【基坑工程】基坑监测与信息化施工.pdf

第29章 基坑监测与信息化施工 29.1 概述 29.1 概述 众所周知， 基坑工程是一门实践性很强的学科。 由于岩土体性质的复杂多变性及各种计 算模型的局限性， 很多基坑工程的理论计算结果与实测数据往往有较大差异。 鉴于上述情况， 在工程设计阶段就准确无误地预测基坑支护结构和周围土体在施工过程中的变化是不现实 的， 施工过程中如果出现异常， 且这种变化又没有被及时发现并任其发展， 后果将不堪设想。 据统计多起国内外重大基坑工程事故在发生前监测数据都有不同程度的异常反映， 但均未得 到充分重视而导致了严重的后果。 近年来，基坑工程信息化施工受到了越来越广泛的重视。为保证工程安全顺利地进行， 在基坑开挖及结构构筑期间开展严密的施工监测是很有必要的， 因为监测数据可以称为工程 的“体温表” ，不论是安全还是隐患状态都会在数据上有所反映。从某种意义上施工监测也 可以说是一次 1：1 的岩土工程原型试验，所取得的数据是基坑支护结构和周围地层在施工 过程中的真实反映，是各种复杂因素影响下的综合体现。与其它客观实物一样，基坑工程在 空间上是三维的，在时间上是发展的，缺少现场实测和数据分析，对于认识和把握其客观规 律几乎是不可能的。 值得一提的是， 近年来我国各城市地区相继编写并颁布实施了各种基坑设计、 施工规范 和标准， 其中都特别强调了基坑监测与信息化施工的重要性， 甚至有些城市专门颁布了基坑 工程监测规范，如上海市基坑工程施工监测规程等。国家标准建筑基坑工程监测技术 规范也于近期颁布，其中明确规定“开挖深度超过 5m、或开挖深度未超过 5m 但现场地 质情况和周围环境较复杂的基坑工程均应实施基坑工程监测” 。经过多年的努力，我国大部 分地区开展的城市基坑工程监测工作， 已经不仅仅成为各建设主管部门的强制性指令， 同时 也成为工程参建各方诸如建设、施工、监理和设计等单位自觉执行的一项重要工作。 如前所述， 近年来我国基坑工程监测技术取得了迅速的发展， 受重视程度也得到了充分 的提高，但与工程实际要求相比还存在较大的差距，问题主要表现在以下几个方面： 1、现场数据分析水平有待提高、现场数据分析水平有待提高 现场监测目的是及时掌握基坑支护结构和相邻环境的变形和受力特征， 并预测下一步发 展趋势。 但由于现场监测人员水平的参差不齐以及对实测数据的敏感性差异， 往往使基坑监 测工作事倍功半。 目前大部分现场监测的模式停留在 “测点埋设数据测试数据简单处理 提交数据报表”阶段，监测人员很少对所测得的数据及其变化规律进行分析，更谈不上预 测下一步发展趋势及指导施工。 与大型水电工程相比， 一般城市基坑工程由于施工持续时间相对较短、 投资规模相对较 小，设计人员很少常驻现场。由于现场监测人员更熟悉整个工程施工和监测情况，现实要求 监测人员也要具有一定的计算分析水平， 充分了解设计意图， 并能够根据实测结果及时提出 设计修改和施工方案调整意见， 这就对监测人员提出了更高的素质要求， 而目前国内大多数 监测人员还达不到这样的水平。 现场监测是岩土工程学科一个非常重要的组成部分， 是联系设计和施工的纽带， 是信息 化施工得以实施的关键环节，也是多学科、多专业的交叉点。从事基坑监测工作需要掌握工 程测量、土力学、基坑施工、工程地质与水文地质、概率统计、数据库、软件编程等相关的 知识；所以需要广大监测人员付出更多的辛勤劳动，努力提高自身水平，才能把基坑监测工 作做得更深入、更有效、更务实。 2、现场监测数据的可靠性和真实性的问题、现场监测数据的可靠性和真实性的问题 在实际基坑监测过程中， 数据的可靠性和真实性是我国基坑工程界目前面临的一个非常 严肃的问题。 某种意义上来说 “失真” 的监测数据非但不会起到指导施工的作用， 甚至会 “误 导”施工起到相反的效果。例如某基坑周边道路已经明显开裂，现场监测数据反映路面沉降 尚不到 1cm，由于数据误导，各方麻痹大意，最终导致该工程发生严重事故，事后调查该现 场监测工作极不正规，甚至存在篡改、乱编数据现象。据笔者的实际监测经验，基坑监测的 误差主要来源于以下两个方面： 一是现场监测设备和测试元件是否满足实际工程监测的精度、 稳定性和耐久性要求。 目 前有些国内的传感器和测量仪器难以满足实际工程的精度和稳定性要求， 有些测试数据的精 度距实际工程需求竟然相差 12 个数量级，误差本身已经超过了实测数据变化量；国外虽 有较高精度的元件，但是价格昂贵，不适应我国国情。