。

3.3 ?基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理

在進(jìn)行基坑開(kāi)挖施工之前，需要按照一定的標(biāo)準(zhǔn)布置基坑變形的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的首次測(cè)定通常在基坑開(kāi)挖一周前，并記錄測(cè)量初始值。將收集的基坑初始值整理后建立基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。進(jìn)行基坑施工時(shí)，按照要求對(duì)基坑施工區(qū)域兩倍基坑深度范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集數(shù)據(jù)信息。由于基坑監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備精密程度非常高，導(dǎo)致儀器設(shè)備受到微小干擾時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)就產(chǎn)生一定程度的誤差。在現(xiàn)代自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)用中，人為誤差對(duì)于監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響越來(lái)越小，目前主要影響基坑監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性的誤差來(lái)自于系統(tǒng)誤差[7]。對(duì)于此類(lèi)誤差，只有通過(guò)不斷提高設(shè)備的精密程度，做好設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)工作，達(dá)到提高監(jiān)測(cè)結(jié)果精確度的目的。除此之外，也可以采用多人校核的方式對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行論證，來(lái)保障基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有更高的參考價(jià)值。

在收集的數(shù)據(jù)處理中，首先需要對(duì)數(shù)據(jù)中的異常值檢測(cè)，利用評(píng)判準(zhǔn)則對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行查驗(yàn)，識(shí)別數(shù)據(jù)是否為異常值。異常值的檢驗(yàn)通常由編好的程序進(jìn)行，異常值查驗(yàn)的結(jié)果也會(huì)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)文件中，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不斷收集和上傳更新，在數(shù)據(jù)庫(kù)原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上逐個(gè)進(jìn)行新數(shù)值的檢驗(yàn)。除了異常值外，在收集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，還會(huì)存在系統(tǒng)誤差，所以需要進(jìn)行誤差的檢驗(yàn)，以確保數(shù)據(jù)分析結(jié)果的精準(zhǔn)[8]。系統(tǒng)誤差通常由觀測(cè)儀器產(chǎn)生，在復(fù)雜的觀測(cè)條件下，系統(tǒng)誤差也會(huì)呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)，所以在進(jìn)行系統(tǒng)誤差的檢查中，需要保持慎重的態(tài)度，一旦系統(tǒng)誤差判斷和消除錯(cuò)誤，不僅不能提高基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，還會(huì)誤導(dǎo)基坑施工，造成非常嚴(yán)重的后果。

4 ?基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)在市政基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

本文以某市政基坑開(kāi)挖工程為例，探究基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)在市政基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。在基坑施工區(qū)域2km處存在河流，因此基坑采用地下連續(xù)墻形式，共有五道支撐，第一和第四道采用1.0X1.0m混凝土支撐，其余為直徑609mm，管壁厚度16mm的鋼管進(jìn)行支撐，如圖2所示。采用明挖順作方法進(jìn)行施工，基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程如下。

4.1 ?地下連續(xù)墻位移監(jiān)測(cè)

在進(jìn)行地下連續(xù)墻位移監(jiān)測(cè)中，需要提前在結(jié)構(gòu)或者土體中預(yù)埋測(cè)斜管，通過(guò)測(cè)斜儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取地下連續(xù)墻的位移數(shù)據(jù)。作為基坑支護(hù)主體的地下連續(xù)墻，其深層位移和結(jié)構(gòu)變形與基坑穩(wěn)定性關(guān)系密切。以其中一個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn)的變形量作為研究的對(duì)象，該點(diǎn)所在斷面的施工情況為：5月21日在基坑開(kāi)挖8m后，架設(shè)第二道鋼管支撐;7月1日基坑開(kāi)挖至14m處，架設(shè)第三道鋼管支撐;7月24日基坑開(kāi)挖至18m處，架設(shè)第四道混凝土支撐;10月10日基坑開(kāi)挖至23m處，架設(shè)第五道鋼管支撐。在10月24日基坑開(kāi)挖至坑底，坑底深度為26m。

在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，以測(cè)斜管深度為x軸，側(cè)向位移距離為y軸，發(fā)現(xiàn)圖形近似拋物線(xiàn)。側(cè)向位移最大為埋深17m處，位移距離達(dá)到了32mm，在埋深0米和26m處，幾乎不產(chǎn)生位移。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，最大位移深度隨著基坑的開(kāi)挖逐漸向下延伸，直至開(kāi)挖深度達(dá)到23m后，最大側(cè)向位移距離不再發(fā)生變化。這說(shuō)明在開(kāi)挖過(guò)程中，隨著開(kāi)挖深度的增加，地下連續(xù)墻一直在發(fā)生變形，而且這一變形隨著開(kāi)挖深度的增加在逐漸增長(zhǎng)，直至第四道支撐施工完成后，由于混凝土支撐剛度大，提高了支撐體系的整體穩(wěn)定性能，導(dǎo)致在開(kāi)挖至26米時(shí)，側(cè)向位移距離不再增長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，在基坑施工中，基坑變形情況與支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式和支護(hù)體系材料選擇有著一定的關(guān)系，能夠通過(guò)性能較高的支護(hù)材料使用，提高基坑的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)施工過(guò)程側(cè)向位移情況的分析可以發(fā)現(xiàn)，變形增長(zhǎng)“時(shí)空效應(yīng)”明顯，在開(kāi)挖過(guò)程中，側(cè)向位移一直呈現(xiàn)增長(zhǎng)，這說(shuō)明施工過(guò)程采用“隨挖隨撐”對(duì)于基坑穩(wěn)定性有著非常大的幫助。

