摘要：软土地区基坑开挖过程中存在有较大的变形，对周边的重要构筑物产生较大影响，严重危害铁路的行车安全，对开挖过程中进行监测是保证铁路行车安全和基坑安全的重要手段。本文结合工程实例对软土基坑下基坑开挖过程中的基坑及高铁桥墩监测进行阐述并对监测结果进行分析。
关键词：铁路沿线 基坑 监测 数据分析
1．引言
随着我国经济的高速发展，人们对空间的需求日益加剧，沿海地区地下空间的开采和利用程度已日渐饱和，运营高铁沿线土地成为人们的开发目标，新建基坑周边环境越来越复杂，而基坑开挖必然会引起周边线路及桥墩的不同程度位移。因此，基坑施工中加强对周边环境的保护，维护铁路行车安全显得尤为重要。
基坑施工周边环境安全因素包含：基坑、地表及周边线路沉降及水平位移等。现以上海某工程为例，分析基坑施工过程中，基坑、地表及周边线路沉降及水平的变形情况，揭示各自变形轨迹，为类似工程周边环境变形发展规律预测提供建议。
2．工程概况
新建培训项目选址位于嘉定区，京沪高铁蕰藻浜特大桥北侧，里程K1314+204～K1314+368范围内。地块呈狭长型，北侧为虹桥动车所，南侧为爱特路，东临嘉闵高架，场地内留有废弃土方，堆土高度约为3.5m～4.5m。
新建培训基地项目新建一幢地上二层、地下一层的训练馆，轴线尺寸为：72.5m×18.5m，总建筑面积为3376.46m2，其中：地上建筑面积为：1910.91m2，地下建筑面积为：1456.55m2，建筑檐口高度为7.2m，采用钢筋砼框架结构体系，地下室靠京沪高铁侧钻孔桩+双轴搅拌桩止水帷幕，其余三侧采用SMW工法桩围护，基坑内设一道钢支撑。基底埋深3.9m，本工程±0.000相当于吴淞高程5.2米。主要工程范围包括建筑、结构、给排水、电气、暖通等专业内容。
为评估新建培训基地项目施工过程中，对临近铁路带来的影响，特对京沪高铁蕰藻浜特大桥K1314+204至K1314+368里程范围内，桥墩编号608#～613#(基坑施工范围在京沪高铁蕰藻浜特大桥609#～612#墩之间，两侧各增加一跨，墩号为608#和613#)，进行平面和沉降监测；虹封下行特大桥(K10+921至K11+083)桥墩编号34#～39#，进行平面位移和沉降监测；动车所内临近线路路基进行沉降监测、围墙平面位移和沉降监测；施工期间的基坑监测。
线下监测工作从基坑施工开始至建筑结构封顶结束，基坑监测工作从基坑降水开挖施工开始至地下结构工程浇筑至±0.000m结束。
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图2新建培训基地周边环境示意图
3．监测项目
由于该基坑紧邻京沪高铁运营线，根据本工程监测技术要求和现场施工具体情况，本监测工程按以下要求进行：
根据上海市标准《基坑工程技术规范》（DG/TJ08-61-2010）中相关规定，结合本工程基坑开挖深度、周边环境及地质情况，可以确定本工程深基坑安全等级为二级，浅基坑为三级，环境保护等级为二级，考虑到对铁路既有线路的保护和上海嘉定地区软土的地质环境，因此本工程按照 《基坑工程施工监测规程》 （DG/TJ08-2001-2016）中二级基坑监测等级要求实施监测。
1)平面、高程监测：监测京沪高铁桥墩徐变偏移。
2)线形测量监测：监测京沪高铁线路轨道偏移。
3)基坑监测：对基坑岩土性状、支护结构变位和周围环境条件的变化进行各种观察监测。
4．技术设计
4.1监测方法
4.1.1 基坑监测
1）垂直位移（沉降）
测量基准点在施工前埋设于施工影响范围外，经观测其已稳定时投入使用,监测期间定期联测，检核水准点稳定性。各监测点在施工前，随施工进度及时设置，及时测得初始值。按二级精密水准测量要求作业，技术要求见下表4.1-1，监测精度为0.5mm。