同时基坑施工现场条件一般都比较恶 劣， 大部分监测设备和传感器都要经受施工周期内的风吹日晒和尘土影响， 仪器设备的磨损 和破坏也是必不可少的现象。 另外工程现场条件， 尤其是城市基坑现场施工场地往往十分狭 小，可供监测使用的场地就更有限，测点和基准点遭受破坏的现象也屡见不鲜。所以在基坑 监测过程中应该尽量采用经过鉴定的、满足精度的、性能稳定后的仪器，监测过程中应定期 校正和标定，注意对测点的保护，以满足保证施工安全的基本要求。 二是是现场数据采集和处理过程是否满足监测技术要求。 在实际监测过程中， 由于监测 项目多、监测工作量大、监测人员的个体差异，在监测点埋设、数据采集和数据处理过程中 会出现各种误差； 在监测成果的整理上， 目前多数监测单位忽视了数据的可靠性检验和分析， 导致实测数据“真假并存” 。所以应由具有丰富现场监测工作经验的技术人员主持监测设计 和施工工作，增加监测数据的检验程序；对于各项监测成果，必须首先进行统计检验或者稳 定性分析，评价其精度和可靠程度。只有可靠的数据才能进入报表，指导设计和施工。 3、监测数据警戒值标准的问题、监测数据警戒值标准的问题 设定基坑监测警戒值的目的是及时掌握基坑支护结构和周围环境的安全状态， 对可能出 现的险情和事故提出警报。 但目前对于基坑警戒值暨控制值的确定还缺乏系统的研究， 大多 数还是依赖经验，而且各地区差异较大，很难形成量化指标；即使形成量化指标也很难实际 操作。例如，在现场监测过程中，有时候会发现即使在基坑规程允许范围内的支护结构变形 也会引起相邻建筑物、道路和地下管网等设施的破坏；而有时候,基坑支护结构变形相当大， 远远超过报警值， 周围相邻建筑物、 道路和地下管网却安然无恙； 这些都是值得探讨的问题。 由于目前基坑工程监测的警戒值设置存在不合理现象， 很多现场监测人员发现实测数据 超过警戒值后， 很少分析是否真的存在隐患或者数据下一步发展趋势， 而是盖上红章以示报 警了事。这样的后果导致报警次数增多而未发生险情，产生麻痹思想，反而忽视真正险情而 错过了最佳抢险时机导致事故发生，即“狼来了”现象。所以基坑工程警戒值的合理性值得 探讨，如何提出一套合理有效的报警体系成为基坑工程师关注的热点问题。 4、监测数据的利用率和经验积累的问题、监测数据的利用率和经验积累的问题 现场监测除了作为确保实际施工安全可靠的有效手段外， 对于验证原设计方案或局部调 整施工参数、积累数据、总结经验、改进和提高原设计水平具有相当的实际指导意义。但目 前我国有关各基坑工程监测项目资料的汇总和总结尚无统一规划和系统收集， 建立地区性的 数据网络和成果汇集，对于资源共享、提高水平将有着不可估量的积极作用。 综上所述， 针对目前基坑监测工作中存在的种种问题， 本章将在简单介绍监测基本情况 的基础上，重点对监测方法、各监测项目的数据特征、数据与工况的结合、警戒值的确定方 法等各方比较关注的内容进行探讨， 最后结合工程案例介绍一下基坑工程信息化施工的具体 过程。 29.2 基坑工程监测概况 29.2 基坑工程监测概况 基坑工程施工前，应由建设方委托具备相应资质的第三方监测单位对基坑工程实施现 场监测 基坑工程施工前，应由建设方委托具备相应资质的第三方监测单位对基坑工程实施现 场监测。监测单位应编制监测方案，监测方案须经建设方、设计方、监理方等认可，必要时 还需与基坑周边环境涉及的有关管理单位协商一致后方可实施。 下面介绍基坑工程监测的一 些基本概况: 29.2.1 监测目的监测目的 基坑工程监测的主要目的是: （1）使参建各方能够完全客观真实地把握工程质量，掌握工程各部分的关键性指标， 确保工程安全； （2）在施工过程中通过实测数据检验工程设计所采取的各种假设和参数的正确性，及 时改进施工技术或调整设计参数以取得良好的工程效果； （3）对可能发生危及基坑工程本体和周围环境安全的隐患进行及时、准确的预报，确 保基坑结构和相邻环境的安全； （4）积累工程经验，为提高基坑工程的设计和施工整体水平提供基础数据支持。 