超大圓環(huán)內支撐變形自動化監(jiān)測與分析

張西平，劉俊生，趙升峰

(南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇南京 210019)

1 引言

近年來，自動化監(jiān)測技術的應用范圍越來越廣泛，應用程度也更加深入。自動化監(jiān)測技術的普遍應用，極大地把監(jiān)測員從繁雜的體力勞動和不安全的工作環(huán)境中解放出來，顯著地改善了人類的工作環(huán)境和提高了人類的生活質量，而且自動化監(jiān)測可以克服常規(guī)監(jiān)測方法涉及設備多、布點要求高、所需觀測人員多及監(jiān)測成本大等弊端［1］。不僅如此，自動化監(jiān)測技術的應用，還明顯地增強了監(jiān)測數(shù)據(jù)的說服力［2］。

基坑工程自動化監(jiān)測方面，付艷華［3］分析了地鐵隧道自動化監(jiān)測系統(tǒng)的組成以及工作原理，并通過實踐表明自動化監(jiān)測可以真實反映出隧道結構的變形情況。胡仲春［4］通過專門的數(shù)據(jù)采集裝置進行自動接受、采集、傳輸和處理，遠程監(jiān)控基坑的地表位移、深部變形和相應的變形速率等，實現(xiàn)了對基坑支護體系變形發(fā)展的動態(tài)監(jiān)控和預報。劉沛［5］利用高精度自動全站儀的自由設站加極坐標法對一級基坑進行變形監(jiān)測，結果表明自動全站儀在變形監(jiān)測中是快速的、準確的。周二眾［6］采用自動數(shù)據(jù)采集技術、數(shù)據(jù)傳輸技術、數(shù)據(jù)存儲技術以及數(shù)據(jù)分析處理技術，實現(xiàn)了對深基坑自動智能化監(jiān)測。鄭加柱［7］開發(fā)出了深基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)了深基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)管理、分析、查詢及三維動畫顯示等功能。翟萬雨［8］使用測量機器人對運營隧道進行自動化監(jiān)測，并介紹了方案設計、監(jiān)測方法、數(shù)據(jù)處理等重要過程。

本文借鑒已有研究，以南京新城科技園國際研發(fā)總部園為對象，介紹了用于該工程內支撐變形監(jiān)測的先進儀器的性能、使用方法以及由這種儀器組成自動化監(jiān)測系統(tǒng)的方式。對超大圓環(huán)型內支撐在施工過程中的變形進行了數(shù)據(jù)采集和處理，得到一些有益的數(shù)據(jù)，可為今后類似的監(jiān)測提供一些借鑒。

2 項目背景

2.1 工程概況

擬建工程地上建筑由3幢24層綜合樓、2幢20層綜合樓、2幢16層綜合樓以及1幢3層創(chuàng)意廊組成;地下為2層地下車庫?；用娣e約 57500 m2，基坑總延長米約 965 m，開挖深度 9.20 m～13.50 m，基坑南北向邊長約 250.00 m，東西向邊長約 240.00 m。

2.2 環(huán)境概況

北側為1幢3層建筑物，為待拆遷建筑物，且地下室外墻距離該側用地紅線約為 3.0 m;東側用地紅線外側距離地下室外墻約 20 m處有幾棟建筑物;南側奧體大街，距離地下室外墻線最近距離約為 20 m;西側泰山路，距離地下室外墻線最近約 15 m?；游鱾?、南側道路下埋有較多在基坑開挖影響范圍之內的管線。

2.3 地質概況

擬建場地地表層為人工填土，其下主要由全新世晚期沉積的灰黃、灰色粉質粘土，淤泥質土以及粉土、粉砂、粉細砂等組成，下部為上更新世沉積的含礫中粗砂，底部為基巖。支護設計計算所采用的土層主要物理力學性質參數(shù)如表1所示。

土層主要力學參數(shù) 表1

擬建場地巖土層自上而下分述如下:

