深層水平位移測量在深基坑監(jiān)測中的應(yīng)用研究

韓 超，任國家，王孟瑩，葉佐俏，朱德勤

（1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.建研院檢測中心有限公司，北京 100013；3.北京市城建研究中心，北京 100037）

0 引言

近些年來，國內(nèi)房地產(chǎn)項(xiàng)目取得了空前的發(fā)展，在以往建設(shè)難度很大的深厚軟土地區(qū)、濱海地區(qū)也建設(shè)了大量的工程項(xiàng)目。為在深厚軟土地區(qū)、濱海地區(qū)挖設(shè)深基坑以滿足工程建設(shè)需要，國內(nèi)外提出了動(dòng)態(tài)化監(jiān)測的施工方法以保證深基坑項(xiàng)目的安全運(yùn)行。其中深層水平位移測量是深基坑動(dòng)態(tài)化監(jiān)測中不可缺少的監(jiān)測環(huán)節(jié)，也是深基坑監(jiān)測方法中最為有效的監(jiān)測手段之一。深層水平位移測量以其特有的深層土體位移敏感性、前瞻性在基坑監(jiān)測中應(yīng)用較廣，屬于一二級(jí)基坑的應(yīng)測項(xiàng)目。

1 深層水平位移測量原理

在深厚軟土地區(qū)、濱海地區(qū)的深基坑工程項(xiàng)目中，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的深度往往較高，支護(hù)樁長達(dá) 30 m 以上，甚至有的深基坑項(xiàng)目采用了大直徑的支護(hù)灌注樁或地下連續(xù)墻，樁底不僅位于砂土或全風(fēng)化土層中，還有的項(xiàng)目支護(hù)樁也已深入巖層，樁底的穩(wěn)定性非常好。故而在深厚軟土地區(qū)、濱海地區(qū)的深基坑工程項(xiàng)目中，一般可在支擋結(jié)構(gòu)中綁扎測斜管或鉆孔埋設(shè)測斜管的方式用以量測深層水平位移。測斜管的埋設(shè)長度可以與支護(hù)結(jié)構(gòu)長度一致，以增強(qiáng)測斜管的穩(wěn)定性。埋設(shè)測斜管時(shí)，應(yīng)將一對(duì)導(dǎo)槽對(duì)準(zhǔn)臨空方向。深層水平位移測量時(shí)，可將測斜儀放入測斜管管底［1，2］，再逐段依次測量。

當(dāng)深層土體產(chǎn)生變形時(shí)，測斜管將跟隨土體產(chǎn)生位移。測量時(shí)，鉆孔測斜儀中的鉛錘受重力的影響將始終保持豎直方向，儀器中封裝的高精度角度傳感器可量測測斜儀桿件軸線與豎直方向的夾角θi，則測斜儀所在位置的深層水平位移 ΔSi（傾斜值）等于儀器長度L乘以夾角θi的正弦值 sinθi［3］。以鉆孔孔底為起始點(diǎn)，通過自下而上對(duì)所有位移值的累加可得到不同深度處的水平位移值。深層水平位移測量原理如圖 1 所示。

圖1 深層水平位移測量原理示意圖

圖 1 的原理可以采用代數(shù)式表達(dá)出來，將測斜管總長度分割成若干個(gè)測斜儀桿長 ，自下而上依次測量不同位置的傾斜值，則可以通過不同位置傾斜值的累加，最終得到測斜管孔口處的水平位移值。公式表達(dá)式見式（1）、式（2）。

式中：L為測斜儀測量桿長，m，一般為0.5 m；θi為測斜儀桿件軸線與豎直方向的夾角，°；ΔSi為第i段的測量水平位移值，m；S為鉆孔深度范圍內(nèi)的總測量水平位移值，m。

2 深層水平位移測量案例

本文選取某基坑監(jiān)測項(xiàng)目的 2 個(gè)深層水平位移監(jiān)測孔的測量數(shù)據(jù)來分析深層水平位移測量在深基坑監(jiān)測中的應(yīng)用。該項(xiàng)目位于廣東省珠海市橫琴新區(qū)，場地原始地貌屬于海陸交互相堆積地貌，場地內(nèi)分布軟土厚度高達(dá) 20 m 以上，屬于大厚度軟土地區(qū)，項(xiàng)目基坑開挖深度為約 4.90～6.40 m，基坑周長約 695 m，屬一級(jí)基坑，基坑深部土體存在較大滑移可能性，具有較高的危險(xiǎn)性；為確保安全，基坑支護(hù)方式采用錨拉式支擋結(jié)構(gòu)（單排混凝土灌注樁加預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)），混凝土灌注樁樁長約 25～30 m 不等，樁底嵌入中風(fēng)化巖層，預(yù)應(yīng)力錨索布置于樁頂以下 1.5 m 處；依據(jù)設(shè)計(jì)要求，本項(xiàng)目共布設(shè)深層水平位移監(jiān)測點(diǎn) 30 個(gè)，監(jiān)測頻率如表 1 所示，監(jiān)測預(yù)警值如表 2 所示。

表1 某深基坑監(jiān)測頻率

表2 某深基坑監(jiān)測預(yù)警值

采用鉆孔法在支護(hù)混凝土灌注樁中埋設(shè)測斜管，并使測斜管一對(duì)導(dǎo)槽方向?qū)?zhǔn)臨空方向；測斜管與鉆孔孔壁間的空隙采用細(xì)砂及水泥漿灌注。在深層水平位移測量時(shí)，采用系統(tǒng)精度為±2 mm/30 m、導(dǎo)輪間距 0.5 m的高精度測斜儀進(jìn)行測量。因支護(hù)混凝土灌注樁已嵌巖，監(jiān)測采用以測斜管孔底作為位移的起算點(diǎn)，并以同一孔位正反測量取平均值的測量方式；監(jiān)測過程未采用孔口數(shù)據(jù)修正。