29.2.2 监测原则监测原则 基坑工程监测是一项涉及多门学科的工作，其技术要求较高，基本原则如下： （1）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，任何人不得篡改、删除原始记录； （2）监测数据必须是及时的，监测数据需在现场及时计算处理，发现有问题可及时复 测，做到当天测、当天反馈； （3）埋设于土层或结构中的监测元件应尽量减少对结构正常受力的影响，埋设监测元 件时应注意与岩土介质的匹配； （4）对所有监测项目，应按照工程具体情况预先设定预警值和报警制度，预警体系包 括变形或内力累积值及其变化速率； （5）监测应整理完整监测记录表、数据报表、形象的图表和曲线，监测结束后整理出 监测报告。 29.2.3 监测方案监测方案 监测方案根据不同需要会有不同内容，一般包括工程概况、工程设计要点、地质条件、 周边环境概况、监测目的、编制依据、监测项目、测点布置、监测人员配置、监测方法及精 度、数据整理方法、监测频率、报警值、主要仪器设备、拟提供的监测成果以及监测结果反 馈制度、费用预算等。 29.2.4 监测项目监测项目 基坑监测的内容分为两大部分， 即基坑本体监测和相邻环境监测。 基坑本体中包括围护 桩墙、支撑、锚杆、土钉、坑内立柱、坑内土层、地下水等；相邻环境中包括周围地层、地 下管线、相邻建筑物、相邻道路等。基坑工程的监测项目应与基坑工程设计、施工方案相匹 配。 应针对监测对象的关键部位， 做到重点观测、 项目配套并形成有效的、 完整的监测系统。 根据国家标准建筑基坑工程监测技术规范，基坑工程监测项目应根据表 29.1 进行 选择。 表 29.1 建筑基坑工程仪器监测项目表(建筑基坑工程监测技术规范) 一级 二级 三级 围护墙（边坡）顶部水平位移 应测 应测 应测 围护墙（边坡）顶部竖向位移 应测 应测 应测 深层水平位移 应测 应测 宜测 立柱竖向位移 应测 宜测 宜测 围护墙内力 宜测 可测 可测 支撑内力 应测 宜测 可测 立柱内力 可测 可测 可测 锚杆内力 应测 宜测 可测 土钉内力 宜测 可测 可测 坑底隆起（回弹） 宜测 可测 可测 围护墙侧向土压力 宜测 可测 可测 孔隙水压力 宜测 可测 可测 地下水位 应测 应测 应测 土体分层竖向位移 宜测 可测 可测 周边地表竖向位移 应测 应测 宜测 竖向位移 应测 应测 应测 倾斜 应测 宜测 可测 周边建筑 水平位移 应测 宜测 可测 周边建筑、地表裂缝 应测 应测 应测 周边管线变形 应测 应测 应测 注：基坑类别的划分按照现行国家标准建筑地基基础工程施工质量验收规范 GB50202-2002 执行。 基坑类别 监测项目 29.2.4 监测频率监测频率 基坑工程监测频率的确定应满足能系统反映监测对象所测项目的重要变化过程而又不 遗漏其变化时刻的要求。监测工作应从基坑工程施工前开始，直至地下工程完成为止,贯穿 于基坑工程和地下工程施工全过程。 对有特殊要求的基坑周边环境的监测应根据需要延续至 变形趋于稳定后结束。 基坑工程的监测频率不是一成不变的， 应根据基坑开挖及地下工程的施工进程、 施工工 况以及其他外部环境影响因素的变化及时地做出调整。 一般在基坑开挖期间， 地基土处于卸 荷阶段，支护体系处于逐渐加荷状态，应适当加密监测；当基坑开挖完后一段时间，监测值 相对稳定时，可适当降低监测频率。当出现异常现象和数据，或临近报警状态时，应提高监 测频率甚至连续监测。 监测项目的监测频率应综合基坑类别、 基坑及地下工程的不同施工阶 段以及周边环境、自然条件的变化和当地经验而确定。对于应测项目，在无数据异常和事故 征兆的情况下，开挖后现场仪器监测频率可按表 29.2 确定。 表 29.2 现场仪器监测的监测频率(建筑基坑工程监测技术规范) 基坑设计深度（m） 基坑 类别 施工进程 5 510 1015 15 5 1 次/1d 1 次/2d 1 次/2d 1 次/2d 510 1 次/1d 1 次/1d 1 次/1d 开挖深度 （m） 10 2 次/1d 2 次/1d 7 1 次/1d 1 次/1d 2 次/1d 2 次/1d 714 1 次/3d 1 次/2d 1 次/1d 1 次/1d 1428 1 次/5d 1 次/3d 1 次/2d 1 次/1d 一级 底板浇筑 后时间 （d） 28 1 次/7d 1 次/5d 1 次/3d 1 次/3d 5 1 次/2d 1 次/2d 开挖深度 （m） 510 1 次/1d 7 1 次/2d 1 次/2d 714 1 次/3d 1 次/3d 1428 1 次/7d 1 次/5d 二级 底板浇筑 后时间 （d） 28 1 次/10d 1 次/10d 注：1 有支撑的支护结构各道支撑开始拆除到拆除完成后 3d 内监测频率应为 1 次/1d； 2 基坑工程施工至开挖前的监测频率视具体情况确定； 3 当基坑类别为三级时，监测频率可视具体情况适当降低； 4 宜测、可测项目的仪器监测频率可视具体情况适当降低。 