自動化測斜儀在地鐵基坑水平位移監(jiān)測中的應(yīng)用研究

酈 亮，謝長嶺，馮立力，彭自強(qiáng)

(1.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315101； 2.浙江華展工程研究設(shè)計院有限公司，浙江 寧波 315000；3.基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測與評估國家地方聯(lián)合工程研究(江西飛尚科技有限公司)，江西 南昌 330200)

現(xiàn)行基坑內(nèi)部水平位移監(jiān)測主要有傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方法和在線監(jiān)測方式。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測存在監(jiān)測頻率有限、工作效率低、受氣候和時間限制、無法實現(xiàn)全天候?qū)崟r測量等不足；自動化在線監(jiān)測能實時采集數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)并實時預(yù)警[1-2]。為了研究自動化測斜技術(shù)在地鐵基坑墻體深層水平位移監(jiān)測中的效果與可行性，現(xiàn)以某地鐵基坑圍護(hù)連續(xù)墻變形監(jiān)測為依托，通過與傳統(tǒng)人工測斜監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，了解基坑墻體深層水平位移的變形規(guī)律，評價固定式測斜自動化監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用在地鐵基坑墻體深層水平位移監(jiān)測中的效果與可行性，對固定式測斜自動化監(jiān)測技術(shù)和傳統(tǒng)人工測斜監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用在地鐵基坑墻體深層水平位移監(jiān)測中的表現(xiàn)效果與規(guī)律進(jìn)行對比分析評價。

1 工程背景

寧波市軌道交通4號線白鶴站車站主體基坑寬19.7～24.5 m，長約346.17 m。東端頭井基坑深為18.93 m，類矩形盾構(gòu)接收井處基坑深為19.89 m，單圓盾構(gòu)接收井處基坑深為19.79 m，寬9.9～10.1 m；標(biāo)準(zhǔn)段基坑深16.70～17.01 m，寬5.8 m。采用局部蓋挖順作法施工，圍護(hù)型式為地下連續(xù)墻圍，83351部隊招待所房屋前采用厚1 000 mm的地下連續(xù)墻，其余均采用厚800 mm的地下連續(xù)墻。沿基坑深度布置1道鋼筋混凝土支撐+4道鋼支撐，端頭井加深段增設(shè)1道鋼支撐?；娱_挖斷面如圖1所示。

圖1 基坑開挖橫截面Fig.1 Cross-section drawing of foundation pit excavation

2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 測點(diǎn)布設(shè)及傳感器選擇

在白鶴站車站主體基坑北側(cè)中部選取地連墻(WN-45)作為試驗段，該區(qū)域周邊環(huán)境簡單，無暗浜等不良地質(zhì)，受施工機(jī)械影響較小，是較為理想的監(jiān)測段[3-4]。在WN-45中布設(shè)人工監(jiān)測點(diǎn)CX8和自動化監(jiān)測點(diǎn)孔1。監(jiān)測點(diǎn)布置如圖2所示，自動化監(jiān)測中圍護(hù)墻深層水平位移監(jiān)測采用導(dǎo)輪式固定測斜儀，人工監(jiān)測采用手持式導(dǎo)輪式測斜儀，地下連續(xù)墻編號WN-45(CX8)，深度為36 m，觀測垂線上測點(diǎn)的間距為1 m，布設(shè)測點(diǎn)35個，人工監(jiān)測測量間距為0.5 m，傳感器選擇見表1。

圖2 深層水平位移測點(diǎn)布設(shè)立面Fig.2 Deployment elevation of deep horizontal displacement measuring points

表1 設(shè)備技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical index of the equipment

2.2 采集傳輸系統(tǒng)

