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[分享]监测信息反馈及信息化施工实例
一、监测信息反馈及信息化施工
1.1 信息反馈的目的
在基坑工程施工过程中，为保证基坑工程施工及周边环境安全，需要建立一套严密、科学的监测体系，在施工过程中对地下工程及周边环境进行监测，分析、判断、预测施工中可能出现的情况，并采取相应的技术措施，将施工对周围环境的影响降低到最小程度，即通常所说的信息化设计与施工。其核心内容是监测与信息反馈，主要目的如下：
（1）将监测所得到的周边环境及支护结构稳定状况及时提供给设计与施工单位，以便采取有效措施确保地下工程施工安全。
（2）根据监测所得到的施工对周边建(构)筑物、地下管线影响程度，制定合理的保护措施。
（3）为设计与施工、监理单位提供沟通渠道，以确保信息化设计与施工的效果。
（4）为信息化设计与施工累计资料，提高地下工程的设计和施工水平。
图 1 信息化施工监测流程图
1.2 信息反馈的内容
基坑工程施工期间通过监测取得的大量周边环境与支护结构的位移、支护结构内力、周边建筑物变形等信息及时反馈到设计与施工单位，进行信息化设计与施工非常重要，有很大的工程应用价值。在地下工程施工中，需要进行反馈分析的内容很广，实际应用时，可根据工程具体要求有选择地进行反馈分析工作。
（1）对设计的反馈内容
a.通过对监测资料的反分析，修正设计用围岩物理力学参数。
b.通过对监测资料的反分析，修正设计用地应力、渗水压力、围岩压力等基本荷载。
d.在上述修正基础上调整支护结构参数，即进行信息化设计。
（2）对施工的反馈内容
在施工过程中，通过对监测结果的分析判断，及时调整施工方案，必要时增加辅助施工措施以确保施工安全性和经济性。 明挖基坑工程施工。通过对监测结果的分析判断，及时调整施工方案，在围岩及支护（围护）结构位移、支撑结构内力、周边建筑物变形等数值较小时，可简化施工方案以减少施工程序，加快施工进度，降低工程造价；在围岩及支护（围护）结构位移、支撑结构应力、周边建筑物变形等数值较大时，应调整施工方案直至增加辅助施工，以确保工程及周边环境的安全。
监测数据反馈指导设计与施工是指在地下工程施工过程中，根据施工信息，对施工前预设计所确定的结构形式、支护参数、施工方法、施工工艺以及各工序施作的时间等的检验和修正，贯穿于整个施工全过程。经过多年实践总结，检测反馈程序已趋于完善，施工信息反馈工作流程见图：
图 2 信息反馈程序图
二、安全监测分析
2.1 安全监测报警
基坑工程监测预警判断分析原则如下： ①将阶段变形速率及累计变形量与控制标准进行比较，如阶段变形速率或累计变形值小于预警值，则为正常状态，如阶段变形速率或累计变形值大于预警值而小于报警值则为预警状态，如阶段变形速率或累计变形值大于报警值而小于控制值则为报警状态，如阶段变形速率或累计变形值大于控制值则为控制状态，需进行抢险工作。 ②如数据显示达到警戒标准时，应结合巡视信息，综合分析施工进度、施工措施情况、基坑围护结构稳定性、周边环境稳定性状态，进行综合判断； ③分析确认有异常情况时，应立即通知有关各方。
一级报警：一个建筑物中，有多个效应量控制着基坑安全，如基坑变形、钢支撑应力等，当一个效应量变化异常，其测值大于 3 倍均方差控制门限时，做为
一级报警，向业主、设计监理部门报告，并分析其异常原因，注意其发展趋势。
二级报警：当多个效应量变化异常，其测值均大于 3 倍均方差门限时，做为
二级报警，立即向业主、设计监理等部门报告，并分析其原因，建议采取措施以保证工程安全。
三级报警：当多个效应量变化异常，并超过 3 倍均方差控制门限，且其变化速率在加快，出现这种情况，做为三级报警，同时还表明事故发生不可避免。立即通知业主、设计监理等部门做出处理应急措施。
2.2 明挖法施工地层与围护结构稳定措施
（1）一般措施
明挖基坑对周围环境的影响及围护结构的稳定与围护结构的形式、基坑宽度、开挖深度、地层条件、围护结构的入土深度、支撑设置、施工速度、施工技术措施有关。因此，为减小明挖基坑对周围环境的影响及确保围护结构稳定采取的一般措施主要如下：