29.2.5 监测步骤监测步骤 监测单位工作的程序，应按下列步骤进行： 1.接受委托； 2.现场踏勘，收集资料； 3.制定监测方案，并报委托方及相关单位认可； 4.展开前期准备工作，设置监测点、校验设备、仪器； 5.设备、仪器、元件和监测点验收； 6.现场监测； 7.监测数据的计算、整理、分析及信息反馈； 8.提交阶段性监测结果和报告； 9.现场监测工作结束后，提交完整的监测资料。 29.3 监测方法及数据分析 29.3 监测方法及数据分析 29.3.1 墙顶位移（桩顶位移、坡顶位移）墙顶位移（桩顶位移、坡顶位移） 墙顶水平位移和竖向位移是基坑工程中最直接的监测内容,通过监测墙顶位移,对反馈 施工工序， 并决定是否采用辅助措施以确保支护结构和周围环境安全具有重要意义。 同时墙 顶位移也是墙体测斜数据计算的起始依据。 对于围护墙顶水平位移，测特定方向上时可采用视准线法、小角度法、投点法等；测定 监测点任意方向的水平位移时，可视监测点的分布情况，采用前方交会法、后方交会法、极 坐标法等；当测点与基准点无法通视或距离较远时，可采用 GPS 测量法或三角、三边、边角 测量与基准线法相结合的综合测量方法。 墙顶竖向位移监测可采用几何水准或液体静力水准 等方法，各监测点与水准基准点或工作基点应组成闭合环路或附合水准路线。 墙顶位移监测基准点的埋设应符合国家现行标准建筑变形测量规范JGJ8 的有关规 定，设置有强制对中的观测墩，并采用精密的光学对中装置，对中误差不大于 0.5mm。观测 点应设置在基坑边坡混凝土护顶或围护墙顶（冠梁）上，安装时采用铆钉枪打入铝钉,或钻 孔埋深膨胀螺丝,涂上红漆作为标记，有利于观测点的保护和提高观测精度。 墙顶位移监测点应沿基坑周边布置，监测点水平间距不宜大于 20m。一般基坑每边的中 部、阳角处变形较大，所以中部、阳角处宜设测点。为便于监测，水平位移观测点宜同时作 为垂直位移的观测点。 图 29.1 墙顶位移点的布设 一般的墙顶位移曲线如图 29.2 所示,在架设支撑或锚杆之前， 位移变化较快， 在结构底 板浇筑之后，位移趋于稳定。支护结构顶部发生水平位移过大时(如图 29.3)，主要是由于超 挖和支撑不及时导致的， 严重者将导致支护结构顶部位移过大， 坑外地表数十米范围将会开 裂，影响周围环境的安全。 406080100120140160 0 5 10 15 20 墙顶水平水平位移位移/ /mmmm 日期/天日期/天 020406080100120140160 0 10 20 30 40 墙顶水平位移/m水平位移/mm 日期/天 m 日期/天 基坑超挖，支撑不及时 造成墙顶位移急剧增长 图 29.2 正常墙顶位移曲线 图 29.3 超挖情况下墙顶位移曲线 29.3.2 围护（土体）水平位移围护（土体）水平位移 围护桩墙或周围土体深层水平位移的监测是确定基坑围护体系变形和受力的最重要的 观测手段，通常采用测斜手段进行观测。 测斜的工作原理是利用重力摆锤始终保持铅直方向的性质， 测得仪器中轴线与摆锤垂直 线的倾角，倾角的变化导致电信号变化，经转化输出并在仪器上显示，从而可以知道被测构 筑物的位移变化值（如图 29.4） 。实际量测时，将测斜仪插入测斜管内，并沿管内导槽缓慢 下滑，按取定的间距 L 逐段测定各位置处管道与铅直线的相对倾角,假设桩墙(土体)与测斜 管挠曲协调，就能得到被测体的深层水平位移，只要配备足够多的量测点(通常间隔 0.5m)， 所绘制的曲线几乎是连续光滑的。 测读设备 电缆 测头 钻孔 导管 回填 导槽 导轮 总位移 原 准 线 测读间距 位移Lsina 图 29.4 测斜原理图 测斜管埋设方式主要有钻孔埋设、绑扎埋设两种,如图所示（29.5） 。一般测围护桩墙挠 曲时采用绑扎埋设和预制埋设,测土体深层位移时采用钻孔埋设。 围护墙（桩） 测斜管底密封 开挖面 测斜管绑扎在钢筋笼上 围护墙（桩） 测斜管底密封 开挖面 钻机打孔埋设测斜管 图 29.5 测斜管埋设示意图 测斜监测点一般布置在基坑平面上挠曲计算值最大的位置，监测点水平间距为 20m 50m，每边监测点数目不应少于 1 个。为了真实地反映围护墙的挠曲状况和地层位移情况， 应保证测斜管的埋设深度： 设置在围护墙内的测斜管深度不宜小于围护墙的入土深度； 设置 在土体内的测斜管深度不宜小于基坑开挖深度的 1.5 倍，并大于围护墙入土深度。 