深基坑监测及数据分析

张宾杰 程剑 范志强 罗成明

北京市勘察设计研究院有限公司

［摘要］:北京某基坑周边建筑物密集，为保证安全可靠，采用桩锚支护体系，在施工过程中对地下水水位、桩顶水平及竖向位移、深层水平位移、锚索轴力及建筑沉降进行实时监测，并根据施工过程对监测数据进行分析研究，初步发现一些有意义的规律，为相近工程提供相关参考。

关键词：深基坑监测 地下水水位 桩顶水平及竖向位移、深层水平位移 锚索轴力 周边建筑沉降

1 引 言

经济飞速的发展带来城镇化的加速，但建设用地的紧张及生态环境的压力限制着城市的扩张，通过对地下空间的开发利用，在一定程度上缓解了此类问题。随着地下空间的不断开发，地下建筑物的规模逐渐增大，基坑工程的规模也越来越大，深基坑工程或者超深基坑工程越来越多，而由深基坑带来的基坑体系失效的案例也时有发生，尤其是在繁华地带建筑物密集处开挖深基坑，由基坑支护体系失效则会造成重大经济损失和不良的社会影响。

在深基坑工程施工过程中加强监测可以有效的避免重大安全事故的发生。完整、规范、准确的工程施工安全监测体系，可以避免工程施工造成的基坑变形过大过速、周围地面沉陷、地下管线破裂、建筑物倾斜或开裂等现象，进而避免不必要的损失和负面影响。

2 工程概况

2.1 拟建场区条件

本工程位于北京市海淀区成府路，清华大学南门外，地理位置较为特殊：基坑东侧外8.5m～10.0m为1#住宅楼、2#住宅楼及锅炉房；基坑南侧10.12m～11.82m为5#住宅楼，该小区住宅楼为1997年建成，地上5～6F，基础埋深仅1.5m，均为条基基础。基坑西侧12.0m为中关村北二街，基坑北侧4.29m为中关村电力隧道，埋深12.0m，断面尺寸2.6m×2.9m，北侧5.66m为成府路。基坑开挖深度为16.65m，占地面积2300m²，周长189m，属于一级基坑，如图所示：

图1 基坑环境图

2.2 工程地质及水文地质情况

依据岩土工程勘察报告，拟建场区主要地层情况如表1所示：

表1 土层基本参数

层号	土层描述
第一大层	素填土①层:杂色，松散，稍湿。粘质粉土素填土①1层：褐色~黄褐色，松散～稍密，稍湿~湿。层底深度2.00～3.60m。
第二大层	粉质粘土②层：褐黄~黄灰色，可塑局部硬塑。粉砂②1层：褐黄色，中密～密实，湿。粘质粉土②2层：褐黄色，稍密～中密，稍湿~湿。层厚9.90～12.80m，层底深度12.50～14.00m。
第三大层	粉质粘土③层：褐黄~黄褐色，可塑局部硬塑。粘土③1层：褐黄~黄褐色，可塑局部硬塑。粘质粉土③2层：褐黄色，稍密～中密，湿～很湿。粉砂③3层：褐黄色，密实，很湿~饱和，该层呈透镜体分布。层厚8.70～10.20m，层底深度22.30～23.10m。
第四大层	圆砾④层：杂色，密实，饱和。最大粒径不小于30mm，一般粒径5-20mm，大于2mm的颗粒约占65%，充填中粗砂。层厚3.30～4.10m，层底深度25.60～26.80m。
第五大层	粉质粘土⑤层：褐黄色，可塑局部硬塑。层厚9.70～11.20m，层底深度36.40～36.80m。

拟建场区水位地质条件如下：

基坑深度范围内，共揭露3层地下水，为台地潜水、层间水和潜水～承压水，详见表2：

表2 场区地下水情况

地下水性质	水位埋深(m)	含水层
上层滞水	4.10～7.80	粉砂②1层
潜水	15.30～17.00	粉砂③3层
潜水～承压水	23.30～23.60	圆砾④层

2.3 基坑方案简介

根据基坑周边环境，分2段进行支护，均采用桩锚支护体系：桩径800mm，桩间距1400mm，具体参数见表3所示。

表3 基坑设计参数表

分段	桩长(m)	嵌固长度(m)	桩顶标高(m)	锚索位置(m)	锚索参数（自由段+锚固段）(m)	张拉设计值/拉锁定值（KN）
1-1	24.0	7.45	地面(-0.7)	-4.70 -6.20 -12.70 -14.70	9+17 15+17 7+25 5+17	450/330 650/480 820/610 500/370
2-2	24.0	7.45	地面(-0.7)	-3.70 -7.20 -10.70 -14.20	13+17 7+23 6+20 5+19	540/410 780/580 630/470 570/420