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2）基坑围护体深层水平位移（测斜）
测斜仪的分辨率不应大于0.01mm/m，精度为±0.1mm，拟用仪器见图4.1-1、4.1-2。用测斜仪探头滑轮沿测斜管内壁导槽渐渐放至管底，自下而上每0.5m测定一次读数A0，然后测头旋转180°再测一次得读数A180，即为一测回，由公式Lsinθ=(A0+A180)/2计算各段位移，各段位移累计即可推算出对应测斜管内各点围护体侧向变形水平位移值。
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图4.1-1 测斜仪原理图 图4.1-2 TL-03D测斜仪
初值测定方法为测斜管在基坑开挖前2周埋设完毕，在开挖前的3～5天内复测2～3次。待判明测斜管已处于稳定状态后，取其平均值作为初始值。
操作步骤：①、探头在管底稳定数分钟或更长的时间（主要是消除探头与水的温差），待读数稳定后，再按每0.5m的点距由下往上逐点进行读数。②、采取0°、180°双向读数。规定0°方向读数时探头高轮位置靠近基坑一侧。③、经常校对点距（记录深度）。④、探头沿侧斜管内壁导槽上拉、下滑要匀速，不得冲击孔底。⑤、测点的读数稳定后，方可记录存储。⑥、墙顶测斜是假定孔顶为不动点，故测量的数据为相对的，因此需对孔顶平面位移（利用同部位围护墙顶水平位移）值进行修正。
3）基坑外地下水位
测量方法应采用水准测量方法联测各水位孔口顶高程，利用水位计测试出水位面到管顶的深度，可知水位面每次的高程，从而计算本次的变化量和累计变化量。地下水水位监测值精度为±1cm。地下水位管埋设后，应逐日连续观测水位，取至少3天稳定值的平均值作为初始值，地下水位变化量为本次监测值与初始值之差,计算公式如下：
H水=H孔口-h深 dh水i=H水i-H水i-1 Dh水i=(dh水1+dh水2+…+dh水i)
式中：H水—水位高程； H孔口—管口高程； H水i—本次水位高程；
H水i-1—上次水位高程； h深—地下水位深(管口到管内水面之深度)；
dh水i—本次水位变化； Dh水i—累计水位变化
4）支撑轴力
钢筋混凝土支撑轴力监测传感器采用钢筋应力计。钢筋绑扎时，在被测断面的左右两侧埋设钢筋应力计，支撑受到外力作用后产生微应变，其应变量通过振弦式频率计来测定。混凝土凝固后，每天对钢筋应力计进行测量，直到连续三天测试数值保持稳定，将测量值的平均值做为钢筋应力计初始频率f0。在基坑开挖过程中按一定监测频率测量应力计频率变化，通过频率变化计算支撑轴力和围檩内力，计算公式如下：
NC=σs(EC×AC/ES+AS)=（EC×AC/ES+AS）
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Nc——支撑轴力（kN）；σs——钢筋应力（kN/mm2）；
——钢筋计监测平均应力（kN/mm2）；
kj——第j个钢筋计标定系数（kN/Hz2）；Ajs——第j个钢筋计截面积（mm2）；
Fji——第j个钢筋计监测频率（Hz）；
Fj0——第j个钢筋计安装后的初始频率（Hz）；
Es——钢筋弹性模量（kN/mm2）； EC——混凝土弹性模量（kN/mm2）；
AC——混凝土截面积（mm2）；AC=Ab-AS Ab——支撑截面积（mm2）
As——钢筋总截面面积（mm2）。
4.1.2 变形监测
监测点观测均按《建筑变形测量规范》（JGJ 8-2016）规定的一等技术要求观测，主要技术要求是方向观测中误差±1.8″，距离观测中误差±1.0mm，相邻点的相对点位中误差±1.0mm。观测主要技术要求见下表：
