基坑变形稳定性的分析

关键词：变形监测监测技术监测网研究

随着城市建设的发展，目前各类用途的地下空间已在各大中城市中得到开发利用，地下工程建设项目的数量和规模也迅速增大，如高层建筑物基坑、大型管道的深沟槽、越江隧道的暗埋矩形段及地铁工程中的车站深基坑等。基坑工程是一种临时性工程，与地区性岩土性质有关。基坑工程造价高，并且临近人口稠密区的狭小场地，在岩土性质千变万化，软土、高水位及其他复杂条件下，对周边建筑物、地下构筑物及管线安全造成严重威胁。因此，基坑安全监测反馈的信息化施工应运而生。

基坑的变形预测是基坑设计和施工的重要补充手段。通过预测数据不断调整优化设计从而达到信息化施工的目的，这充分体现了“设计一施工一设计”的科学化施工管理模式。归纳起来基坑变形监测的目的主要为：

（1）为信息化施工提供依据。通过监测随时掌握岩土层和支护结构内力、变形的变化情况以及周围环境中各种建筑、设施的变形情况，将监测数据与设计值进行对比、分析，以判断前步施工是否符合预期要求，确定和优化下一步施工工艺和参数，以达到信息化施工目的，使得监测成果成为现场施工工程技术人员作出正确判断的依据。

（2）为基坑周边环境中的建筑、各种设施的保护提供依据。通过对基坑周边建筑、管线、道路等的现场监测，验证基坑工程环境保护方案的正确性，及时分析出现的问题并采取有效措施，以保证周边环境的安全。

（3）为优化设计提供依据。基坑工程监测是验证基坑工程设计的重要方法，设计计算中未曾考虑或考虑不周的各种复杂因素，可以通过对现场监测结果的分析、研究，加以局部的修改、补充和完善，因此基坑工程监测可以为动态设计和优化设计提供重要依据。

一、 基坑变形监测研究现状

随着国民经济的发展，特别是近我国大型基础设施、城市高层建筑、地铁等建设规模的不断增大，城市用地日趋紧张。为提高土地的空间利用率，地下室从一层发展到多层，但往往基坑工程周围建筑设施密集，施工条件复杂，因此，无论在国内还是国外，大型基坑变形预测与控制是岩土工程领域的研究热点之一。变形监测的研究，主要围绕监测技术、监测数据的分析处理这两个方面。

1、变形监测技术

科学技术的进步，特别是测量技术和设备以及自动控制技术的发展，基坑工程监测技术亦向自动化和高精度方向不断发张。在过去的二十多年里，各类新型的传感器和仪器相继投入使用，如最早用于电子经纬仪、全站仪、GPS、测量机器人等。深基坑施工监测时监测点一般较多，使用GPS是不现实的，而使用的水准仪进行监测则显得太烦杂，因此，目前工程中一般使用全站仪，作为新一代高精度智能全站仪，它可以对多个测点(但需安装专用小棱镜)进行自动定时监测，可以得到测点的实时三维变形数据。在测试领域，传感器制造技术也在不断发展，新一代传感器更加坚固、可靠、稳定，测试精度也更高，寿命也更长。传感器的发展，为基坑工程监测更有效更及时准确的反映基坑工程的实际情况提供了条件。

虽然，基坑监测技术在近年取得了迅速的发展，但还存在一些问题 :

(l)国内监测仪器和传感器通常难以满足实际工程对稳定性和耐久性的需求，而国外进口监测仪器和传感器的价格比较昂贵，低价竞争导致各单位对仪器和技术的资金投入减少，不利于监测技术的提高。

(2)绝大部分地区基坑工程的施工监测技术方案尚无统一的可操作性强的技术规定，监测内容、监测仪器、监测精度、监测频率以及数据报表等都较为随意，急需规范。

(3)警戒值的确定还缺乏统一的定量化指标和判别准则，限制和削弱了对可能出现的险情提出警报。

因此，应加强深基坑工程的监测分析，总结工程经验，以指导今后的施工。

2、变形监测数据分析

传统的变形几何分析主要包括参考点的稳定性分析、观测值的平差处理和质量评定以及变形模型参数估计等内容。在变形分析中，对观测值平差处理的质量非常重要，观测值的质量好坏直接关系到变形值的精度和可靠性。在这方面，主要涉及到观测值质量、平差基准、粗差处理、变形的可区分性等几项内容。早在60年代，在固定基准的经典平差基础上，奥地利大地测量学者Meissl就引进了自由网平差的概念，提出了“内制约”平差方法。在其基础上，我国学者陶本藻对自由网平差给予了发展和完善。瑞士测量工程师Kelle扩展了“内制约”平差方法，并称之为广义的赫尔默特变换。美国学者Wprescott提出了“外坐标”平差法用于分析地质断层两边地壳的相对运动。周江文提出了“拟稳平差”，用拟稳点定义监测网的参考系。为了监测网中参考点(固定点)是否稳定，德国测量学者H.Pelzer开始应用统计检验的理论来分析参考点的稳定性。随后，其它学者也提出了不同的方法，陈永奇推导了一个广义的假设模型，陶本藻提出了一种统一的假设检验方法。在粗差检定方面，在荷兰教授Wbaarda提出数据探测法后，粗差探测与变形的可区分性的研究成果已极为丰富。