現(xiàn)場導(dǎo)輪式固定測斜儀安裝采用串聯(lián)連接形式。完成導(dǎo)輪式固定測斜儀安裝測點(diǎn)布設(shè)后，需要安裝無線節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)關(guān)，使定時采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS傳輸至云平臺，然后使用計算機(jī)或手機(jī)登錄相應(yīng)賬號實時查看每個測點(diǎn)的深層水平位移值。數(shù)據(jù)采集時間為30 min。無線節(jié)點(diǎn)定時喚醒后采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)中，網(wǎng)關(guān)通過GPRS把數(shù)據(jù)無線傳輸至云平臺進(jìn)行存儲和分析，然后就可以在云端查看鋼支撐軸力的實時連續(xù)數(shù)據(jù)。

2.3 監(jiān)測周期及頻率

項目監(jiān)測周期約為6個月，自基坑土方開挖開始至支撐拆除完成。采集頻率見表2。

表2 采集頻率Tab.2 Acquisition frequency

其中，固定式測斜自動化監(jiān)測為全天候?qū)崟r自動化采集。

3 監(jiān)測結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 孔1自動化與孔CX8人工監(jiān)測測斜分析

3.1.1 孔1自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

孔1在Y方向不同深度的位移變化趨勢如圖3所示，孔1在Y方向不同深度位移變化箱型如圖4所示。

圖3 Y方向位移變化趨勢Fig.3 Change trend of displacement in Y direction

圖4 Y方向位移箱型Fig.4 Displacement box diagram in Y direction

從圖4中可以看出，孔1-1—孔1-13單個測點(diǎn)數(shù)據(jù)全為負(fù)值、孔1-13—孔1-17監(jiān)測數(shù)據(jù)有正有負(fù)、孔1-17—孔1-33數(shù)據(jù)全為正。單個傳感器從孔口到孔底呈現(xiàn)先為負(fù)、再負(fù)正，再全為正的整體規(guī)律，說明單個測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性。即單個傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，確保了單個測點(diǎn)累加后累計位移的有效性。

孔1 在Y方向每個測點(diǎn)的累計位移變化趨勢如圖5所示，從圖5中可知，每個孔的累計位移值趨勢均相近，累計位移變化值大多數(shù)均為非負(fù)數(shù)，即每個測點(diǎn)的累計位移在不斷增大，除了極少數(shù)時間段外，累計位移變化率均小于2 mm/d，大多數(shù)時間段累計位移變化率在1 mm/d。累計位移變化率在2018年10月19日—10月25日增大后有趨于平穩(wěn)；2018年11月2日—11月6日累計變化率有所增大，并大于1 mm，然后又開始減?。?018年11月15日—11月20日累計位移增大并大于1 mm，之后又趨于穩(wěn)定。2018年12月1日—2019年1月5日，累計位移變化率大于1 mm/d；從2019年1月5日后，位移變化率逐漸趨于穩(wěn)定，最后接近0。每個測點(diǎn)累計位移箱線如圖6所示，從圖6中可以看出，最終孔1-17位移變化最大，孔1-32及孔1-33位移變化最小，根據(jù)箱型圖的1/4分位點(diǎn)、1/2分位點(diǎn)3/4分位點(diǎn)可以看出地下連續(xù)墻隨著開挖的變化趨勢，即隨著基坑開挖，連續(xù)墻最大水平位移點(diǎn)在不斷下移，最終在開挖面達(dá)到最大(此時開挖面的數(shù)據(jù)分布最為發(fā)散)[5]。

