《基坑监测量测》(上海市建设检测从业人员岗位培训教材 王敏华)

上海市建设检测从业人员岗位培训基坑监测量测上海市建设工程检测培训中心2008年4月1第一讲概述随着我国城市建设高峰的到来，地下空间的开发力度越来越大，地下室由一层发展到多层，相应的基坑开挖深度也从地表以下5～6m发展到12～13m，个别甚至达到30m。建筑、地铁、合流污水、过江隧道、交通枢纽、地下变电站等建设工程中的基坑工程占了相当的比例。上海地区建筑物地下室基坑开挖深度已超过25m，地铁车站基坑开挖深度一般在十几米至二十米左右，深的工作井达到30m，顶管工程的工作井开挖深度达到27m，地下变电站开挖深度达34m。近几年，深基坑工程在总体数量、开挖深度、平面尺寸以及使用领域等方面都得到高速的发展。一、基坑监测的重要性和目的在深基坑开挖的施工过程中，基坑内外的土体将由原来的静止土压力状态向被动和主动土压力状态转变，应力状态的改变引起围护结构承受荷载并导致围护结构和土体的变形，围护结构的内力(围护桩和墙的内力、支撑轴力或土锚拉力等)和变形(深基坑坑内土体的隆起、基坑支护结构及其周围土体的沉降和侧向位移等)中的任一量值超过容许的范围，将造成基坑的失稳破坏或对周围环境造成不利影响，深基坑开挖工程往往在建筑密集的市中心，施工场地四周有建筑物和地下管线，基坑开挖所引起的土体变形将在一定程度上改变这些建筑物和地下管线的正常状态，当土体变形过大时，会造成邻近结构和设施的失效或破坏。同时，基坑相邻的建筑物又相当于较重的集中荷载，基坑周围的管线常引起地表浅层水的渗漏，这些因素又是导致土体变形加剧的原因。基坑工程设置于力学性质相当复杂的地层中，在基坑围护结构设计和变形预估时，一方面，基坑围护体系所承受的土压力等荷载存在着较大的不确定性；另一方面，对地层和围护结构一般都作了较多的简化和假定，与工程实际有一定的差异；加之，基坑开挖与围护结构施工过程中，存在着时间和空间上的延迟过程，以及降雨、地面堆载和挖机撞击等偶然因素的作用，使得现阶段在基坑工程设计时，对结构内力计算以及结构和土体变形的预估与工程实际情况有较大的差异，并在相当程度上仍依靠经验。因此，在深基坑施工过程中，只有对基坑支护结构、基坑周围的土体和相邻的构筑物进行全面、系统的监测，才能对基坑工程的安全性和对周围环境的影响程度有全面的了解，以确保工程的顺利进行，在出现异常情况时及时反馈，并采取必要的工程应急措施，甚至调整施工工艺或修改设计参数。2上海相继颁布实施的上海工程建设规范《基坑工程设计规程》DGJ08-61-1997、《地基基础设计规范》DGJ0811-1999、《基坑工程施工监测规程》DG／TJ08-2001-2006都对现场监测作了具体规定，将其作为基坑工程施工中必不可少的组成部分。而在地铁、隧道和合流污水工程等大型构筑物安全保护区内的基坑，相关部门都颁布了有关文件确定其环境保护的标准和要求。基坑工程监测已成为建设管理部门强制性指令措施，受到业主、监理、设计、施工和相关管线单位高度重视。基坑监测应达到的目的：1、对基坑围护体系及周边环境安全进行有效监护在深基坑开挖与支护施筑过程中，必须在满足支护结构及被支护土体的稳定性，避免破坏和极限状态发生的同时，不产生由于支护结构及被支护土体的过大变形而引起邻近建筑物的倾斜或开裂，邻近管线的渗漏等。从理论上说，如果基坑围护工程的设计是合理可靠的，那么表征土体和支护系统力学形态的一切物理量都随时间而渐趋稳定，反之，如果测得表征土体和支护系统力学形态特点的某几种或某种物理量，其变化随时间而不是渐趋稳定，则可以断言土体和支护系统不稳定，支护必须加强或修改设计参数。在工程实际中，基坑在破坏前，往往会在基坑侧向的不同部位上出现较大的变形，或变形速率明显增大。在20世纪90年代初期，基坑失稳引起的工程事故比较常见，随着工程经验的积累，这种事故越来越少。但由于支护结构及被支护土体的过大变形而引起邻近建筑物和管线破坏则仍然时有发生，而事实上大部分基坑围护的目的也就是出于保护邻近建筑物和管线。