根据基坑支护体系，地下水控制体系采用桩间高压旋喷桩止水帷幕：桩径1200mm，桩长20m。

3 基坑监测成果分析

基坑工程施工过程见表4：

表4 基坑施工时间表

施工内容	完成时间
第一步土方开挖深度4.5m	6月07日
第二步土方开挖深度7.0m	7月03日
第三步土方开挖深度10.5m	7月24日
第四步土方开挖深度14.0m	9月08日
开挖深度16.55m暨结构开始施工	9月13日

本工程基坑侧壁安全等级为一级，监测内容包括：地下水水位、桩顶水平及竖向位移、深层水平位移、锚索轴力、周边建筑沉降监测。施工期间监测频率为一天一次，土方开挖完成后为7天一次，建筑物底板施工完成后15天一次。因测点数量及数据采集次数较多，数据量较大，本文选取具备代表性的观测点及其变化曲线进行对比分析。

3.1 地下水水位监测

本工程采用了桩间高压旋喷止水帷幕进行地下水控制，为掌握基坑开挖过程中坑外地下水位变化情况，防止水位突变对支护体系的造成不必要的影响，施工全程进行地下水位监测。本工程采用电子水位计进行监测，基坑周边共布置了8个水位观测井（SW1～SW9），选取4个具备代表性的观测点编制水位—时间曲线图，见图2。

图2 地下水位—时间曲线图

由图2所见，在第一层上层滞水含水层深度部位的土方开挖对其水位影响较大，单次最大水位降幅达3.3m；第二层潜水埋藏深度的土方开挖期间，潜水水位变化较大，单日单次最大水位降幅达1.0m。根据《建筑基坑工程监测技术规范》，累计水位变幅已经超过监控报警值。

根据现场实际情况分析，水位降幅较大的原因推测如下：1）桩间高压旋喷桩因施工垂直度、地质条件等原因造成止水帷幕存在渗漏点，造成坑外地下水向坑内渗漏；2）锚索施工需在桩间高压旋喷桩中开孔，部分锚索开孔位置正处于含水层部位，出现了孔内涌水现象。渗漏点及涌水点导致部分观测井中水位出现不同程度的下降。因缺乏稳定的补给水源，第一层上层滞水降幅较大，潜水水位降幅较小。

3.2 桩顶水平位移监测

为及时掌握支护结构的变形情况，于护坡桩桩顶连梁上设置基坑边坡水平位移观测点，共设置8个观测点（SP1～SP8），选取5个具备代表性的观测点编制水平位移-时间曲线图，见图3：

图3 桩顶水平位移—时间曲线图

如图3所示，桩顶水平位移曲线较为有规律：第一步土方开挖期间，随基坑开挖深度的增加，观测点数据增幅明显，SP2点最大值达到了1.25mm；随着基坑开挖的深入，，水平位移逐步增加，但因为预应力锚杆的逐步锁定，观测点位移增加幅度明显降低，而当基坑开挖至槽底后及结构施工期间，观测点的位移变化则趋于稳定。最终单点累计最大位移值达3.8mm，远低于设计方案中规定的控制值（30mm），基坑支护体系较为安全。

3.3 桩顶竖向位移监测

基坑施工期间，在护坡桩桩顶连梁上设置水平位移观测点上同时进行桩顶竖向位移观测点，做到同点同测，共设置8个观测点（SX1～SX8），选取5个具备代表性的观测点编制竖向位移—时间曲线图，见图4：

图4 桩顶竖向位移—时间曲线图

从图4可以看出，各观测点数据变化总体较为平缓，但数值较为离散，规律性差，推测桩顶竖向位移变化可能与成桩期间的桩底成渣厚度、锚杆张拉锁定存在一定的关联，影响因素较多，原理较为复杂。

3.4 护坡桩深层水平位移监测

为对边坡进行深层水平位移监测，于基坑每侧边线的中心点的护坡桩桩体中设置5个深层水平位移测斜管（SC1～SC5），因位移数据较小（除北侧SC3#观测点最大位移值近10mm外，其余位移值均小于3mm），以下特编制SC3#水平位移数据—时间曲线图。见图5：

