地鐵施工中監(jiān)測(cè)控制及自動(dòng)化監(jiān)測(cè)研究

摘要 在地鐵施工過(guò)程中，基坑監(jiān)測(cè)及周?chē)?gòu)筑物監(jiān)測(cè)作為重要的監(jiān)測(cè)內(nèi)容，通常采用水準(zhǔn)儀、測(cè)斜儀及全站儀等進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量精度高，應(yīng)用廣泛，但該監(jiān)測(cè)措施基本上采用人工監(jiān)測(cè)，無(wú)法對(duì)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。文章對(duì)人工監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)及數(shù)據(jù)可靠情況進(jìn)行分析，依托廣州地鐵18號(hào)線(xiàn)萬(wàn)頃沙站明挖區(qū)間項(xiàng)目，采用傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)和深基坑自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果表明：人工監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差異很小，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)可以應(yīng)用在地鐵施工關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)部位。

關(guān)鍵詞 地鐵施工;基坑監(jiān)測(cè);自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào) U231.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2022）12-0010-03

收稿日期：2022-03-24

作者簡(jiǎn)介：藺義（1994—），男，本科，研究方向：城市軌道交通測(cè)量及監(jiān)測(cè)。

0 引言

在當(dāng)前城市軌道交通廣泛建設(shè)的環(huán)境下，為保證施工安全和施工質(zhì)量，施工時(shí)須對(duì)地鐵深基坑及周?chē)ㄖ镒冃纬两颠M(jìn)行監(jiān)測(cè)及控制[1]。監(jiān)控量測(cè)是基坑施工的重點(diǎn)，監(jiān)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)、周?chē)馏w狀態(tài)、地表及建筑物的動(dòng)態(tài)，及時(shí)分析和預(yù)測(cè)，針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)部位進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，指導(dǎo)施工，為以后類(lèi)似施工做經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)備。在施工過(guò)程中必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作，對(duì)重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)部位進(jìn)行加密監(jiān)測(cè)。為地鐵施工中的安全生產(chǎn)及質(zhì)量控制提供可靠的數(shù)據(jù)支撐[2]。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

該段基坑為廣州地鐵18號(hào)線(xiàn)萬(wàn)頃沙出入段線(xiàn)明挖區(qū)間中取100 m作為研究段，工程地質(zhì)情況：基底處于<2-1A>淤泥層，部分基底處于<4N-2>粉質(zhì)黏土層。結(jié)構(gòu)底板位于<2-1A>、<2-1B>地層段，采用850@600三軸攪拌樁裙邊+抽條加固。加固后復(fù)合地基承載力特征值不低于185 kPa。底板位于<4N-2>段天然地基承載力特征值不低于140 kPa。

1.2 監(jiān)測(cè)背景

該施工段跨越七涌河道，采用明挖法施工，明挖施工期間，阻斷原七涌河道。為保證地鐵施工安全和七涌河道的正常運(yùn)行功能，采用全斷面截流方案對(duì)七涌河道進(jìn)行臨時(shí)阻斷，河道水流由兩端水閘控制流量。

基坑范圍內(nèi)的地質(zhì)主要為：填土層<1>、淤泥層<2-1A>、淤泥質(zhì)土層<2-1B>、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層<2-2>等。地質(zhì)天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、滲透性弱、固結(jié)系數(shù)小，南沙地區(qū)軟土一般為絮狀結(jié)構(gòu)，其中以濱海沉積的片架結(jié)構(gòu)黏土為代表，受到擾動(dòng)后強(qiáng)度會(huì)顯著降低，甚至呈流動(dòng)狀態(tài)，觸變性強(qiáng)。淤泥質(zhì)地層黏聚力差，抗剪強(qiáng)度小，成槽過(guò)程中易出現(xiàn)塌孔、縮頸等問(wèn)題，槽壁穩(wěn)定性不易控制;基坑開(kāi)挖過(guò)程中土體自立性不良。