①～1雜填土:松散，層厚 0.4 m～3.6 m;①～2素填土:可～軟塑，層厚 0.2 m～3.0 m;①～2a淤泥質填土:流塑，層厚 1.5 m～2.6 m;②～1粉質粘土、粘土:軟 ～可塑，層厚 0.0 m～2.6 m;② ～2粉質粘土、淤泥質粉質粘土:流塑，局部軟塑，層厚 6.3 m～13.8 m;②～3淤泥質粉質粘土、粉質粘土:軟～流塑，層厚 5.4 m～25.6 m;② ～4粉細砂:中密，層厚0.0 m～20.2 m;②～4a淤泥質粉質粘土:流塑，層厚0.5 m～4.3 m;② ～5粉細砂:密實，層厚 13.2 m～21.6 m;② ～5a淤泥質粉質粘土，層厚 0.6 m～7.3 m。

2.4 水文概況

勘探深度范圍內所揭示的地層均為含水層。地下水的水理特征絕大部分屬于潛水性質，但由于場地含水層中上部①層填土、②～1、②～2和②～3層粘性土和下部②～4、②～5層砂性土滲透性差異大，呈典型的“二元結構”特征，下部砂性土中的地下水具弱承壓性。下部承壓含水層水頭埋深在地面下 1.55 m～2.10 m，高程為 4.80 m～4.85 m。由于場地孔隙潛水與下部弱承壓水之間無良好的隔水層，其水位相近，弱承壓水頭高程較潛水位略低，水位隨季節(jié)不同有升降變化，年變幅在 0.5 m左右。

2.5 基坑支護型式

本基坑工程采用順做法施工，根據(jù)場地土層性質以及基坑周邊環(huán)境保護要求，圍護體采用Φ900@1100、Φ1100@1300及 Φ1200@1400鉆孔灌注樁結合外側Φ700@500雙軸水泥土攪拌樁止水帷幕的形式，豎向設置二道混凝土圓環(huán)形支撐。

3 環(huán)形內支撐自動化監(jiān)測

3.1 自動化監(jiān)測的優(yōu)勢分析

由于傳統(tǒng)的監(jiān)測手段受氣候環(huán)境、人為因素等影響較大，測量誤差無法精確控制，監(jiān)測的及時性也無法保障，故本工程對環(huán)形支撐的變形，采用自動化監(jiān)測的手段實時監(jiān)測。自動化的優(yōu)勢主要有以下幾點:

①監(jiān)測成果全面，應用自動監(jiān)測系統(tǒng)控制測量機器人進行全天候監(jiān)測，獲取真實、完整的結構變形數(shù)據(jù);②穩(wěn)定、快速的通信技術，研發(fā)的RTU(數(shù)據(jù)采集單元)應用了 3 G無線通信技術進行通信傳輸，相比國內目前廣泛使用的 2 G(GPRS)技術，監(jiān)測時間縮短了三分之二，單點單面測量時間 8 s，雙面測量時間20 s;③高精度，百米內三維監(jiān)測成果精度優(yōu)于0.5 mm，監(jiān)測精度實例如圖1所示。④自動化程度高。從數(shù)據(jù)采集、傳輸、穩(wěn)定性分析及平差、短信報警、Web發(fā)布(生成報表)實現(xiàn)全自動化監(jiān)測，其自動化監(jiān)測流程如圖2所示;⑤監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)自動判斷及提醒異?；鶞庶c及監(jiān)測點，保證人工及時補點，同時自動將破壞前的累計位移量統(tǒng)計到補點后的數(shù)據(jù)中去，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性;⑥人工輔助分析。在各階段施工過程中，派專人定期對施工現(xiàn)場情況進行跟蹤記錄，同時亦對周邊鄰近項目進展情況進行跟蹤記錄，結合各項目施工狀況綜合分析支護結構變形的真實原因。采用人工輔助與自動化相結合的監(jiān)測方案，大大節(jié)約了監(jiān)測成本，定期進行人工輔助監(jiān)測，當人工自動化比測成果出現(xiàn)較大差異的時候，立刻由控制系統(tǒng)提高自動化監(jiān)測頻率，及時分析數(shù)據(jù)，找到真實的變形值，為基坑安全提供準確、及時的檢測數(shù)據(jù)與預警預報;⑦短信實時預警。監(jiān)測系統(tǒng)及時將報警值、警戒值分級發(fā)送給相關人員，同時進行人工輔助分析變形原因。