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根据实际工作经验，基准点及工作基点采用自由设站（后方交会）法比较容易操作，使用高精度的测量仪器，按相应技术规程作业，容易达到监测精度要求。将所布设的工作基点架设仪器，以布设的基准点为已知点，观测角度和距离来确定工作基点的成果。测量采用徕卡TS30或同精度等级全站仪，测角精度±0.5″，测距精度0.6mm+1ppm×D。可按下式估算导线相邻点的相对点位中误差：
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式中：——测距边长；
——测角中误差（″）；
——测距相对中误差（mm）。
按边角组合方法施测，测角中误差±0.6″，测距中误差为±0.6毫米，于是得到观测基准点（工作基准点）相邻点的相对点位中误差 为±0.82毫米，小于规范要求的±1.0mm的要求。变形监测点水平位移观测根据现场条件，采用测边角法。在选定的水平位移监测控制点上安置全站仪，精确整平对中，后视其它水平位移监测基准点（或工作基点），测定监测点与监测基准点（或工作基点）之间的角度、距离，采用中铁一院通用地面网数据处理软件（FSDI-GDPAS）或武汉大学开发的“科傻系统CODAPS”软件处理计算各监测点坐标，本次监测区域较小，监测数据不进行高程归化改正和投影改正。本监测区域京沪高铁、虹封下行特大桥、动车所京沪场Ⅰ道基本平行，横向分量采用Y变化值表示。
4.2监测点布设
1)平面监测
水平（横向）位移监测点埋设采用专用的不锈钢标志，标志直径为16mm，长度50mm，横向钻孔布设，并采用高强度粘合剂锚固。监测点测量时，安装专用测量杆及Leica圆棱镜进行作业。平面监测点布设在桥墩墩顶，京沪高铁桥墩监测点布设在虹桥方向右侧、虹封下行桥墩监测点布设在虹桥方向左侧，每个桥墩布设一个监测点。具体见图4.2-1。
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图4.2-1水平监测点位布设示意图
2)高程监测
沉降测量采用专用的不锈钢标志。横向钻孔布设，并采用高强度粘合剂锚固(点位布设距离墩顶8.3m位置)。对于不允许在桥墩打孔布设新点。为保证监测工作的连续性和监测点位及数据的连贯一致性，本次桥墩监测标志采用黏贴式数字条码标志(条码贴布设距离地面约1.5米位置)，左右桥墩各一个，单个桥墩布设桥墩两侧，布设正对两跨桥墩中间以便于观测。监测过程加强标志维护与检查，如发现标志老化，立即更换新标志，并进行测点转移数据处理。
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图4.2-2沉降监测点位布设示意图
3)线形测量监测
线形测量点位采用沿线CPIII组成轨道控制网。
4)基坑监测
①周边地表垂直位移监测
东、西、北、南侧按20m布设10个地表沉降监测断面。每个沉降断面5点，点间距2m，共计布设50个地表沉降观测点。测点的布置一般采用地表桩的形式，沿基坑外边沿布沿垂直基坑变形布置成断面形式。采用小螺钻打80～100cm深孔，孔径不宜小于90mm，灌入混凝土后再插入钢筋，钢筋顶端焊接十字圆头测量标志点，作为测量标志，但测点不能高于道路路面。地表垂直位移监测点布设方法将顶部焊有十字圆头测量标志的钢筋或测钉直接打入地表土层内，作为测量标志。
②围护墙顶垂直及水平位移监测
水平位移、垂直位移（沉降）监测采用共用点，并布置在冠梁（压顶）上，监测点间距不宜大于20m，关键部位宜适当加密，且每侧边监测点不少于3个，视现场情况，在两根支撑的中间部位或侧向变形（测斜）监测点上的基坑围护压顶上敲入顶面刻划“+”的道钉或钻孔放入顶面刻划“+”的膨胀螺栓,本工程共布设25个监测点，编号分别为W1-W25。
③围护体深层水平位移（测斜）监测