图5 SC3#深层水平位移—时间曲线图

由图5所示，伴随基坑土体开挖，基坑开挖面进行大面积荷载，护坡桩在基坑内外的压力差作用下，向基坑内部的水平位移逐步增大。基坑土方开挖初期，深层水平位移曲线呈线性变化，最大位移出现在护坡桩桩顶。随着开挖深度不断加深，桩顶水平位移趋于缓慢，最大位移处由桩顶移至-12.0m，而护坡桩底部区域水平位移则出现负值。推测护坡桩外侧受到主动土压力作用，向基坑内侧偏移，而在基坑底部以下嵌固部位的护坡桩受到被动土压力作用，出现较小的反向位移。

分析SC3#点部位的支护体系及其施工过程，推测该点数据区别于其他观测点的原因为支护体系的不同：SC3#点位于北侧1-1支护段，受外部管线的影响，第二排与第三排锚杆之间的间距较大，达6.5m，远超其它部位的3.5m，进而造成该支护段桩体中部的弯矩较大，侧向位移值偏大。但整体数据仍处于规范及设计允许范围内。

3.5 锚索轴力监测

锚索施工完毕后，为时刻掌握施工阶段锚索应力变化以及确保桩锚支护结构的安全性，采用振弦式锚索测力计进行监测，锚索测力计设置于钢垫板和锁定锚具之间。对各侧每排锚杆内力进行现场监测。选取6个具备代表性的轴力观测点编制锚索轴力增量—时间曲线图，见图6:

图6 锚索轴力增量—时间曲线图

从图6看出，除M4-1#因初始锁定值没达到设计要求，于7月5日重新进行二次补拉导致锚索轴力曲线突变外，其余锚索轴力整体变化较为平缓，个别监测点锚索轴力处于正常衰减状态。

桩锚支护体系主要基于经典的郎肯、库仑土压力理论设计进行设计，锚索轴力的设计值及锁定值均按工况中最不利状态进行取值，而实际锚索轴力是与施工过程、材料刚度、实际地层等因素相关，理论土压力设计难以准确反映，实测值与计算值存在较大偏差，但基坑支护体系是偏于安全和保守的。

3.6 周边建筑沉降监测

本工程基坑深度较大，开挖深度范围存在易流失的粉砂②₁、③₃层，同时1倍基坑深度范围内的老式住宅楼密集（1#楼、2#楼及锅炉房、5#楼），社会影响范围广。为防止基坑开挖对周围建筑物产生过大的不利影响，在施工过程中，对受影响的建筑物设置沉降观测点，现取1#楼、2#楼、锅炉房及5#楼部分观测点数据编制沉降量—时间曲线如下:

图7 沉降观测点设置图

图8 沉降量—时间曲线图

通过图8所示，除第一步土方开挖对周边建筑物影响较小外，建筑物沉降发生时间与土方开挖的时间基本符合，每一步土方开挖前期观测点沉降量较大，待稳定后有小幅回弹；基坑第四步土方开挖期间，建筑物沉降量呈增大趋势；而基坑开挖完毕，建筑物结构施工时间，建筑物沉降量则有部分回弹。

根据观测点数据及相关文献推测：建筑物沉降大小与基坑边坡水平位移、含水层水位降幅以及与基坑之间的距离有较大关系。本工程基坑桩顶水平位移、深层水平位移均控制在较小的区域内，且没有大规模抽取地下水，故基坑周边建筑物沉降量较小，没有出现裂缝，建筑物安全性没有受到任何影响。

4 结束语

基坑监测是一项综合性的工作，在保证监测数据及时、准确的同时，各项监测数据之间仍需相互验证，方可准确判断基坑安全，例如锚杆轴力的衰减需与水平位移同时进行解读方可判定基坑边坡的安全性，避免以偏概全。

本工程在基坑开挖过程中及完成后对地下水水位、桩顶水平及竖向位移、深层水平位移、锚索轴力、周边建筑沉降进行了详细监测，充分实现了信息化施工，随时掌握了基坑支护结构及周边建筑的状态，确保施工安全。

参考文献：

［1］北京市地方标准.建筑基坑支护技术规程（DB11/489-2007）.北京：北京城建科技促进会，2007

［2］中华人民共和国国家标准.建筑基坑支护技术规程（JGJ120-2012）.北京：中国建筑工业出版社，2012

［3］中华人民共和国国家标准.建筑基坑工程监测技术规程（GB50497-2009）.北京：中国计划出版社，2009

［4］李庆伟，陈龙华，程金明.北京某深基坑监测实例分析.施工技术，2008

［5］刘亚洋，卫宏.某深基坑监测数据分析.岩土工程界，2009