图 29.5 是典型的内支撑测斜监测曲线，对于多道内支撑体系的基坑支护结构而言，正 常的测斜曲线有如下特点：发生测斜最大的深度随着开挖加深逐步下移（一般呈大肚状） ； 已加支撑处的变形小；开挖时变形速率增大，有支撑时，侧向变形速率小或测斜保持稳定不 变；支护结构的顶部可能会向坑外侧移动。 图 29.6 和图 29.7 为某复合土钉墙和桩锚的测斜曲线，与内支撑支护的曲线不同，在基 坑土方开挖及结构施工中，最大位移点一般在桩顶，最小点在桩底，呈悬臂式曲线特征；桩 身位移沿深度方向呈现近似线性变化。还可以看出，在基坑浅部土方开挖过程中，桩的测斜 位移较小， 及时锁定锚杆可较好控制位移； 在深部土方开挖过程中， 桩的测斜位移逐渐增大， 及时对锚杆施加预应力并有效锁定，可以控制位移的发展速率。 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0-5 0510 15 20 25 30 35 40 45 50 55 位 移位 移( (mm) ) 深 度(深 度(m) ) 工况一 工况二 工况三 工况四 工况五 工况六 6 5 4 3 2 1 0-5 05101520253035 位移位移( (mm) ) 深 度深 度(m) 工况一 工况二 工况三 工况四 工况五 工况六 工况七 工况八 工况九 图 29.5 典型内支撑测斜曲线 图 29.6 典型土钉墙测斜曲线 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 -100102030405060 位 移(位 移(mm) 深 度( ) 深 度(m) ) 工况一 工况二 工况三 工况四 工况五 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 00 306090120150 位移位移( (m) ) 深度深度( (m) ) 加第一道撑(11.1) 加第二道撑(11.1) 加第三道撑(11.8) 加第四道撑(11.26) 加第五道撑(12.3) 加第六道撑(12.4) 浇筑底板(12.6) 图 29.7 典型桩锚支护测斜曲线 图 29.8 测斜管顶向坑外移动曲线 值得一提的是， 测斜变形计算时需确定固定起算点， 起算点位置的设定分管底和管顶两 种情况。对于无支撑的自立式围护结构，一般入土深度较大，若侧斜管埋设到底，则可将管 底作为基准点，由下而上累计计算某一深度的变形值，直至管顶。对于单支撑或多支撑的围 护结构，在进行支撑施做（或未达到设计强度）前的挖土时，围护结构的变形类似于自立式 围护，仍可将管底作为基准点。当顶层支撑施做后，情况就发生了变化，此时管顶变形受到 了限制，而原先作为基准点的管底随开挖深度的加大，将发生变形，因而应将基准点转至管 顶，由上而下累计某一深度的变形值，直至开挖结束。按此方法测得的围护结构的挠曲曲线 在开挖标高附近出现峰值，图 29.8 既是该类典型曲线。不论基准点设在管顶或管底，计算 累计变形值，总可以向基坑侧变形为正，反之为负。 29.3.3 立柱竖向位移立柱竖向位移 在软土地区或对周围环境要求比较高的基坑大部分采用内支撑， 支撑跨度较大时， 一般 都架设立柱桩。立柱的竖向位移（沉降或隆起）对支撑轴力的影响很大，有工程实践表明， 立柱竖向位移 2cm3cm，支撑轴力会变化约 1 倍。因为立柱竖向位移的不均匀会引起支撑 体系各点在垂直面上与平面上的差异位移， 最终引起支撑产生较大的次应力 （这部分力在支 撑结构设计时一般没有考虑） 。若立柱间或立柱与围护墙间有较大的沉降差，就会导致支撑 体系偏心受压甚至失稳，从而引发工程事故。所以立柱竖向位移的监测特别重要。因此对于 支撑体系应加强立柱的位移监测。 M1 M2 M3 Mmax1 Mmax2 Mmax3 N1 Q1 N2 Q2 N3 Q3 立柱 地下连续墙 第一道撑 第二道撑 第三道撑 开挖面 图 29.7 立柱竖向位移危害示意图 立柱监测点应布置在立柱受力、变形较大和容易发生差异沉降的部位，例如基坑中部、 多根支撑交汇处、地质条件复杂处。逆作法施工时，承担上部结构的立柱应加强监测。立柱 监测点不应少于立柱总根数的 5%，逆作法施工的基坑不应少于 10%，且均不应少于 3 根。 