圖5 Y方向累計位移變化趨勢Fig.5 Variation Trend of accumulated displacement in Y direction

圖6 Y方向累計位移箱型Fig.6 Box diagram of cumulative displacement in Y direction

3.1.2 孔1與孔CX8數(shù)據(jù)分析

本次自動化固定測斜儀深層水平位移監(jiān)測的可行性驗證中設(shè)置了人工測斜孔進(jìn)行對比[6-7]。自動化測斜孔孔1對應(yīng)的人工測斜孔為CX8，人工監(jiān)測孔內(nèi)傳感器按0.5 m間距計算，自動化監(jiān)測孔1內(nèi)傳感器按1 m間距布設(shè)計算，為了計算的一致性與對比的參考性，將人工孔CX8按1 m取值進(jìn)行累計計算。人工孔CX8傳感器間距為0.5 m，將人工孔CX8按1 m取值進(jìn)行累計計算，按1m取值計算后，自動化監(jiān)測和人工監(jiān)測最終累計位移曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測累計深度位移曲線相似，均在-16～-18 m處出現(xiàn)最大水平位移，人工測斜監(jiān)測最大水平位移為53.6 mm，孔口-1 m處水平位移為1.53 mm，孔底-33 m水平位移為-3.2 mm，自動化測斜監(jiān)測最終最大水平位移為64.5 mm，孔口-1 m處水平位移為5.9 mm，孔底-33 m水平位移為-3.25 mm，人工監(jiān)測測斜孔CX8與孔1數(shù)據(jù)散點(diǎn)如圖8所示，從圖8中可以看出，孔CX8與孔1相關(guān)性高[6]，相關(guān)系數(shù)R2為0.914 1。

圖7 自動化人工測斜對比Fig.7 Comparison of automatic manual inclinometer

圖8 自動化人工測斜關(guān)聯(lián)Fig.8 Automatic manual slope measurement correlation

3.2 現(xiàn)場工況匹配

自動化測斜孔孔1布設(shè)間距1 m，能較好地反映地下連續(xù)墻水平位移變化，因此對孔1及其附近人工測孔CX8進(jìn)行施工工況匹配分析，根據(jù)每層鋼支撐的支撐時間，進(jìn)行5次工況匹配分析。

3.2.1 第1次支撐后開挖水平位移變化

自動化測斜孔孔1和人工測斜孔CX8在2018年10月23—27日各測點(diǎn)的累計水平位移曲線如圖9所示。從圖9中可以看出，自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測表現(xiàn)出相同變化規(guī)律。在2018年10月23—27日各測點(diǎn)累計位移日變化率均為正值，在10月23—24日日變化量最大，最大變化率為2 mm/d，到10月25日后，變化率變小并小于1 mm。自動化監(jiān)測最大累計位移為8.1 mm，人工監(jiān)測最大累計位移為9 mm，均在-9 m左右深度。自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測均在10月24日變化率最大，并在-9 m處左右達(dá)到最大累計位移。這與第1次開挖后支撐工況相匹配。

圖9 第1次支撐后孔1與孔CX8累計位移變化Fig.9 Cumulative displacement changes of hole 1 and CX8 at the first steel support

3.2.2 第2次支撐后開挖水平位移變化

自動化測斜孔孔1和人工測斜孔CX8在2018年11月2—6日各測點(diǎn)的累計水平位移深度曲線如圖10所示。從圖10中可以看出，自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測每天變化規(guī)律相同。在2018年11月2—6日施工期間，在11月4—5日變化量最大，最大變化率為2.5 mm/d，至11月5日后，變化率變小并小于1 mm。自動化監(jiān)測最大累計位移為19.29 mm，人工監(jiān)測最大累計位移為16.58 mm，均在-10～-11 m深度。自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測均在11月5日變化率最大，并在-10～-11 m處達(dá)到最大累計位移。這與第2次開挖后支撐工況相匹配。

圖10 第2次支撐后孔1與孔CX8累計位移變化Fig.10 Cumulative displacement changes of hole 1 and CX8 at the second steel support

3.2.3 第3次支撐后開挖水平位移變化

自動化測斜孔孔1和人工測斜孔CX8在2018年11月15—19日各測點(diǎn)的累計水平位移深度曲線如圖11所示。從圖11可以看出，自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測每天變化規(guī)律相同。2018年11月15—19日施工期間，11月17—18日日變化量最大，最大變化率為2.8 mm/d，至11月18日后，變化率變小并小于1 mm。自動化監(jiān)測最大累計位移為32.5 mm，人工監(jiān)測最大累計位移為29.97 mm，最大累計位移均在深度-12～-13 m。自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測均在11月18日變化率最大，并在深度-12～-13 m處達(dá)到最大累計位移。這與第3次開挖后支撐工況相匹配。