a.及时支撑（或拉锚）与预加轴力。日本东京某基坑工程对支撑的及时性效果做了试验。未及时做第一道支撑的墙体最大水平变形为 3cm，而及时支撑的墙体最大水平变形只有 1cm。另外， 支撑设置以后，必须及时施加轴力，这不但能保证支撑顶紧墙体，减少墙体变形量，而且也改善了墙体受力条件。
b.支撑预加轴力的大小取决于地质和施工条件，原则上应加到最大限度。日本曾规定施加的轴力应相当于静止土压力，因为这样能使墙体变形最小。基于我国的实际情况，应加到支撑轴力的 70%左右。同时，为了尽量减少各种变形，第一道支撑位置应尽量偏高，底撑位置应尽量放低。
c.分段分层开挖及开槽架设支撑。基坑开挖充分考虑基坑开挖时的“时空效应”,针对基坑工程开挖遵循“分层、分段、对称、平衡、适时”的原则，严禁超挖，尽量缩短工期，减少暴露时间。当基坑的长度较长时，不要采取大面积的长条形开挖，而是应当采取分段开挖、分段支撑的办法，以利用基坑的空间效应达到减少变形提高基坑稳定性的目的。分段长度视具体情况而定，一般为 20~30m 为好。在控制地表沉降有严格要求的情况下，应采取开槽设支撑的办法，即在未挖到该层支撑水平面时，先挖安装支撑的沟槽，在安装好支撑并施加轴力后，再将沟槽旁的土层挖去，然后再继续往下挖。
d.增加围护结构入土深度。增加围护结构的入土深度无疑能减少围护结构的水平变形、基底隆起、地表沉降，从而减少对周围环境的影响。
e.加快施工速度。加快施工速度，减少基坑暴露时间，能有效减小地层移动，尽可能减小意外因素对基坑的影响，同时可以减小因地层蠕变、流变性等引起的地表沉降。因此，在基坑开挖到设计标高后应立即敷设垫层。绑扎钢筋浇筑地板混凝土。如果施工速度过慢，软土层的流变性将使地层移动明显增加，引起过大地表沉降。根据某软土地区基坑实测资料统计，如果支撑架设时间超过 8h，在架设第二道支撑时地表沉降增加 2.3mm/d；再如日本现场实测资料，基坑开挖后不到 10d 的时间，基坑隆起量增加约 50%。
（2）辅助施工措施
a.基底加固。基底加固的方法很多，如井点降水、压密注浆、搅拌桩、旋喷桩、石灰桩、树根桩、地下墙等。无论采用哪种方法都需要在基坑开挖两周以前进行，以避免因扰动地层而增加变形。地基加固可在基坑外或基坑内进行。基坑外加固可以减少对挡墙的主动土压力，但因工程造价关系，一般只是当基坑邻近有建筑物或地下管线时才进行。在基坑内加固，特别对基底以下的地层进行加固，能达到既经济又有效的目的。据 B.B.Broms 的计算，对基底进行了 3m 厚的压浆加固（基底为软黏土），能使墙体的水平位移及地表沉降减少约 50%，支撑内力减少约 40%，基底隆起减少约 35%。他还做了 6m 加固的比较发现加固 6m 厚的各项指标仅比加固 3m 的减少 10%~20%，因而他得出结论，认为加固 3m 厚是经济合适的。但是根据上海工程实践的情况，延安东路越江隧道 106 号地下连续墙工程与地铁区间隧道 109 号地下墙工程相比，墙外都有建筑物，109 号工程基底只加固了 3m，它的地表沉降值与深度之比为 0.54%，而 106 号工程的基底加固9~10m，它的沉降值大为减少，仅有 0.1%~0.2%。由此可见，对于上海那样的软弱土层，特别是地下连续墙底以下的土体很软弱时，地层加固厚度的增加，其效果是明显的。沿基坑宽度方向，间隔地在各幅地下墙接头处，在基底标高以下，筑深度略超过地下墙底的支撑地下墙，对减少墙体变形、基底隆起、地表沉降是很有效的。
b.基坑内降水。在基坑内部降水有利于施工操作，更因降水固结提高了基底下土体的强度，因此能减少基坑隆起和墙体变形，提高基坑稳定性。但是应注意，坑内的降水漏斗不要超过墙底，以免造成墙外地层的固结沉降。按以往工程经验，井点滤管底至少高于地下墙底面 1.5~2m。对于可能会产生较大隆起或突涌的基坑，还应降低承压水头。