本文選取了該項(xiàng)目第 19 號(hào)、22 號(hào)監(jiān)測孔在 2019 年7 月 29 日-2020 年 5 月 6 日期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測總次數(shù)約為 80 次，繪制成水平位移與深度的觀測曲線如圖 2 所示。

圖2 深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

從第 19 號(hào)、22 號(hào)孔的工程監(jiān)測曲線中可見，該深層水平位移監(jiān)測曲線基本正確反映了深層土體的變形情況。在基坑開挖至坑底時(shí)（對(duì)應(yīng)第 48 次測量），深層土體變形速率明顯變大，達(dá)到監(jiān)測預(yù)警值，基坑施工單位立即進(jìn)行了反壓回填處理，深層土體變形速率逐步縮小?？梢娚顚铀轿灰茰y量為施工過程中了解深層土體的變形提供了依據(jù)，保障了基坑施工的安全。

圖 2 中的土體深層水平位移曲線呈開口狀，孔口水平位移值大于灌注樁樁身位置的位移值。而該基坑項(xiàng)目采用錨拉式支擋結(jié)構(gòu)，由于預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)樁頂?shù)募s束作用，樁頂?shù)乃轿灰戚^小，土體深層水平位移曲線理論上應(yīng)呈現(xiàn)出“兩頭小，中間大”的“凸型”曲線形態(tài)［4，5］。可見，工程實(shí)測曲線雖然能夠正確地反映土體的變形速率，為了解深層土體的變形提供依據(jù)，但是監(jiān)測孔深層水平位移曲線包含了一定的誤差，影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析。

為對(duì)誤差大小有直觀的感受，在項(xiàng)目監(jiān)測完成后，筆者對(duì)第 19 號(hào)、22 號(hào)監(jiān)測孔的孔口水平位移采用全站儀［6-8］進(jìn)行了量測，結(jié)果如表 3 所示。

表3 孔口水平位移測量結(jié)果

從表 3 中可見，全站儀量測的孔口水平位移值（可認(rèn)為是土體真實(shí)變形值）僅為采用測斜儀量測的孔口水平位移值的 80 % 左右。如果采用全站儀量測值作為孔口的水平位移值，土體深層水平位移曲線將在一定程度上呈現(xiàn)出“兩頭小，中間大”的“凸型”曲線形態(tài)，這與理論形態(tài)更為接近。

由此可見，在整個(gè)監(jiān)測周期內(nèi)，深層水平位移測量計(jì)算的孔口水平位移值中包含了不容忽視的累積誤差。

3 減小誤差措施

雖然市面上現(xiàn)有儀器精度已經(jīng)較高，儀器誤差控制較好，能夠滿足深層水平位移測量的需求，但是對(duì)于工程項(xiàng)目而言，其監(jiān)測過程往往長達(dá)數(shù)月乃至 1～2 年，尤其是大厚度軟土地區(qū)的深基坑項(xiàng)目，施工進(jìn)度較慢，監(jiān)測周期遠(yuǎn)長于普通基坑，監(jiān)測次數(shù)可能高達(dá)百次以上。此時(shí)，即使是較小的儀器系統(tǒng)誤差經(jīng)過幾十次、上百次的累積后，測量誤差也將超出能接受的范圍，故而減小誤差是深層水平位移測量必須考慮的問題。減小深層水平位移測量誤差可以從減小儀器系統(tǒng)誤差、溫度誤差等入手［9，10］。

儀器自身系統(tǒng)誤差是儀器制造時(shí)因制作工藝而不可避免地存在的誤差，是非隨機(jī)性的誤差，在測量時(shí)，可以采取“正反測取平均值”的方式來消除儀器系統(tǒng)誤差。在測量時(shí)應(yīng)當(dāng)標(biāo)記儀器的正測方位，并調(diào)轉(zhuǎn) 180°作為反測方位，每次均應(yīng)同時(shí)進(jìn)行正反測，并采用正反測平均值作為測量結(jié)果。

溫度誤差在深層水平位移測量中也是存在的，因測斜儀在測量前保存在儀器箱內(nèi)，儀器初始溫度必然與測斜管內(nèi)的水溫不同，因此為保證測量的準(zhǔn)確性，在施測之前，應(yīng)將測斜儀放置在測斜管內(nèi) 10～20 min 使得測斜儀與管內(nèi)水溫一致，以減小溫度誤差帶來的影響。

4 結(jié)語

深層水平位移測量在基坑監(jiān)測中應(yīng)用較廣，是一種準(zhǔn)確了解深層土體水平位移情況的方式，為動(dòng)態(tài)化施工、信息化施工提供了依據(jù)，尤其在深厚軟土地區(qū)、濱海地區(qū)的深基坑項(xiàng)目中應(yīng)用十分普遍。本文結(jié)合廣東省珠海市橫琴粵澳深度合作區(qū)的深基坑工程項(xiàng)目分析了深層水平位移測量與全站儀測量結(jié)果不一致的原因，指出了測量誤差的存在，并提出了減小誤差累積的測量方法，為此類工程提供參考。Q