基坑施工监测实施方法及发展
2010-7-29

1．引言
　　随着我国城市建设高峰的到来，房地产市场的不断升温，城市用地价格一路高涨。为提高土地的空间利用率，各地纷纷争相开发地下空间。近年来随着国外先进成熟的施工设备及施工工艺被引进国内，地下空间开发逐渐成为城市发展的一个方向，地下基础越做越深，基坑开挖深度不断增加。在上海地区，建（构）筑物地下室的基坑开挖深度已超过25m，此外，在城市地铁、合流污水处理系统、过江隧道等市政工程中，深基坑工程也占有很大比例。监测工作，尤其是深基坑施工监测工作就是为进行动态监测、实现信息化施工、提供反馈信息、确保施工安全而逐步发展起来的一个产业，它涉及到岩土力学、建筑施工、测量工程、数理统计、自动控制等多学科知识，是一项涵盖专业面较广的工作。
　　2．深基坑施工监测的目的和作用
　　在深基坑开挖的施工过程中，基坑内外的土体由原来的静止土压力状态向被动和主动土压力状态改变，压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变形，可能会造成基坑失稳或对基坑周边环境造成不良影响。
　　基坑工程设置于力学性质相当复杂的土层中，在基坑围护结构进行设计和预估时，设计人员往往采用的模型对地层和围护结构做了较多的简化和假定，而围护体系所承担的水土压力等荷载有很大的不确定性，另外基坑施工过程中，由于时间、空间的延迟及自然条件的影响，这样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可能有较大的差异。
　　开展监测工作有助于实现信息化施工，能对基坑工程的安全性和对周边环境的影响程度提供有力的数据，以确保工程安全顺利进行，在出现异常情况时及时反馈，提请采取必要的应急措施。同时也是验证设计计算及反馈设计积累经验的有效途径。
　　3．深基坑施工监测的实施及发展趋势
　　3．1深基坑施工监测的主要内容
　　一般而言，深基坑施工监测内容主要包括周边环境变形监测和基坑围护体系监测两大类。其中周边环境变形监测包括周边建筑物沉降、地下管线沉降、地表沉降等；基坑围护体系（包括基坑支护、土体、水力系统监测）监测包括围护墙顶沉降、围护墙顶位移、围护墙深部水平位移、立柱隆沉、支撑轴力监测、坑外地下水位监测、土压力监测、孔隙水压力监测、土体分层沉降等等。
　　通过这些监测项目，可以了解基坑周边环境及基坑本体的变形情况，预防和控制施工对周边环境造成的不良影响及基坑围护体系产生较大变形，确保施工安全。
　　3．2测量和测试
　　按照监测工作的原理而言，深基坑施工监测的这些监测项目又可分为测量和测试项目两大类。
其中测量项目包括沉降测量、水平位移测量和倾斜测量等，如建筑物沉降、地下管线沉降、地表沉降、围护墙顶沉降、立柱隆沉、围护墙顶水平位移等。当前监测工作中沉降测量主要是使用水准仪，按照传统的水准测量方法，通过布设相对固定的水准网，定期联测水准网，解算各水准点的高程（可以是相对高程，但一般要求参照点离施工区2倍基坑开挖范围以外且相对稳定），再由这些高程点来控制散点（沉降变形监测点，一般不纳入水准线路）的高程，通过将各点的历次高程值进行比较，计算各点的沉降变形量，一般可达mm级精度。水平位移观测一般使用经纬仪采用小角度法或全站仪采用解析坐标法进行观测，但限于观测过程中的仪器对中误差、照准误差、测角精度等误差因素，观测精度普遍较低，一般达到3mm左右。
　　测试项目主要是使用传感器进行间接监测的项目，包括围护墙深部水平位移、支撑轴力、坑外地下水位、土压力、孔隙水压力、土体分层沉降等。当前，围护墙深部水平位移测试需在围护墙施工时同步预埋测斜管，用带伺服加速度传感器的测斜仪来进行测试。而支撑轴力、土压力、孔隙水压力通常采用振弦式测力传感器来测试。地下水位是用带感应器的水尺（水位计）来进行测试，感应器遇水接通电路，启动蜂鸣器或警示灯，观测员读取标尺刻度。分层沉降则需预埋套管和磁环，采用带磁感应器的分层沉降仪进行测试，磁环随土层移动，当磁感应器遇磁环时激发电路启动蜂鸣器或警示灯，观测员读取标尺刻度。
　　3．3深基坑施工监测技术的发展趋势
　　随着测量技术和传感器及自动控制技术的发展，监测技术亦不断向自动化和高精度方向发展。
　　在测量监测领域，如果是在开阔的地区且测点密度不是很大，静态GPS已经可以满足mm级的变形监测要求。而深基坑施工监测时监测点一般较多，使用GPS不是很现实，这时瑞士Leica公司推出的　TCA2003测量机器人就大有用武之地了，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，新一代的传感器将更坚固、可靠、稳定和高精度。围护墙的深部位移可以使用固定倾斜传感器，安装于测斜管内，进行墙体深部的水平位移自动监测；而支撑轴力、土压力、孔隙水压力测试通常采用的振弦式测力传感器已经是较为成熟的产品，关键是通过电缆线将这些传感器接入控制模块。在国外，支撑轴力的测力传感器甚至直接和加力设备合二为一，在主控机上可以直接看到支撑实时的受力情况并可以随时调整其受力情况。同时，地下水位和土体分层沉降测试等监测项目也可以采用带相应传感器探头的自动测控仪器。
　　当然，自动监测技术的实施还离不开自动控制技术，需要强大的网络通讯系统及控制软件做后盾，还需要有优秀的切合现场需要的数据分析软件。

　3．4影响监测技术发展的主要原因
　　影响监测技术向自动化方向发展的原因主要是：
　　一，由于自动化设备的成本过高而限制了其发展。不光是设备采购成本，还有安装成本、运行成本、维护成本都是较高的，对于一个短期而非长久的基坑工程而言，确实不是很经济。但是在一些特殊或要求较高的场合，进行小范围的试验也是大有裨益的。
　　二，由于施工现场的场地条件复杂而限制了其发展。在施工现场，由于场地限制，各种施工机械、材料、施工人员穿插在一起，场地可能较为混乱。而自动监测的开展需安装大量的传感器、控制模块，铺设大量的电缆，在临时施工场所，可能随时会受到破损，另外TCA2003自动监测系统需要场地良好的通视条件，这都是制约自动监测技术发展的一个瓶颈。可能在相当长的一段时间内，深基坑施工自动监测技术都只是在小范围内试验性使用了。
　　4．当前监测工作普遍存在的问题
　　基坑工程施工监测技术近年来得到了迅速的发展，但也普遍存在一些问题：
　　（1）国内监测仪器和传感器通常难以满足实际工程监测的稳定性和耐久性需求， 而国外进口监测仪器和传感器的价格昂贵，低价竞争导致各单位对仪器和技术的资金投入较少，不利于监测技术的提高。
　　（2）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、监测仪器及精度要求、监测频率、数据报表等都较为随意，急需制定地区或全国性的规程或标准。
　　（3）对较多监测内容警戒值的确定还缺乏统一的定量化指标和判别准则，限制和消弱了对可能出现的险情提出警报。