围护墙（桩） 支撑结构支撑立柱 测点 图 29.8 立柱监测示意图 102030405060708090100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 竖向位移(mm) 时间(天) 竖向位移(mm) 时间(天) 第二道支撑 第三道支撑 第四道支撑 第五道支撑 底板浇筑 1/111/252/82/223/73/214/44/18 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 第五道支撑 第四道支撑 第三道支撑第二道支撑 立柱隆起立柱隆起( (mm) ) 时间(天)时间(天) 第一道支撑 图 29.9 某钢支撑基坑立柱隆起曲线 图 29.10 某混凝土支撑基坑立柱隆起曲线 对近年来基坑内立柱竖向位移曲线进行了分析，选取了有代表性的两组曲线。图 29.9 为钢支撑支护的基坑内立柱竖向位移曲线，从图中可以看出开挖过程中,立柱一直呈上升趋 势，并在浇筑垫层底板时达到最大值，最大隆起量近 8cm，在地下结构施工的初期隆起值略 有回落，最总稳定于某固定值。图 29.10 为某混凝土支撑基坑立柱隆起曲线，在开挖浅层土 时，立柱呈沉降趋势，且变化比较平缓，在基坑开始进行第四层土开挖以后，立柱呈隆起趋 势， 随着第五层土方开挖到支撑标高， 立柱隆起增大趋势加剧， 在垫层浇筑完成后略有回落， 但钢筋绑扎期间再次快速隆起，并在浇筑底板时达到最大值。 在影响立柱竖向位移的所有因素中， 基坑坑底隆起与竖向荷载是最主要的两个方面。 基 坑内土方开挖的直接作用引起土层的隆起变形， 坑底隆起引起立柱桩的上浮； 而竖向荷载主 要引起立柱桩的下沉。有时设计虽已考虑竖向荷载的作用，但立柱桩仍有向上位移，原因是 施工过程中基坑的情况比较复杂，所采用的竖向荷载值及地质土层情况的实际变异性较大。 当基坑开挖后，坑底应力释放，坑内土体回弹，桩身上部承受向上的摩擦力作用，立柱桩被 抬升；而基坑深层土体阻止桩的上抬，对桩产生向下的摩阻力阻止桩上抬。桩的上抬也促使 桩端土体应力释放，桩端土体也产生隆起，桩也随之上抬，但上部结构的不断加荷以及变异 性较大的施工荷载会引起立柱的沉降， 可见立柱竖向位移的机理比较复杂。 因此要通过数值 计算预测立柱桩最终是抬升还是沉降都比较困难， 至于定量计算最终位移就更加困难了， 只 能通过监测实时控制与调整。 为了减少立柱竖向位移带来的危害， 建议使立柱与支撑之间以及支撑与基坑围护结构之 间形成刚性较大的整体， 共同协调不均匀变形； 同时桩土界面的摩阻力会直接影响立柱桩的 抬升，因此可通过降低立柱桩上部的摩阻力来减小基坑开挖对立柱桩抬升的影响。 29.3.4 围护结构内力围护结构内力 围护内力监测是防止基坑支护结构发生强度破坏的一种较为可靠的监控措施， 可采用安 装在结构内部或表面的应变计或应力计进行量测。 采用钢筋混凝土材料制作的围护桩， 其内 力通常是通过测定构件受力钢筋的应力或混凝土的应变、然后根据钢筋与混凝土共同作用、 变形协调条件反算得到， 钢构件可采用轴力计或应变计等量测。 内力监测值宜考虑温度变化 等因素的影响。 图 29.11 为钢筋计量测围护结构的轴力、弯矩的安装示意图。量测弯矩时，结构一侧受 拉，一侧受压，相应的钢筋计一只受拉，另一只受压；测轴力时，两只钢筋计均轴向受拉或 受压。由标定的钢筋应变值得出应力值，再核算成整个混凝土结构所受的弯矩或轴力： 弯矩： 55 () 10() 10 1212 EcIc M Esd =×=××× （29-1） 轴力： 331212 1010 1 2 AcEc NKK AsEs2 + =××=×××× （29-2） 式中：M为弯矩（t·m/m） ； 为轴力（t） ； N 1 、 2 为开挖面、背面钢筋计应力（kg/cm2） ； Ic为结构断面惯性矩（cm ） ； 中心距离（cm） ； 4 d为开挖面、背面钢筋计之间的 1 、 2 为上、下端钢筋计应变（） ； 1 K为钢筋计标定系数（kg/） ； 、为混凝土结构的弹性模量（kg/cm2） 、断面面积（cm2） ； EcAc 、为钢筋计的弹性模量（kg/cm2） 、断面面积（cm2） 。 EsAs 钢筋轴力计 导线 图 29.11 钢筋计量测围护结构弯矩安装示意图 围护墙内力监测点应考虑围护墙内力计算图形， 布置在围护墙出现弯矩极值的部位， 监 测点数量和横向间距视具体情况而定。 