探討封閉式深基坑智慧化監(jiān)測施工技術(shù)運用與結(jié)果分析

【摘要】

結(jié)合工程案例介紹一種新型的封閉式深基坑智慧化監(jiān)測施工技術(shù)，并對其結(jié)果進行分析及闡述。該項技術(shù)可將深基坑周邊的沉降量控制在 mm級范圍，適用于環(huán)境復(fù)雜的城市中心區(qū)。為國內(nèi)深基坑工程施工提供相關(guān)的理論基礎(chǔ)，進而推動我國建筑行業(yè)可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】

深基坑； 地表沉降； 封閉式； 智慧化； 基坑監(jiān)測

【中圖分類號】TU94+3.9【文獻標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2023-05-26

［作者簡介］李陽旭（1991—），男，碩士，工程師，主要從事房建工程技術(shù)工作。

［通信作者］于成紅（1981—），本科，高級工程師，主要從事工程技術(shù)及BIM智慧化工作。

0 引言

為緩解土地資源緊缺的問題，城市地下空間的利用越來越得到重視。

地下空間建設(shè)工程涉及到了基坑工程，但由于基坑工程對整個建設(shè)項目、周邊建筑的安全性及周邊環(huán)境存在不可忽視不利影響。因此，基坑工程一直作為地下空間開發(fā)的核心工程。目前，國內(nèi)常用的傳統(tǒng)基坑支護技術(shù)有重力式、懸臂式、混合式三種擋土墻，技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)相當(dāng)完善，能有效保證基坑工程的安全性及功能性，但卻忽略了對周圍建筑及環(huán)境的負面影響。因此，在保證深基坑工程安全性的前提下，必須減小基坑工程對周邊建筑及環(huán)境的影響。

1 深基坑工程安全隱患

城市地下空間工程對周邊建筑物及環(huán)境的影響主要集中在周邊地表沉降、周邊建筑物沉降損傷、地下水環(huán)境與生態(tài)破壞、基坑圍護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等方面。因為城市建筑物及道路分布密集且相互交錯，在實際情況中，通常無法保證基坑工程的安全距離，由此帶來一系列的安全隱患［1］。之前，世界各地的地下空間建設(shè)項目已多次出現(xiàn)此類問題，例如日本東京地鐵施工造成地面凹陷，出現(xiàn)坑洞，造成嚴重的事故；深圳市蛇口工業(yè)區(qū)海王大廈建設(shè)項目，在40 m深的基坑工程中，由于長時間連續(xù)挖土及降水的影響，導(dǎo)致相鄰新能源大廈發(fā)生不均勻沉降，最大日沉降量達到10.50 cm，樓外墻出現(xiàn)裂縫，大樓整體結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜，甚至有加快的趨勢，導(dǎo)致了嚴重的安全隱患及經(jīng)濟損失［2］。

在基坑工程中，降水工程是引起基坑周邊一定范圍內(nèi)建筑及地表沉降的主要因素之一［3］。在降水過程中，由于整個片區(qū)地下水位發(fā)生變化，導(dǎo)致整個區(qū)域土地的土力學(xué)平衡發(fā)生了改變，更有嚴重的情況，引發(fā)基坑周邊土體發(fā)生過大沉降及位移，導(dǎo)致周邊建筑物結(jié)構(gòu)損壞，對附近建筑物、管線以及道路帶來隱患，不僅拖慢了施工進度，甚至可能出現(xiàn)不可挽回的重大損失［4］。

降水工程引起周邊沉降的原理主要表現(xiàn)在兩個方面：

（1）地下水位下降會引起地基土有效應(yīng)力增加，使土體產(chǎn)生附加壓縮變形。

（2）地下水位降低后，在基坑附近形成較大的水力坡度，地層中的細小顆?？赡軐㈦S水流而流失，產(chǎn)生潛蝕或管涌現(xiàn)象，引起地面沉降變形。

此外，項目現(xiàn)場的施工作業(yè)也會對地面產(chǎn)生載荷的變化，也是引起周邊建筑物沉降的主要因素之一。

除結(jié)構(gòu)安全方面的不良影響外，在環(huán)境危害方面，降水工程會對地下水資源造成的浪費，并且會對周邊一定范圍內(nèi)的地上及地下生態(tài)環(huán)境造成破壞。但非本文側(cè)重點，在此不做進一步闡述。