圖1 監(jiān)測精度

圖2 自動化監(jiān)測流程

3.2 自動化監(jiān)測方案設計

本工程環(huán)形支撐變形監(jiān)測使用一套Leica TM30(0.5″，0.6+1 ppm)測量機器人(Georobot)進行自動變形數(shù)據(jù)采集，采用南京市測繪勘察研究院有限公司最新研發(fā)的“南京地鐵隧道結構自動化監(jiān)測系統(tǒng)”進行管理。自動變形數(shù)據(jù)采集設備與自動化結構監(jiān)測系統(tǒng)的高度融合，形成從自動數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、預警預報和數(shù)據(jù)傳輸分發(fā)高度智能的自動化安全監(jiān)測管理系統(tǒng)。圖3為自動化監(jiān)測系統(tǒng)結構圖。

圖3 自動化監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

高程采用相對高程系;平面采用相對坐標系(起算邊方向為Y軸方向，X方向垂直于Y軸方向)。在點位及設備埋設時，統(tǒng)一考慮人工及自動化監(jiān)測設備及點位埋設，盡快實施自動化監(jiān)測。基準點作為變形監(jiān)測的起始依據(jù)，其穩(wěn)定性十分重要?；鶞庶c要求穩(wěn)定可靠，在基坑變形區(qū)外 100 m～300 m布設1個基準點組，基準點組布設8個L型迷你棱鏡;全站儀上架設Leica 360°同軸棱鏡作為基準傳遞點，且在工作基點公共斷面上布設360°小棱鏡基準傳遞點。基準點組布設示意圖如圖4所示。

圖4 基準點布置示意圖

根據(jù)TM30(0.5″，0.6 mm+1 ppm)的標稱精度及實測數(shù)據(jù)的比較分析，我們推算出其在測距 100 m范圍內三維測量精度可達到 1 mm以內，滿足《城市軌道交通工程測量規(guī)范》的相關要求。根據(jù)此項標準，工作基點在基坑南側新城科技園大樓頂部布設一個強制對中支架，用于架設測量機器人進行數(shù)據(jù)采集。

3.3 監(jiān)測點的布設

一道混凝土支撐，沿圓形支撐每 50 m左右設置一組變形監(jiān)測點，每組布設2個監(jiān)測點，分別布設在圓形支撐的內外環(huán)對應位置，一道環(huán)形支撐共布設位移變形點共計24個;受通視條件影響，二道環(huán)形支撐大多被一道支撐遮擋，故其變形監(jiān)測點的布設密度放寬至 100 m左右，二道環(huán)形支撐共布設12個變形監(jiān)測點。測點布設位置及分布情況如圖5所示。

圖5 監(jiān)測點布置示意圖

另外，在一道支撐系統(tǒng)的4個拐角各設置1個臨時觀測墩，每個觀測墩上設置1個變形監(jiān)測點。觀測墩同時作為人工測量的工作基點使用，具體的布點方法如圖6所示。

圖6 監(jiān)測點及觀測墩的布設圖

3.4 基準網(wǎng)測量

(1)基準網(wǎng)高程測量。自動化監(jiān)測垂直基準為基準點組，首次采用任意設站三角高程法與對應位置的人工垂直基準點進行聯(lián)測，以得到各基準點組內8個L型迷你棱鏡的高程，之后由自動化監(jiān)測系統(tǒng)實時觀測。

(2)基準網(wǎng)平面坐標測量。由一個工作基點與基準點組構成監(jiān)測網(wǎng)坐標框架，采用極坐標法獲取基準網(wǎng)初始坐標，其余工作基點的平面坐標依次通過基準傳遞點傳遞與解算獲取，最終閉合至另一基準點組。初始坐標值觀測兩次，每次水平角觀測4個測回，平距觀測2個測回，兩次坐標計算值互差不大于 1.2 mm時，取平均值作為各基準點的初始坐標值。

(3)監(jiān)測點測量。在工作基點上安置測量機器人并與RTU相連接，通過“南京隧道結構變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)”對測量機器人進行基準點、工作基點、監(jiān)測點的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通訊管理(可以多臺測量機器人協(xié)同作業(yè))，首次需進行學習測量，本次使用1臺測量機器人進行觀測，對基坑支護結構進行安全監(jiān)測，實時發(fā)現(xiàn)支護結構的形變，監(jiān)測網(wǎng)測量要求如表2所示。