平面上宜选择在围护墙相邻两支撑的跨中部位、 开挖 深度较大以及地面堆载较大的部位；竖直方向（监测断面）上监测点宜布置支撑处和相邻两 层支撑的中间部位，间距宜为 2m4m。立柱的内力监测点宜布置在受力较大的立柱上，位 置宜设在坑底以上各层立柱下部的 1/3 部位。 图 29.12 为是上海某深基坑开挖进行到 14.4m(完成第四道撑后)、18.3m(完成第五道支 撑后)、 20.9m(完成第六道支撑后)、 23m(垫层浇注后)四个工况下的地下连续墙侧向变形情况。 图 29.13 为由布置在地下连续墙内钢筋上的应力计监测结果计算的各工况下的实际弯距， 从 实测结果来看,围护结构内力无论从大小还是从分布形式与设计计算结果有较大的差距。因 此在基坑施工过程中可以通过弯矩实测方法判断墙体的承载力发挥情况， 防止基坑围护结构 由于设计上的不合理从而导致的地下连续墙体受弯破坏情况发生， 及时做出补救措施， 避免 基坑失稳，减小损失。 01020304050 35 30 25 20 15 10 5 0 01020304050 35 30 25 20 15 10 5 0 地墙深度（m） 侧向位移（mm） 地墙深度（m） 侧向位移（mm） 四撑后 五撑后 六撑后 垫层后 -900-600-300030060090012001500 35 30 25 20 15 10 5 -900-600-300030060090012001500 35 30 25 20 15 10 5 深度（m） 弯矩（KN*m） 深度（m） 弯矩（KN*m） 四撑后 五撑后 六撑后 底板浇注后 图 29.12 基坑地下连续墙测斜曲线 图 29.13 某基坑地下连续墙实测弯矩曲线 29.3.5 支撑轴力支撑轴力 基坑外侧的侧向水土压力由围护墙及支撑体系所承担， 当实际支撑轴力与支撑在平衡状 态下应能承担的轴力(设计计算轴力)不一致时， 将可能引起围护体系失稳。 支撑内力的监测 多根据支撑杆件采用的不同材料， 选择不同的监测方法和监测传感器。 对于混凝土支撑杆件， 目前主要采用钢筋应力计或混凝土应变计（参见围护内力监测） ；对于钢支撑杆件，多采用 轴力计（也称反力计）或表面应变计。 图是支撑轴力安装示意图，轴力布置应遵循以下原则： 1 监测点宜设置在支撑内力较大或在整个支撑系统中起控制作用的杆件上； 2 每层支撑的内力监测点不应少于 3 个，各层支撑的监测点位置宜在竖向保持一致； 3 钢支撑的监测截面宜选择在两支点间 1/3 部位或支撑的端头； 混凝土支撑的监测截面 宜选择在两支点间 1/3 部位，并避开节点位置； 4 每个监测点截面内传感器的设置数量及布置应满足不同传感器测试要求。 支撑 圈梁 轴力计 围护墙（桩） 图 29.14 钢支撑轴力计安装方法 围护结构 支撑结构监测点 图 29.15 混凝土支撑轴力安装方法 值得一提的是， 支撑的内力不仅与监测计放置的截面位置有关， 而且与所监测截面内的 监测计的布置有关。其监测结果通常以“轴力”(KN)的形式表达，即把支撑杆监测截面内 的测点应力平均后与支撑杆截面的乘积。显然，这与结构力学的轴力概念有所不同，它反映 的仅是所监测截面的平均应力。 实测的支撑轴力时程曲线在有些工程比较有规律， 呈现在当前工况支撑下挖方， 支撑轴 力增大；后续工况架设的支撑下挖土，先行工况的支撑轴力发生适当调整，后续工况支撑的 轴力增长这种恰当的规律(图 29.16)。 050100150200250 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 轴力（KN） 时间（天） 轴力（KN） 时间（天） 第一道支撑 第二道支撑 第三道支撑 036912151821 0 200 400 600 800 1000 轴力(KN) 时间(天) 轴力(KN) 时间(天) 钢支撑 预应力损失 图 29.16 正常支撑轴力变化曲线 图 29.17 预应力损失的轴力变化曲线 但这仅是基坑开挖时支撑杆的一种受力形式。 而在有些工程则出现挖方加深， 支撑的实 测轴力不仅未增加， 反而降低的异常现象； 或者实测支撑轴力时程曲线跳跃波动很大的现象 (图 29.17)。实测的“轴力”值有的超过理论计算值 2 倍以上、或远超过支撑杆的容许承载 力，但基坑却安全可靠。而有的工程实测的“轴力”不到理论计算值的几分之一却出现围护 墙位移过大引起周边环境破坏。显然，这与支撑连结节点和支撑杆所受的弯、剪应力等因素 有关，亦与监测结果计算方法方面存在的问题有关。 