在围护体或坑外土体内用钻机钻孔放入外径70mm，内径55mm，内壁刻有十字滑槽的的测斜管，测斜管的一对滑槽要垂直指向基坑方向。上下管口用盖子密封，安装完成以后立即灌注清水，防止泥浆渗入管内，测斜管口设置可靠的保护装置。当采用钻孔法埋设时，测斜管与钻孔之间的孔隙应填充密实,本工程共布设25个监测孔，编号分别为CX1-CX25。
监测点宜布置在围护墙中间部位，布置间距宜为20～50m，每侧边监测点至少1个；围护体测斜管深度宜与围护墙（桩）入土深度相同，土体测斜管深度比围护墙（桩）深5m。
④坑外地下水位监测
先在土体内钻孔至设计深度，孔径100mm，然后将管径为53mm的PVC带有用土工布裹住进水孔（呈梅花形布置）的水位管，再于管外回填中粗砂至进水段上方30cm，其上方回填黏土封孔，管口设必要的保护装置。本工程共布设7个监测孔，编号分别为SW1-SW7。
监测孔宜布置在邻近搅拌桩施工搭接处、转角处、相邻建（构）筑物处、地下管线相对密集处等，并宜布置在止水帷幕外侧约2m处；间距宜为20～50m，水文地质条件复杂处适当加密；观测管埋置深度宜为6～8m。
⑤支撑轴力监测
监测点宜布置在支撑内力较大的支撑上；每道支撑内力监测点不应少于3个，并且每道支撑内力监测点的位置宜在竖向上保持一致；对钢筋混凝土支撑，每个截面内传感器不宜少于4个；对钢筋撑，每个截面内传感器埋设不应少于2个；钢筋混凝土支撑和H型钢支撑内力监测点宜布置再支撑长度1/3部位。钢管支撑采用反力计测试时，监测点宜布置在支撑端头；采用表面应变计测试时，宜布置在支撑长度1/3部位。
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图4.2-3基坑监测点位布设示意图
5．监测预警机制
基坑开挖施工监测中，任意监测项目都需确定唯一的报警值，当其实测值及变化值达到该报警值时，就可能对施工和周边线路行车安全构成威胁，此时需要及时向设计、监理、工务和施工单位书面通报，以使各方面严密关注和制定应对措施。根据设计要求和有关铁路规范的规定，并参照以往的工程实践经验，确定上述各监测项目的报警值如下:
1)平面、高程监测
高铁无砟道路路基和桥梁桩基沉降或横向位移不得超过1mm、有砟轨道铁路路基水平横向位移或垂向位移变化速率大于2mm每天(施工时间大于3天后按最近3天平均值计算)，或累计水平（或垂直）变化量大于10mm应暂停施工，项目建设单位应及时组织施工、监理等单位有关人员进行分析，查明原因，采取相关措施，待路基稳定后方可继续施工。发现路基或桥梁设备有突变现象时应立即停止施工，启动相关应急抢修预案进行抢修。
2)线形测量监测
单次月变化量大于5mm，或3个月累积变化量达到5mm时，应在24小时内出具预警简报。
3)基坑监测
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6．数据分析
1)基坑数据分析
①地表位移监测数据分析
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图6-1 基坑区域地表位移累积变化曲线图
基坑周边地表最大沉降为-14.81mm，发生在DB7-1处，最终最大沉降为-14.81mm，发生在DB7-1处。
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图6-3 基坑区域围护水平位移累积变化曲线图
基坑区域围护墙顶最大沉降为-8.00mm，发生在Q23处，最终最大沉降为-8.00mm，发生在Q23处；最大水平位移为6.5mm，发生在Q22处，最终最大水平位移为4.50mm，发生在Q19处。
②水位监测数据分析
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图6-4 深坑区域坑外地下水位累积变化曲线图