全站儀型號為LeicaTM30，其主要技術參數(shù)為測角精度為0.5″，測距精度 0.6 mm+1 ppm。初始值應連續(xù)測量兩次，其兩次X、Y、Z較差值小于 1.5 mm時，取中數(shù)作為初始值，反之重測直至符合要求為止。

監(jiān)測網(wǎng)測量要求 表2

4 數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測成果分析

4.1 自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)自動對數(shù)據(jù)進行平差處理及報表生成，具體步驟為:先將監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分類，第一步對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行置信度檢驗，剔除不合理(異常)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，第二步將受基坑開挖影響的數(shù)據(jù)分離出來，第三步留下觀測質量好的數(shù)據(jù)，利用建好的數(shù)學模型進行數(shù)據(jù)處理分別研究支護結構在不同環(huán)境下的變形情況。

各監(jiān)測點在工作基點平差成果的基礎上用支導線的方法計算獲取X、Y、Z，這樣可以更加客觀的反映支護結構變形情況。根據(jù)監(jiān)測點的X、Y、Z值計算平面、垂直位移量，同時計算支護結構差異垂直位移。當個別監(jiān)測點破壞時，應及時布設監(jiān)測點，恢復正常監(jiān)測。

4.2 自動化監(jiān)測成果分析

研究擬定合理的數(shù)學模型，在項目的中后期通過大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)對其進行驗證調試，最終獲得較穩(wěn)定的變形預測模型，對環(huán)形支撐變形趨勢進行預測預報。

圖7(a)、(b)和(c)為同平面相同位置處內外環(huán)支撐變形曲線。由于施工過程中，部分監(jiān)測點位被遮擋，無法測得完成的數(shù)據(jù)，所以在圖7中給出部分完整測試數(shù)據(jù)的環(huán)形支撐變形結果。由圖看出，在基坑開挖過程中，隨著基坑深度的不斷加深，支撐各測點都呈線折線波形，其間支撐變形累計最大為BX1監(jiān)測點，其值達到 8.65 mm。

圖7 同平面相同位置處內外環(huán)支撐變形曲線

從圖7看出，圓形支撐折線波變形，但是同平面同位置內外兩圓環(huán)梁的變形趨勢接近。其相對位移差較小。環(huán)形支撐梁變形，大致是由溫差、施工荷載和軸力荷載引起的，而且前期變形小，后期大，這與基坑開挖加深，支撐軸力加大是一致的，尤以環(huán)形梁徑向桿件梁端及附近為大。

圖8(a)和(b)為同一支撐環(huán)上不同測點處支撐變形曲線。從圖中看出，除了BX1監(jiān)測點個別監(jiān)測頻次中變形較大外，其余各測點變形變化幅度平穩(wěn)。同一圓形支撐上各個監(jiān)測點的支撐變形規(guī)律較一致，總體上反映了環(huán)形內支撐的變形規(guī)律，這與理論計算的結果接近。以監(jiān)測時間間隔和變化量計算分析，平均每天變化量在 0.2 mm以內，非常小，趨于穩(wěn)定。各測點變化量也均很小，都在 －0.5 mm～0.8 mm之間，反映出超大環(huán)形內支撐在基坑應用中是合理的，自動化監(jiān)測的手段也是可行的。

5 結論

(1)基坑支護體系的自動化監(jiān)測系統(tǒng)具有安裝簡單、成本低廉、操作方便等特點，具有良好的實施性和操作性。實時有效地對基坑支撐體系變形進行自動化監(jiān)測和控制，對基坑支護體系的穩(wěn)定有著非常重要的作用。

圖8 同一支撐環(huán)上不同測點處支撐變形曲線

(2)自動化監(jiān)測實現(xiàn)了自動觀測、數(shù)據(jù)實時傳輸、變形趨勢可視化顯示等全自動化作業(yè)，克服了傳統(tǒng)測量方法的不足，極大地提高了工作效率。

(3)隨著地下建設規(guī)模的擴大?；右?guī)模不斷增加，涉及的測量范圍也越來越廣，特別在內支撐變形控制測量方面，自動監(jiān)測已經(jīng)成為必不可少的一種測量方法和手段，發(fā)揮著日益重要的作用。

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