为了深入研究变形观测分析方法，在国际测量师联合会FIG第二次变形测量会议上立了特别委员会“变形观测分析专门委员会”由德国汉诺威大学大地测量研究所、荷兰德尔夫特工业大学大地测量计算中心、德国卡尔斯鲁勒大学大地测量研究所、德国慕尼黑国防军大学大地测量研究所以及该委员会的主席单位―加拿大新不伦维克大学测量工程系组成了五个研究中心，并于1981年发表了研究成果《变形观测分析中的不同方法的比较》。五个研究中心的分析方法各有特点，在确定位移和变形的计算中，大致包括观测数据筛选、权的估计、总移检验、单点位移检验和参考点稳定性检验、变形模型建立和检验、位移和变形计算以及变形力学解释等。陈永奇提出了变形分析通用法，并研制了相应软件DEFNAN，这种方法适用范围广，通用性强。A.Chrzanowski进行了变形几何分析中大地测量和非大地测量(岩土力学)观测值的综合分析。通过各国学者的努力，近年来极大地推动了变形分析方法的研究，并取得了显著成果。

二、 基坑监测网研究

变形监测网可分为两类，一类是有固定基准的绝对网，另一类是没有绝对固定基准的相对网。绝对网是指有部分点位于变形体外的监测网，相对网是指网的全部点都位于变形体上的监测网。当变形体的范围(包括变形体的变形影响范围)较小时，一般将监测网布设成绝对网的形式。所以，绝对网多用于工程建筑物的变形监测。当变形区域很大，或变形范围难以确定，监测网只有采用相对网的形式，地壳形变监测网一般采用这种情况。

监测网的研究主要包括监测点的布设，监测网的设置以及监测网的优化设计。

1、基坑监测点的分类

进行变形监测的平面控制网多数是小型的、专用的、高精度的，这种网由三种点、两种等级的网组成。

（1）基准点：通常埋设在比较稳定的基岩或在变形影响范围之外的区域，并且尽可能长期保留，保持其稳定不动。

（2）工作基点：这种点是基准点和变形观测点之间的联系点。工作基点与基准点构成变形观测的首级网，用来测量工作点相对于基准点的变形量，由于这种变形量很小，所以要求观测精度高、复测间隔时间长。

（3）变形观测点：即变形点或观测点，这些点埋设在基坑上，通过它们反映基坑的整体变形情况。变形观测点与工作点组成次级网，次级网用来测量观测点相对于工作点的变形量，由于这种变形量比上面提及的变形量大，所以次级网的复测时间短，需要经常检查观测点的坐标变化来反映滑坡空间位置的变化 。

2、 基坑平面监测系统及沉降监测系统的布设

1、基坑监测点布置的一般规定是：

（1）基坑工程监测点的布置应能反应监测对象的实际状态及其变化趋势，监测点应布置在内力及变形关键特征点上，并应满足监控要求。

（2）基坑工程监测点的布置应不妨碍监测对象的正常工作，并应减少对施工作业的不利影响。

（3）监测标志应稳固、明显、结构合理，监测点的位置应避开障碍物，便于观测。

以下就基坑平面监测系统及沉降监测系统的布设做具体说明。

3、基坑支护结构变形监测网的设置

变形监测网布置应根据周边环境和支护结构情况综合考虑,要求所布设控制网的点位在施工期间,既要建筑物在建到±0 m高度之前,能够顺利观测到支护结构所设的观测点；又要考虑到观测网的图形强度；还要兼顾测网控制点的相对稳定性。在城市建筑稠密区,场地十分狭窄,造成控制点的选择较为困难。在以往所作的项目中,一般控制点选在较安静地区，在一个场地中一般布置4个以上控制点,具体埋设方法是:挖深为1.5 m左右(见到老土层),直径为1m左右的浅井,底部整实,用直径与测量仪器固定螺旋相同的钢材,上部呈螺旋状(与仪器能够联接上),下部焊成十字形,直接灌入混凝土内,以便于观测。混凝土桩露出地面约1.3 m左右,上部直径0.1 m左右,顶部设保护盖,避免螺旋被碰动及生锈。建造观测墩的目的是使仪器强制对中,减少仪器对中误差。

对周围建筑物沉降监测点的位置,应根据其建筑结构、高度、地质条件以及距离基坑的远近程度加以考虑,一般建在距地面约0.3 m高的建筑物桩体上。标志与上述拟建筑物所设标志相同。