c.帷幕注浆。为保护墙外的地下管线、构筑物和地表建筑物，可在墙外筑一道帷幕。帷幕可采用灌注桩、旋喷桩、树根桩、压力灌浆、冻结法等办法。在需要进行墙外降水的情况时，可在帷幕内降水帷幕外回灌水，以减少地层移动范围。
三、火车北站监测信息反馈及安全分析案例
3.1 2011 年 2 月 23 日火车北站 A 区基坑测斜监测报警
2011 年 2 月 23 日，施工监测发现，A-CX10 监测孔近 5 日监测数据最大变化达 10.78mm，近 5 日变化速率最大达 2.16mm/d （9.5m 深处），超过报警值 2mm/d的变化速率，监测方立即发出了报警，并通知各方。该处 2 月 23 日开挖深度约8.5m，已经安装了第二层钢支撑
图 3 CX10 监测点位置示意图
经过监测数据的综合分析及现场的施工情况，近日快速的开挖而支撑架设不及时，以及基坑两侧近距离的堆载是主要原因，从监测数据看，CX10、CX11在 2 月 19 日至 2 月 23 日变形持续增大，其中 CX10 近 5 天平均变化速率最大达2.16mm/d （施工方监测数据显示最大 1.29mm/d）（图 11-8）， CX11 近五天最大达1.12mm/d，NL06、NL07、NL08 监测点 8.9m 深度的测点均在 2 月 19 日之后持续增大（图 11-10），最大达 15.57kN，与 CX10 在同一断面的 ZL5-1 及 ZL5-2 （施工方监测测点）在 2 月 19 日之后也明显增大（图 11-9）。
因此，快速的开挖而未及时加撑，同时又有大量的土体堆积在仅靠基坑边缘3m 的地方，造成超载，增大的围护桩后的侧向土压力，使围护桩发生了较大的变形。
图 4 A-CX10 变化曲线
图 6 桩内力监测点 A-NL06、NL07、NL08 变化曲线
在发出报警之后， 监测方、 施工单位总工程师及专业监理工程师一同在现场研究处置措施，施工单位总工程师当场停止该处土体的开挖，尽快的调集装载车清理基坑边的堆土，在条件允许下，优先安装该处的第三层支撑。同时监测方对该段进行加密监测，重点关注。
综合分析监测数据，A 区基坑中部变形、应力应变等普遍变化较大，建议施工单位第三层支撑的安装从中部向两端进行。
3.2 2011 年 4 月 10 日火车北站 A 区测斜监测报警
2011 年 4 月 10 日，监测方发现，火车北站 A 区基础测斜监测点 A-CX11、ACX04 相对于 4 月 9 日日变化量超过报警值 2mm/d，其中 A-CX11 日变化最大为 4.53mm，A-CX04 日变化最大为 2.54mm，监测方发出了报警，并通知现场总监理工程师、专业监理工程师施工单位总工程师及地铁公司安质处监控中心。
A-CX11 与 ACX04 位于 A 区基坑中部 A2-1 区段，该两监测孔属同一断面的监测点，目前该段第四层土体开挖几乎结束，第五层土体部分开挖，而支撑仅仅安装至第三层（双拼、钢支撑），因此，支撑的安装严重滞后是该段围护结构深层水平位移变化增大的主要原因。
报警通知发出后监测方建议施工单位立刻停止开挖，首先对第三层支撑预应力进行补加，然后尽快安装第四道支撑。 监测方进行了加密监测，平均监测频率为 1 次/2 小时，并及时将监测数据以短信及书面形式报告各方。施工单位在当天晚上进行了第三层支撑预应力的补加，效果较明显， CX10 监测孔停止了正向（向基坑内侧）的位移，并开始负向（基坑外侧）位移，至 4 月 11 日凌晨负向位移最大为-2.87mm，施工单位当晚还进行了第四层钢支撑的的安装准备工作，主要是钢围凛的安装。 4 月 11 日全天施工单位进行了超挖段第四层钢支撑的安装（34道至 42 道），至下午 17:00 完成了全部的钢支撑安装及预应力的施加；A-CX11监测数据整体变化趋势为负向，并趋于稳定，下午 11:30 至 18:30 平均变化速率为-0.22mm/h，数据趋于稳定。A-CX04 今日变化很小，平均变化量为 0.18mm,同样趋于稳定。
至 2011 年 4 月 11 日下午 17:00，A 区基坑在采取有效措施之后，并且各项措施达到的预期的效果，随后基坑变形稳定，报警解除。