由于深基坑工程的施工難度及潛在危險性，在設(shè)計策劃中，需要盡可能的提升深基坑工程的安全性。基于以上原因，同時考慮環(huán)境保護和資源節(jié)約的前提下，并保證基坑降水與地下室工程正常施工的情況下，現(xiàn)運用一種由支護樁、冠梁、高壓旋噴樁、降水井、回灌井及智慧化深基坑監(jiān)測系統(tǒng)組成的封閉式深基坑智慧化監(jiān)測施工技術(shù)，簡稱基坑封閉系統(tǒng)，以解決上述問題。

2 封閉式深基坑智慧化監(jiān)測施工技術(shù)

2.1 作用原理

基坑封閉系統(tǒng)是將傳統(tǒng)施工技術(shù)進行了結(jié)合與創(chuàng)新，而衍生出來的新型綠色施工新技術(shù)。

該系統(tǒng)是由降水井、回灌井、支護樁、冠梁、高壓旋噴樁及智慧化深基坑監(jiān)測系統(tǒng)組成，見圖1及圖2。

支護樁和冠梁可有效支撐基坑側(cè)壁，保證基坑的安全性。高壓旋噴樁相互咬合，形成止水帷幕，可阻斷基坑內(nèi)外地下水層的交流，使基坑形成獨立封閉的施工作業(yè)空間，阻隔了基坑工程對外界空間的不良影響。此外，高壓旋噴樁連續(xù)墻也可作為擋土墻的起到一定作用，以緩解支護樁承受的土壓力［5］。降水井抽出地下水，以降低基坑內(nèi)地下水水位。抽出的地下水在沉淀池中凈化后，可通過回灌井回灌到地下，對止水帷幕外側(cè)地下水位進行補充回灌，也可作為施工用水進行再生利用，以保證基坑外的地下水資源平衡及提高抽取地下水的利用率。智慧化深基坑監(jiān)測系統(tǒng)可實時監(jiān)控基坑支護結(jié)構(gòu)及周期建筑的安全狀態(tài)。基坑封閉系統(tǒng)可滿足基坑支護的要求，并且在回灌井的幫助下，有效解決由降水井抽水引起的周邊建筑物沉降及損害的隱患［6］，以預(yù)防基坑事故的發(fā)生，并且保護地下水資源。同時，地下水資源可進行再利用，從而達到安全綠色施工的目的。

2.2 應(yīng)用條件及技術(shù)要求

基坑封閉系統(tǒng)適用于城市中心區(qū)、建筑物密集地、周邊建筑物距離施工場地過近的工程、鄰近地鐵的區(qū)域、場地狹小的施工區(qū)、周邊環(huán)境復(fù)雜的工程、地下水面埋藏較淺的內(nèi)陸地區(qū)、涉及到基坑周邊地下水位高度控制的工程、下管線復(fù)雜等對變形控制要求高的基坑工程。

根據(jù)住建部2017年發(fā)布的《建筑業(yè)10項新技術(shù)》，該封閉系統(tǒng)的運用須滿足幾點技術(shù)要求：

（1）止水帷幕滲透系數(shù)小于1.0×10-6cm/s。

（2）降水井深度不宜超過截水帷幕深度層。

（3）結(jié)構(gòu)安全性：截水帷幕必須在有安全的基坑支護措施下配合使用。

（4）智慧化基坑監(jiān)測系統(tǒng)云平臺支持。

3 工程案例介紹

3.1 工程背景

成都市某住宅小區(qū)項目帶有2層地下室，基坑深度為8.75 m，地下室外輪廓與周邊住宅建筑物最近距離不足10 m。周邊住宅區(qū)域為使用狀態(tài)，并有幾千常住居民。基坑工程的水平方向影響范圍為1.52倍基坑深度［7］，經(jīng)地勘單位及設(shè)計院明確，本項目基坑施工作業(yè)的主要影響范圍約為項目周邊20 m，見圖3。