圖11 第3次支撐后孔1與孔CX8累計位移變化Fig.11 Cumulative displacement changes of hole 1 and CX8 at the third steel support

3.2.4 第4次支撐后開挖水平位移變化

自動化測斜孔孔1和人工測斜孔CX8在2018年12月19—23日各測點(diǎn)的累計水平位移深度曲線如圖12所示。從圖12可以看出，自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測每天變化規(guī)律相同。在2018年12月19—23日施工期間，12月20—21日日變化量最大，最大變化率為3 mm/d，至12月21日后，變化率變小并小于1 mm。自動化監(jiān)測最大累計位移為52 mm，人工監(jiān)測最大累計位移為45.6 mm，最大累計位移均在深度-15～-16 m。自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測均在11月18日變化率最大，并在深度-15～-16 m處達(dá)到最大累計位移。這與第4次開挖后支撐工況相匹配。

圖12 第4次支撐后孔1與孔CX8累計位移變化Fig.12 Cumulative displacement changes of hole 1 and CX8 at the fourth steel support

3.2.5 第5次支撐后開挖水平位移變化

基坑底板澆筑后各測點(diǎn)累計位移變化如圖13所示。

圖13 孔1與CX8最終累計位移變化Fig.13 Final cumulative displacement variation of hole 1 and CX8

從圖13中可以看出，自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測累計深度位移曲線相似，均在深度-16～-18 m處出現(xiàn)最大水平位移，人工測斜監(jiān)測最大水平位移為54 mm，自動化監(jiān)測最大水平位移為64.5 mm，最大水平位移相差10 mm，相對誤差為15.5%。因為人工孔CX8是測量地下連續(xù)墻變形，而孔1是監(jiān)測附近軟土變形，導(dǎo)致最終最大水平累計位移有所不同，這也與結(jié)構(gòu)物的變形情況類似。人工監(jiān)測及自動化監(jiān)測測斜最終累計位移變化曲線均呈“啤酒肚”形，最終累計位移深度曲線形成中間大、上下兩端小的特點(diǎn)，均在最終開挖面(-17 m左右)處達(dá)到最大水平位移，這與實際受力、工況相匹配。

自動化監(jiān)測孔1與人工監(jiān)測孔CX8線性擬合關(guān)系好，擬合系數(shù)為0.912。自動化監(jiān)測和人工監(jiān)測均能很好地反映了基坑地下連續(xù)墻水平位移變化趨勢，說明人工測斜和自動化固定測斜儀在基坑深層水平位移監(jiān)測中的可行性，由于孔CX8和孔1呈線性關(guān)系，且相關(guān)性好，整體趨勢相似，說明了自動化監(jiān)測能代替人工監(jiān)測進(jìn)行基坑連續(xù)墻位移監(jiān)測。

4 結(jié)論

(1)通過對孔單個測點(diǎn)數(shù)據(jù)分析，單個傳感器從孔口到到孔底呈現(xiàn)先負(fù)、再負(fù)正、再全為正的整體規(guī)律，說明單個測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性；對測點(diǎn)累計位移分析，地下連續(xù)墻最大水平位移一直在開挖面附近達(dá)到最大，最終在深度-17 m處達(dá)到最大。

(2)人工監(jiān)測和自動化監(jiān)測深層水平累計位移曲線均能及時、準(zhǔn)確地反映各種工況條件下引起的基坑水平位移，說明自動化監(jiān)測能較好地反映深層水平位移的變形情況，進(jìn)而驗證了固定測斜儀在基坑深層水平位移監(jiān)測中的可行性。

(3)自動化測斜和人工測斜最終深度水平位移曲線均呈“啤酒肚”形，最終形成中間大、上下兩端小的特點(diǎn)，即傳感器間距為1 m的自動化測斜儀深層水平位移監(jiān)測與人工0.5 m間距的測斜儀深層水平位移監(jiān)測規(guī)律類似。