基坑开挖期间坑外水位整体变化较小，随着基坑土方开挖，水位逐渐降低。基础底板浇筑完成后变化趋势减缓，地下结构施工期间变化较平稳且水位有回升趋势。整个基坑施工期间围护结构没有发生重大的渗漏情况，基坑降水及开挖对周边地下水影响不大。
③支撑轴力监测数据分析
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图6-5 基坑区域支撑轴力累计变化曲线图
在基坑挖土期间，支撑受力变形趋势较为明显。其中在最后一次挖土方期间，支撑轴力ZL1突然变大，超过报警值。我方经过复核确认后发出报警通知。并在报警后24小时内每小时监测一次，发现ZL1数据变化逐渐稳定，后经与施工方开会研究确定原因为施工方挖掘机在施工过程中对此轴力所在钢支撑有碰撞，可能导致支撑轴力有不可逆的影响。从后期监测数据来看，轴力数据在底板浇筑完成后变化幅度较小，较规律。
④深层水平位移（测斜）监测数据分析
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图6-7深坑区域深层水平位移CX20累积变化曲线图
基坑挖土期间，随着基坑卸载的加大，围护墙体变形趋势渐趋明显。底板全部浇筑完成后，变形趋势减缓，地下结构浇筑完成后变形趋于平稳。支撑拆除期间，冠梁垂直基坑方向受力减弱，所在区域有一定变形影响，后期随着主体结构的施工和增加荷载，变形逐渐稳定。
2)高程平面数据分析
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图6-9611#桥墩沉降变化曲线图
监测表明，基坑开挖破坏了土层的结构稳定性，前期基坑地表施工，破坏较小，桥墩横向及沉降变化较小，属于软土地层的正常变化，基坑开挖期间土层稳定性被完全破坏，如图表所示。京沪高铁临近基坑桥墩横向急剧变化，向基坑方向移动，同时由于基坑卸载增加导致土层侧向压力不平衡，土层在桥墩作用下加剧向基坑偏移，桥墩沉降增加，更进一步导致桥墩横向位移，因此在基坑开挖期间桥墩横向偏移明显。基坑回填后，土体卸载恢复，侧向压力平衡恢复，桥墩由于土体挤压而隆起，沉降程度有所恢复，横向偏移速率减缓并趋于稳定。
3)预警情况分析
2019年10月9日基坑钢板桩拔除，基坑失去钢板桩支撑松软土层急剧移动，基坑一次预警，现场分析更改方案后保留钢板桩并施工，后于基坑开挖土方时导致卸载增大二次预警，建设单位移除基坑周边严重堆载、限制重卡同行并加装稳定钢支撑，基坑再次趋于稳定。综上其主要原因如下：
①该浅基坑处于嘉定地区，为缺失第一硬土层的土体结构类型区，缺乏硬土支撑，在堆载下极易偏移。
②开挖速度过快，未按原定计划分层分段开挖且未及时架设钢支撑。
③土方开挖时，基坑边高铁侧堆载较大，导致土层侧压力不均匀。
7．结论
建设、监理、工务、施工单位重视监测，根据监测预警情况在后续的施工中及时调整施工方案、架设钢支撑；该武警基地基坑目前已顺利竣工，并投入使用。 通过该基坑的监测，对基坑监测方面总结如下：
1)基坑开挖过程中，通过加强和完善对基坑围护体和周边环境如铁路桥墩，线路的变形观测，及时反馈各变形体的变形信息，是指导现场施工，确保基坑工程及周边环境安全的重要保障。
2)在基坑施工过程中，存在许多综合因素共同影响基坑和周边环境，对铁路行车安全产生巨大影响，合理的施工流程、及时的应对措施，可以有效抑制基坑及周边环境变形发展。一旦监测出现报警，需对监测数据进行仔细比对、分析，去伪存真，及时向各建设单位、监理单位、工务及施工单位发送预警报告，充分发挥监测工作的“眼睛”作用。
3)开挖过程中应重视监测工作，加强对监测点的保护，确保监测数据的延续性，同时应保证监测信息反馈的及时性；当发生预警时，应及时停止作业并进行分析，采取合理的对策确保工程及周边环境的安全。
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