因此，基坑开挖过程中进行周密的监测，可以保证在建筑物和管线变形处在正常范围内时基坑的顺利施工，在建筑物和管线的变形接近警戒值时，有利于采取对建筑物和管线本体进行保护的技术应急措施，在很大程度上避免或减轻破坏的后果。2、为信息化施工提供参数基坑施工总是从点到面，从上到下分工况局部实施。基坑工程监测不仅即时反映出开挖产生的应力和变形状况，还可以根据由局部和前一工况的开挖产生的应力和变形实测值与预估值的分析，验证原设计和施工方案正确性，同时可对基坑开挖到下一个施工工况时的受力和变形的数值和趋势进行预测，并根据受力和变形实测和预测结果与设计时采用的值进行比较，必要时对设计方案和施工工艺进行修正。3、验证有关设计参数3因基坑支护结构设计尚处于半理论半经验的状态，土压力计算大多采用经典的侧向土压力公式，与现场实测值相比较有一定的差异，基坑周围土体的变形也还没有成熟的计算方法。因此，在施工过程中需要知道现场实际的受力和变形情况。支护结构上所承受的土压力及其分布，受地质条件、支护方式、支护结构刚度、基坑平面几何形状、开挖深度、施工工艺等的影响，并直接与侧向位移有关，而基坑的侧向位移又与挖土的空间顺序、施工进度等时间和空间因素等有复杂的关系，现行设计分析理论尚未完全成熟。基坑围护的设计和施工，应该在充分借鉴现有成功经验和吸取失败教训的基础上，根据自身的特点，力求在技术方案中有所创新、更趋完善。对于某一基坑工程，在方案设计阶段需要参考同类工程的图纸和监测成果，在竣工完成后则为以后的基坑工程设计增添了一个工程实例。现场监测不仅确保了本基坑工程的安全，在某种意义上也是一次1：1的实体试验，所取得的数据是结构和土层在工程施工过程中真实反应，是各种复杂因素影响和作用下基坑系统的综合体现，因而也为基坑工程领域的科学和技术发展积累了第一手资料。二、基坑监测工作基本要求1、基坑监测应由委托方委托具备相应资质的第三方承担。2、基坑围护设计单位及相关单位应提出监测技术要求。3、监测单位监测前应在现场踏勘和收集相关资料基础上，依据委托方和相关单位提出的监测要求和规范、规程规定编制详细的基坑监测方案，监测方案须在本单位审批的基础上报委托方及相关单位认可后方可实施。4、基坑工程在开挖和支撑施工过程中的力学效应是从各个侧面同时展现出来的，在诸如围护结构变形和内力、地层移动和地表沉降等物理量之间存在着内在的紧密联系，因此监测方案设计时应充分考虑各项监测内容间监测结果的互相印证、互相检验，从而对监测结果有全面正确的把握。5、监测数据必须是可靠真实的，数据的可靠性由测试元件安装或埋设的可靠性、监测仪器的精度、可靠性以及监测人员的素质来保证。监测数据真实性要求所有数据必须以原始记录为依据，原始记录任何人不得更改、删除。6、监测数据必须是及时的，监测数据需在现场及时计算处理，计算有问题可及时复测，尽量做到当天报表当天出。因为基坑开挖是一个动态的施工过程，只有保证及时监测，才能有利于及时发现隐患，及时采取措施。47、埋设于结构中的监测元件应尽量减少对结构的正常受力的影响，埋设水土压力监测元件、测斜管和分层沉降管时的回填土应注意与土介质的匹配。8、对重要的监测项目，应按照工程具体情况预先设定预警值和报警制度，预警值应包括变形或内力量值及其变化速率。但目前对警戒值的确定还缺乏统一的定量化指标和判别准则，这在一定程度上限制和削弱了报警的有效性。9、基坑监测应整理完整的监测记录表、数据报表、形象的图表和曲线，监测结束后整理出监测报告。基坑工程监测技术是一门综合性很强的技术，它以土力学、钢筋混凝土力学及岩土工程设计理论和方法等学科为理论基础，以仪器仪表、传感器、计算机、测试技术等学科为技术支持，同时还融合了基坑工程施工工艺与工程实践经验。三、基坑工程监测等级划分2006年颁布实施的上海工程建设规范《基坑工程施工监测规程》DG／TJ08-2001-2006对基坑工程监测进行等级划分。《基坑工程施工监测规程》规定基坑工程监测等级根据基坑工程安全等级、周边环境等级和地基复杂程度划分为四级。