4.2 ?圍護(hù)墻頂部豎向位移監(jiān)測(cè)

基坑頂部的監(jiān)測(cè)中，在圍護(hù)墻頂部選取某一點(diǎn)作為觀測(cè)對(duì)象，隨著開(kāi)挖施工推進(jìn)，圍護(hù)墻頂部豎向位移呈出波動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)豎向累計(jì)沉降量，可以將其分為三個(gè)階段。在第一階段，第一道支撐施工完成后，由于混凝土自重導(dǎo)致土體受到壓縮，出現(xiàn)一定程度的沉降。在第二階段，隨著開(kāi)挖作業(yè)的展開(kāi)，維護(hù)強(qiáng)頂部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，產(chǎn)生這一情況的主要原因是有開(kāi)挖作業(yè)導(dǎo)致連續(xù)墻一側(cè)土體側(cè)限解除，基坑頂部土方開(kāi)挖卸荷后，土體自身發(fā)生回彈，帶動(dòng)連續(xù)墻出現(xiàn)上升情況。第三階段，隨著開(kāi)挖施工繼續(xù)進(jìn)行，連續(xù)墻開(kāi)始出現(xiàn)下沉，并且最后趨于穩(wěn)定。這是由于隨著開(kāi)完施工完成后，基地圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成，在基礎(chǔ)底板和支撐的約束下，連續(xù)墻沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

4.3 ?地表沉降監(jiān)測(cè)

地表沉降數(shù)據(jù)的觀測(cè)對(duì)于基坑穩(wěn)定性的評(píng)估非常重要。根據(jù)地表某一觀測(cè)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，基坑開(kāi)挖作業(yè)施工過(guò)程中，地表沉降量逐漸增加，呈現(xiàn)出波動(dòng)不同的曲線(xiàn)。在7月24日架設(shè)第四道混凝土支撐之前，地表的沉降量隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，呈現(xiàn)出非常明顯的沉降趨勢(shì)，而且這種趨勢(shì)有增長(zhǎng)的表現(xiàn)。直至第四道混凝土支撐施工完成后，這種沉降趨勢(shì)才減緩，但是依然緩慢增長(zhǎng)。直到基坑開(kāi)挖完成，并且在基底完成部分結(jié)構(gòu)后，這種地表沉降趨勢(shì)才穩(wěn)定下來(lái)。這說(shuō)明地表沉降量受到時(shí)空效應(yīng)的影響同樣顯著，在施工過(guò)程中，需要加快施工速度，降低基坑開(kāi)挖對(duì)于地表沉降量的影響。

除此之外，地表沉降量觀測(cè)中，沉降量最大的區(qū)域并非是基坑邊緣地區(qū)。沉降區(qū)域呈現(xiàn)出“凹”字形，在距離基坑一定距離的區(qū)域，沉降量更加嚴(yán)重。這種基坑地表沉降規(guī)律完全符合“沉降槽”理論。這是由于基坑周?chē)鷧^(qū)域的土體受到基坑頂部維護(hù)圈梁的約束，不會(huì)發(fā)生較大的沉降，而遠(yuǎn)離圈梁的土體，這種約束作用逐漸降低，出現(xiàn)較大的沉降量，當(dāng)距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，受到土壓力的限制，這種沉降影響減小，沉降量越來(lái)越低，形成了“凹”字形的沉降規(guī)律。

4.4 ?支撐軸力監(jiān)測(cè)

支撐軸力是決定基坑支護(hù)穩(wěn)定的重要指標(biāo)。該基坑第一道和第四道支撐為混凝土，其余為鋼管。隨著開(kāi)挖深度的增減，每一道支撐施工完成后，對(duì)于上一道支撐都會(huì)產(chǎn)生較大的影響。尤其是在第四道混凝土支撐施工完成后，由于混凝土支撐具有較大的剛度和強(qiáng)度，會(huì)對(duì)第二道和第三道鋼管支撐的軸力產(chǎn)生較大的影響。這說(shuō)明第四道支撐具有非常好的支撐效果，而第五道支撐軸力明顯較小，說(shuō)明該基坑基底較為穩(wěn)固，對(duì)支撐作用力較小，基坑側(cè)向的土壓力主要存在于基坑上部[9]。而隨著支撐數(shù)量的增加，第一道支撐受到軸力逐漸降低，尤其是在第四道支撐設(shè)置完成后，第二、第三和第五道支撐受到的軸力明顯小于設(shè)計(jì)值，這說(shuō)明基坑穩(wěn)定性良好，支撐體系具有較大的安全儲(chǔ)備，有較大優(yōu)化空間，可以通過(guò)優(yōu)化支撐體系方案降低施工成本。

5 ?結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在市政基坑監(jiān)測(cè)中，由于影響基坑穩(wěn)定性的條件復(fù)雜，需要保證數(shù)據(jù)采集的精確性，傳輸?shù)姆€(wěn)定性和分析的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移、頂部沉降、軸力監(jiān)測(cè)和地表沉降數(shù)據(jù)的分析，能夠科學(xué)的評(píng)估基坑的穩(wěn)定性，為基坑施工提供參考。

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