由于附近居民區(qū)與施工現(xiàn)場距離過近，采用傳統(tǒng)的基坑支護技術(shù)存在一定的安全隱患。因此，在保證基坑穩(wěn)定、周邊止水效果良好、周邊建筑安全、環(huán)境保護、水資源節(jié)約的前提下，根據(jù)該項目的占地面積、地質(zhì)條件、基坑邊緣距等因素［8］，現(xiàn)運用一種由支護樁、冠梁、高壓旋噴樁、降水井、回灌井、智慧化深基坑監(jiān)測系統(tǒng)組成的基坑封閉系統(tǒng)。這個系統(tǒng)形成一道“圍墻”將住宅小區(qū)包圍并封閉，使之與施工區(qū)域分離，以此保證住宅小區(qū)地基的安全性，并降低周邊生態(tài)環(huán)境的不利影響。

巖土工程與地下工程李陽旭， 李夢川， 熊安燚， 等：探討封閉式深基坑智慧化監(jiān)測施工技術(shù)運用與結(jié)果分析

3.2 施工情況

封閉式深基坑智慧化監(jiān)測施工技術(shù)系統(tǒng)按照順序施工：支護樁及冠梁施工（位移監(jiān)測儀預(yù)埋）—降水井施工（水位計預(yù)埋）—高壓旋噴樁止水帷幕施工—回灌井施工（水位計預(yù)埋）。

3.2.1 懸臂支護樁

該項目基坑支護采用懸臂樁支護，支護樁為旋挖灌注樁，樁為1.2 m，樁長18 m，埋入深度為9.25 m，樁芯間距為2.2 m。支護樁之間采用樁間錨噴，以固定樁之間土壤，樁頂采用冠梁連接支護樁，使之形成整體，成為擋土墻。此外，在懸臂樁陰角處加設(shè)鋼支撐，以控制樁頂位移。

在支護樁鋼筋籠下沉施工前，在鋼筋籠上綁上電子位移監(jiān)測儀，進行預(yù)埋。位移監(jiān)測點間距約20 m。

3.2.2 降水井

按設(shè)計要求該系統(tǒng)共配置74口降水井，使地下水位下降到基坑工程所需水位，基坑內(nèi)的水位保持在基坑底部-0.5～-1 m，以保證基坑工程的作業(yè)環(huán)境［9］?；咏邓捎么罂趶焦芫邓芫疄?00 mm，孔內(nèi)放入內(nèi)徑300 mm的鋼筋混凝土濾水管，濾水管與孔壁之間采用礫石填充。降水井設(shè)置在基坑上口1.0 ～1.5 m處，間距為25.0 m，井深為17.5 m。 降水井兼做觀測井，水位計預(yù)埋入降水井中，以觀察基坑內(nèi)地下水位。

3.2.3 高壓旋噴樁止水帷幕

項目基坑距離周邊住宅小區(qū)建筑物較近，最近距離不足10 m，為控制由地下水位變化及項目施工作業(yè)引起的周圍地表的變形，現(xiàn)需設(shè)置止水帷幕。目的是要保證坑內(nèi)降水而坑外地下水位基本不變的情況［10］。此外，高壓旋噴樁止水帷幕也可作為基坑側(cè)壁擋土墻，分解一部分由支護樁承受的土壓力。高壓旋噴樁設(shè)置在項目現(xiàn)場與已建住宅區(qū)之間，形成封閉型止水帷幕，經(jīng)相關(guān)研究實驗表明，隨著止水帷幕深度的增加，周邊地面地表沉降會相應(yīng)減小，經(jīng)過地勘院及設(shè)計院確認，高壓旋噴樁樁長為18.0 m，但其樁頂標(biāo)高為-2.0 m，因此，其深度為-20 m，樁徑550 mm，樁芯間距為300 mm，相互咬合250 mm，止水帷幕長度約為300 m，將住宅區(qū)包圍起來，使之與施工現(xiàn)場隔離。