规程中表3.2.2、表3.2.3、表3.2.4和表3.2.5分别列出了基坑工程安全等级、周边环境等级、地基复杂程度和基坑工程监测等级划分标准。需要注意的是：①、同一基坑各侧壁的工程监测等级可能不同。对基坑各侧边条件差异很大且复杂的基坑工程，在确定基坑工程监测等级时，应明确基坑各侧壁工程监测等级。②、地基复杂程度划分表3.2.4和基坑工程监测等级划分表3.2.5中有二项（含二项）以上，最先符合该等级标准者，即可定为该等级。③、基坑工程监测等级划分表3.2.5中当出现符合两个监测等级时，宜按周边环境高一等级考虑。例如：某基坑工程安全等级为二级、周边环境等级为一级、地基复杂程度为中等，按表3.2.5基坑工程监测等级可定为一级或二级，但按表3.2.5注2要求，基坑工程监测等级宜定为一级。四、基坑监测参数基坑监测按监测项目分类详见《基坑工程施工监测规程》表3.3.6。按监测参数可分为：垂直位移、水平位移、倾斜、围护体系内力、深层侧向位移（测斜）、裂缝、地下水位、孔隙水压力、土压力、土体分层垂直位移、坑底隆起（回弹）等。结合将来的机构认证，本次监测技术培训内容按监测参数编排。5第二讲围护体系内力监测一、监测项目基坑工程围护体系内力监测包括支撑内力、锚杆拉力、围护墙内力、围檩内力、立柱内力等。支撑内力、锚杆拉力为板式围护体系一、二级基坑应测项目，三级基坑选测项目。围护墙内力、围檩内力为板式围护体系一级基坑应测项目，二级基坑选测项目。立柱内力为板式围护体系一、二级基坑选测项目，主要用于逆作法施工。二、仪器、设备简介1．监测传感器及基本原理（钢弦式传感器）监测传感器是地下工程施工前或施工过程中直接埋设在地层及结构物中，用以监测其在施工阶段受力和变形的传感器。按照它们的工作原理可分成差动电阻式(卡尔逊式)、钢弦式、电阻应变式、电感式等多种。目前地下工程中使用较多的是钢弦式和电阻应变片式传感器。钢弦式传感器是利用钢弦的振动频率将物理量变为电量，再通过二次测量仪表(频率计)将频率的变化反映出来。当钢弦在外力作用下产生变形时，其振动频率即发生变化。在传感器内有一块电磁铁，当激振发生器向线圈内通入脉冲电流时钢弦振动。钢弦的振动又在电磁线圈内产生交变电动势。利用频率计就可测得此交变电动势即钢弦的振动频率，其构造如下图所示。根据预先标定的频率-应力曲线或频率—应变曲线即可换算出所需测定的压力值或变形值。由于频率信号不受传感器与接收仪器之间信号电缆长度的影响，因此钢弦式传感器十分适用于长距离遥测(国内电缆可长达1000m，国外电缆可长达1500m)。当然，无线传输技术的应用也为长距离遥测提供了技术支撑。钢弦式传感器还具有稳定性、耐久性好的特点．能适应相对较差的监测环境，在目前工程实践中得到了广泛应用。钢弦式传感器物理计算公式：P=K220()iff(2-1)式中P—待测物理量；K—与待测物理量相匹配的标定系数；if—测试频率；0f—初始频率。6钢弦式传感器可制作成用于不同监测参数的传感器，如应变计、钢筋应力计、轴力计、（孔隙水压力计和土压力盒）等。1）应变计应变计是用于监测结构承受荷载、温度变化而产生变形的监测传感器。与应力计所不同的是，应变计中传感器的刚度要远远小于监测对象的刚度。根据应变计的布置方式，可分为表面应变计和埋入式应变计。（1）表面应变计。表面应变计主要用于钢结构表面，也可用于混凝土表面。表面应变计由两块安装钢支座、微振线圈、电缆组件和应变杆组成，其微振线圈可从应变杆卸下，这样就增加了一个可变度使得传感器的安装、维护更为方便，并且可以调节测量范围（标距）。安装时使用一个定位托架，用电弧焊将两端的安装钢支座焊（或安装）在待测结构的表面。表面应变计的特点在于安装快捷，可在测试开始前再行安装，避免前期施工造成的损坏，传感器成活率高。（2）埋入式应变计。埋入式应变计可在混凝土结构浇筑时，直接埋入混凝土中用于地下工程的长期应变测量。埋入式应变计的两端有两个不锈钢圆盘。圆盘之间