支撑系统的受力极其复杂， 支撑杆的截面弯矩方向可随开挖工况进行而改变， 而一般现 场布置的监测截面和监测点数量较少。因此，只依据实测的“支撑轴力”有时不易判别清楚 支撑系统的真实受力情况， 甚至会导致相反的判断结果。 建议的方法是选择代表性的支撑杆， 既监测其截面应力， 又监测支撑杆在立柱处和内力监测截面处等若干点的竖向位移， 使可以 根据监测到的截面应力和竖向位移值由结构力学的方法对支撑系统的受力情况作出更加合 理的综合判断。 同时有必要对施工过程中围护墙、 支撑杆及立柱之间耦合作用进行深入研究。 29.3.6 锚杆轴力（土钉内力）锚杆轴力（土钉内力） 锚杆及土钉内力监测的目的是掌握锚杆或土钉内力的变化， 确认其工作性能。 由于钢筋 束内每根钢筋的初始拉紧程度不一样， 所受的拉力与初始拉紧程度关系很大。 应采取专用测 力计、应力计或应变计应在锚杆或土钉预应力施加前安装并取得初始值。根据质量要求，锚 杆或土钉锚固体未达到足够强度不得进行下一层土方的开挖，为此一般应保证锚固体有 3d 的养护时间后才允许下一层土方开挖，取下一层土方开挖前连续 2d 获得的稳定测试数据的 平均值作为其初始值。 支护结构 锚杆轴力计 预应力锚杆 基坑 锚头 承载板 锚杆轴力计 承压板 垫层 岩土体 锚杆 图 29.18 锚杆轴力安装示意图 锚杆或土钉的内力监测点应选择在受力较大且有代表性的位置， 基坑每边中部、 阳角处 和地质条件复杂的区段宜布置监测点。每层锚杆的内力监测点数量应为该层锚杆总数的 1%3%，并不应少于 3 根。各层监测点位置在竖向上宜保持一致。每根杆体上的测试点宜设 置在锚头附近和受力有代表性的位置。 29.3.7 坑底隆起（回弹）坑底隆起（回弹） 基坑隆起（回弹）监测点的埋设和施工过程中的保护比较困难，监测点不宜设置过多， 以能够测出必要的基坑隆起（回弹）数据为原则，本条规定监测剖面数量不应少于 2 条，同 一剖面上监测点数量不应少于 3 个，基坑中部宜设监测点，依据这些监测点绘出的隆起（回 弹）断面图可以基本反映出坑底的变形变化规律。 吊杆 钢尺 水准尺 水准仪 水准仪 水准尺 回弹标 重锤 测头圆气泡 固定螺杆 测杆 保护管 钻孔 填土 白灰 回弹标 孔底 图 29.19 坑底隆起测量示意图 弹性隆起 塑性隆起 图 29.20 坑底隆起曲线 29.3.8 围护墙侧向土压力围护墙侧向土压力 侧向水土压力是直接作用在基坑支护体系上的荷载， 是支护结构的设计依据， 现场量测 能够真实地反映各种因素对水土压力的综合影响， 因此在工程界都很重视现场实测水土压力 数据的收集和分析。 由于土压力计的结构形式和埋设部位不同，埋设方法很多，例如挂布法、顶入法、弹入 法、插入法、钻孔法等。土压力计埋设在围护墙构筑期间或完成后均可进行。若在围护墙完 成后进行， 由于土压力计无法紧贴围护墙埋设， 因而所测数据与围护墙上实际作用的土压力 有一定差别。 若土压力计埋设与围护墙构筑同期进行， 则须解决好土压力计在围护墙迎土面 上的安装问题。 在水下浇筑混凝土过程中， 要防止混凝土将面向土层的土压力计表面钢膜包 裹，使其无法感应土压力作用，造成埋设失败。另外，还要保持土压力计的承压面与土的应 力方向垂直。 结构钢筋 木板 沥青层 土压力盒 槽壁 输气管 气顶固定钢架 弹簧 挂钩 压力盒 图 29.21 顶入法进行土压力传感器设置 图 29.22 弹入法进行土压力传感器埋设装置 第一道支撑 回填 粘土 土压力盒（用 铅丝绑扎） 第二道支撑 第三道支撑 钢筋三 角架 钻孔?200 1220 12500 320 图 29.23 钻孔法进行土压力测量 围护墙侧向土压力监测点的布置应选择在受力、 土质条件变化较大的部位， 在平面上宜 与深层水平位移监测点、围护墙内力监测点位置等匹配，这样监测数据之间可以相互验证， 便于对监测项目的综合分析。在竖直方向（监测断面）上监测点应考虑土压力的计算图形、 土层的分布以及与围护墙内力监测点位置的匹配。 020406080100120140160180200220240260 0 50 100 150 200 250 300 350 400 地下结构施工 基坑开挖坑内降水 主动土压力主动土压力(KPa) 时间时间(d) 2m 6m 9m 13m 17m 21m 25m 地下连续墙施工加固阶段 图 29.24 某基坑墙外侧(主动区)土压力随时间的变化曲线 图