3.2.4 回灌井

回灌井布置圍繞臨近居民區(qū)外圍，以保證居民住宅區(qū)地下水水位不發(fā)生較大變化，造成周邊建筑及環(huán)境的破壞。

在已建住宅小區(qū)與項目施工現(xiàn)場之間的止水帷幕外圍設(shè)置7口回灌井，該措施能大幅度減緩基坑外圍地下水位的下降速度，使之幾乎不發(fā)生變化，并且保持較高的水頭，從而減小周邊建筑物的沉降變形量［11］。此外，地下水回灌不僅用于控制周邊地面沉降，也有地下含水層儲能的作用，例如在深井中，冬季回灌，夏季使用，提供熱、冷水源，在貧水區(qū)及富水季節(jié)回灌，枯水季節(jié)使用，從而達到節(jié)約能源及水源的目的。

回灌井與降水井技術(shù)參數(shù)相同，經(jīng)相關(guān)實驗資料表明，基坑周邊的地面沉降量隨回灌井深度的增加而減小［12］。經(jīng)設(shè)計確定，回灌井深為15 m，間距30m。在回灌井中預(yù)埋地下水位監(jiān)測儀，以觀測基坑外地下水水位變化。

3.2.5 智慧化深基坑監(jiān)測系統(tǒng)

智慧化深基坑監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測器、數(shù)據(jù)采集終端主機、報警器、預(yù)警平臺APP組成。

智慧化深基坑監(jiān)測系統(tǒng)是通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將現(xiàn)場監(jiān)測采集設(shè)備和智能傳感器的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)自動傳輸?shù)皆破脚_。采用主動或被動觸發(fā)的方式，實現(xiàn)監(jiān)測單元的數(shù)據(jù)自動采集和實時傳輸，保證數(shù)據(jù)的真實性、完整性和時效性。系統(tǒng)通過對原始數(shù)據(jù)的實時處理，以及運用數(shù)學(xué)模型和回歸分析、差異分析等數(shù)理方法，對采集到的各類數(shù)據(jù)進行數(shù)字化建模分析，形成各類變化曲線和圖形、圖表，并具備形式多樣的實時報警功能，對問題工程進行追蹤處理。智慧化深基坑監(jiān)測系統(tǒng)通過自動的數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析保證基坑工程安全監(jiān)測的真實性和實時性。

3.3 結(jié)果分析

智慧化基坑監(jiān)測系統(tǒng)每天對周邊建筑沉降及周邊地表道路沉降進行在線監(jiān)測，并記錄周邊沉降的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)云平臺對數(shù)據(jù)進行實時處理與分析，以預(yù)防重大事故的發(fā)生。

周邊地表及建筑的累積沉降量和沉降變化速率為基坑周邊風(fēng)險評估的主要因素［13］，因此重點分析這2項數(shù)據(jù)。

有關(guān)周邊建筑物、周邊地表道路沉降觀測報警值的確定，規(guī)范并無明確規(guī)定，相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準只給出了確定原則和參考值范圍，根據(jù)國家GB 50497-2019《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準》規(guī)定：毗鄰建筑物沉降報警值范圍為10～60 mm（累計沉降量），基坑周邊地表豎向位移觀測報警值范圍為25～35 mm（累計沉降量）。在滿足規(guī)范要求的前提下，結(jié)合本工程實際情況，由具備相應(yīng)資質(zhì)的基坑監(jiān)測單位及設(shè)計院確定：本次基坑周邊道路及周邊建筑物沉降觀測報警值確定為20 mm，沉降變化速率報警值為3 mm/d，具體數(shù)值詳見表1。

根據(jù)封閉系統(tǒng)的運用范圍，將項目現(xiàn)場四周分為A、B、C及D四個區(qū)域。A區(qū)和B區(qū)為市政道路（光友路及雙楠大道延伸線），C區(qū)為荒地，這3個區(qū)域均未采用基坑封閉系統(tǒng)。D區(qū)為居民住宅區(qū)，該區(qū)域運用了基坑封閉系統(tǒng)。A區(qū)距離D區(qū)最遠，平均距離dAD約為200 m；B區(qū)和C區(qū)離D區(qū)較近，平均距離dBCD約為100" m，見圖4。

圖5～圖8為2021年1月至2022年5月，在施項目四周沉降的觀測情況。

圖中ZC為周邊建筑物沉降情況觀測點，D為周邊地表道路沉降情況觀測點。觀測點按照下表分布在項目四周各個區(qū)域，見表2。

圖5為周邊建筑物累積沉降量觀測結(jié)果，圖6為周邊地表道路累積沉降量觀測結(jié)果。

由圖5、圖6可知，A區(qū)（ZC01、ZC02及D01、D02）周邊建筑物累計沉降量的最大值約為6.6 mm，周邊地表道路的最大值為約為6.0 mm，為所有區(qū)域中的最大值，且小于累計沉降預(yù)警值17 mm。由于A區(qū)距離基坑封閉系統(tǒng)較遠，該系統(tǒng)對A區(qū)的影響可忽略不計，A區(qū)沉降量為未受基坑封閉系統(tǒng)影響的數(shù)值。

B、C區(qū)（ZC03～ZC06及D03～D06）累積沉降量數(shù)值接近，數(shù)值大小在A區(qū)及D區(qū)的值之間，周邊建筑物累積沉降量的最大值約為4 mm，周邊地表道路的最大值約為4.5 mm。B、C區(qū)距離基坑封閉系統(tǒng)較近，該系統(tǒng)對該區(qū)域起到一定的效果，由此可推斷，B、C區(qū)的累計沉降量受封閉系統(tǒng)影響而減小。

D區(qū)（ZC07～ZC42及D07、D08）的周邊建筑物累積沉降量的最大值約為2.2 mm，周邊地表道路的最大值約為3 mm，明顯小于其他區(qū)域的累計沉降量數(shù)值，D區(qū)的累計沉降量約為A區(qū)數(shù)值的50%。該區(qū)域為基坑封閉系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)，由此可推斷，封閉系統(tǒng)能有效緩解周邊的沉降情況。

因為D區(qū)為封閉系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)域，現(xiàn)僅對D區(qū)的觀測數(shù)據(jù)作進一步分析。

從圖5、圖6得出，在2022年3月之前，周邊區(qū)域的累積沉降量隨時間呈現(xiàn)遞增關(guān)系。主體結(jié)構(gòu)完工約在2022年3月，在此過程中包括基坑降水、土方開挖、地下室結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)等工程，此類施工作業(yè)活動，對整個地區(qū)的力學(xué)平衡影響非常大，由此所引起的周邊沉降量也是非常大，周邊區(qū)域的累計沉降量也在該段時間達到峰值。2022年3月之后，主體結(jié)構(gòu)完工后，主要的施工活動已經(jīng)結(jié)束，地面載荷變化不大，周邊累積沉降量無明顯變化。

圖7為周邊建筑物沉降變化速率的觀測結(jié)果，圖8為周邊地表道路沉降變化速率的觀測結(jié)果。

A、B、C及D區(qū)沉降變化速率的情況與累計沉降量的結(jié)果一致。A、B、C區(qū)的沉降速率變化值均大于D區(qū)。A區(qū)的沉降變化速率為最大值，約為0.38 mm/d（周邊建筑物）及0.6 mm/d（周邊地表道路）。D區(qū)的沉降變化速率為最小值，約為0.12 mm/d（周邊建筑物），約為0.1 mm/d（周邊地表道路），D區(qū)數(shù)值大小約為A區(qū)的30%。

對D區(qū)的數(shù)值做進一步分析，可知，2021年3月至2021年7月，地下室工程進行大規(guī)模施工，該分項工程對土地的力學(xué)平衡較大，導(dǎo)致沉降變化速率波動較大，最大絕對值為0.14 mm/d及0.57 mm/d。在地下室工程大面完工后（2021年7月之后），沉降變化速率波動逐漸變小，且穩(wěn)定在0.05 mm/d及0.5 mm/d浮動。在2022年3月之后，沉降速率趨于穩(wěn)定，呈直線狀態(tài)，且趨近于0 mm/d。

累計沉降量及沉降變化速率為保證深基坑工程安全性的重要指標(biāo)，表3為各區(qū)域沉降觀測數(shù)據(jù)最大值。

由表3監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)分析可知，基坑封閉系統(tǒng)將由基坑工程引起的周邊建筑物沉降量控制在毫米級單位范圍內(nèi)。A、B、C及D區(qū)的沉降數(shù)據(jù)數(shù)值（累計沉降量及沉降變化速率）均小于預(yù)警值及報警值，滿足設(shè)計及規(guī)范要求，由此判斷，項目周邊達到安全水平。與其他區(qū)域的數(shù)據(jù)相比，基坑封閉系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)域（D區(qū)）的沉降數(shù)值遠小于預(yù)警值，累積沉降量大小約為預(yù)警值的15%，沉降變化速率大小約為預(yù)警值的5%。由此可推斷，基坑封閉系統(tǒng)可大幅度減小基坑工程引起的周邊建筑物沉降量，并將其控制在mm級范圍內(nèi)，效果顯著。

基坑封閉系統(tǒng)在住建部推廣的綠色施工10項新技術(shù)-封閉降水及水收集綜合利用技術(shù)的原理上，結(jié)合工程實際情況，進行創(chuàng)新與應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的基坑工程技術(shù)，該技術(shù)在技術(shù)、環(huán)保、人力等各方面體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，具體優(yōu)點：

（1）安全可靠，可有效滿足基坑支護的力學(xué)要求，對基坑側(cè)壁進行有效的安全支護，同時避免由地下水位變化引起的建筑物沉降，排除周邊建筑物沉降及損傷的隱患。

（2）綠色環(huán)保，對周邊地下水體系無明顯影響，在基坑施工的同時，可有效保證區(qū)域地下水系統(tǒng)的平衡，保護當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

（3）資源利用，把基坑內(nèi)抽出的地下水與基坑積水，回灌地下，從而補給周邊地下水水量；抽出的水也可用于路面噴灑，清洗用水和廁所用水等，達到水資源再利用的目的。

（4）施工簡單，可行性高，基坑封閉系統(tǒng)的核心技術(shù)都是成熟的施工工藝，可避免由技術(shù)運用生疏而引起的問題，降低施工難度，對經(jīng)驗豐富的施工單位具有極高的操作性和可控性。

（5）節(jié)約人力，通過智慧化深基坑監(jiān)測系統(tǒng)，節(jié)約人工檢測的人力成本，24 h不間斷監(jiān)測，實現(xiàn)了實時監(jiān)測，提高基坑工程的安全性，避免重大事故隱患。

4 結(jié)束語

在國家綠色可持續(xù)發(fā)展的政策方針下，基坑封閉系統(tǒng)憑借其良好的安全性、可靠性、可行性及環(huán)保性，具有優(yōu)良的應(yīng)用前景，但仍需要累積工程經(jīng)驗，進一步優(yōu)化該技術(shù)。如果該系統(tǒng)能在建筑行業(yè)中得到有效推廣，一定會形成良好的社會和經(jīng)濟效益。

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