在基坑開(kāi)挖過(guò)程中可能出現(xiàn)以下風(fēng)險(xiǎn)：

（1）基坑范圍均處在<2-1A>淤泥、<2-1B>淤泥質(zhì)土等軟弱地層，基底位于<4N-2>可塑狀粉質(zhì)黏土層，局部位于<2-1B>淤泥質(zhì)土層?；娱_(kāi)挖過(guò)程中容易造成開(kāi)挖面縱坡失穩(wěn)，基底涌水涌砂的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）基坑開(kāi)挖范圍處于軟弱地層，淤泥層分布廣泛且厚度較大，為軟土地基沉降較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和地面塌陷高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，施工過(guò)程可能造成地面沉降大、沉陷和突水事故，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成基坑坍塌。

（3）基坑支撐架設(shè)不及時(shí)、支撐架設(shè)計(jì)不牢靠或支撐體系剛度不足，基坑超挖引起的基坑變形大，甚至基坑坍塌。

（4）三軸攪拌樁機(jī)、汽車(chē)吊、履帶吊、成槽機(jī)、雙輪銑等高聳設(shè)備在施工過(guò)程中如地基失穩(wěn)，易造成機(jī)械傾倒。

（5）三軸攪拌樁及地下連續(xù)墻在淤泥質(zhì)地層中易造成塌孔、縮孔，導(dǎo)致地面沉降大，甚至坍塌。

軟土的特性有：天然含水量高、滲透系數(shù)小、具有較強(qiáng)的流變性，壓縮性強(qiáng)。軟土的變形程度取決于荷載及時(shí)間，時(shí)間對(duì)土的沉降及位移有明顯影響。深基坑在軟土中施工時(shí)，基坑的開(kāi)挖會(huì)造成周?chē)馏w的卸壓，打破既有土體的穩(wěn)定性，導(dǎo)致基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)墻體產(chǎn)生過(guò)大水平位移變形，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致墻體失衡、坍塌，基坑內(nèi)基底土體卸壓易產(chǎn)生隆起、上浮，使基坑周?chē)馏w產(chǎn)生沉降，直接影響基坑周邊環(huán)境，導(dǎo)致毗鄰的建筑產(chǎn)生位移、傾斜、不均勻沉降甚至損壞。

基坑開(kāi)挖后，基坑內(nèi)部基本是超厚的流塑狀淤泥，有較強(qiáng)的流變性，基坑開(kāi)挖時(shí)和開(kāi)挖后都會(huì)使土壓力減小，出現(xiàn)失衡狀態(tài)。淤泥所產(chǎn)生的位移、沉降或隆起會(huì)使三軸攪拌樁槽壁加固的穩(wěn)定性控制困難，淤泥土的自穩(wěn)性差，開(kāi)挖時(shí)易導(dǎo)致滑坡，下陷?；兹匀淮嬖谟倌嗤?，地基承載力不足會(huì)有基底隆起的風(fēng)險(xiǎn)。選取該施工段作為自動(dòng)化監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)段，采用人工監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)同步進(jìn)行。如有變化及時(shí)采取相應(yīng)措施進(jìn)行加固處理。

1.3 地鐵施工監(jiān)測(cè)實(shí)施的意義

施工監(jiān)測(cè)首要目的是對(duì)基坑的支護(hù)體系、基坑周邊建構(gòu)筑物等進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，為施工過(guò)程提供技術(shù)參考及修正，對(duì)施工過(guò)程中采取的措施進(jìn)行驗(yàn)證，確保施工安全。對(duì)施工期間基坑和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和其他影響范圍內(nèi)的周邊環(huán)境以及被保護(hù)建構(gòu)筑物等變形的量值進(jìn)行測(cè)量，能及時(shí)反映其變化情況。該試驗(yàn)段中實(shí)現(xiàn)信息化指導(dǎo)是施工的必要手段，及時(shí)監(jiān)測(cè)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量進(jìn)而判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定及周邊建構(gòu)筑物是否變形。在施工過(guò)程中對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及周邊建筑物的變形觀(guān)測(cè)資料分析，預(yù)測(cè)基坑及周邊建筑物的變化發(fā)展趨勢(shì)，為優(yōu)化施工方案提供依據(jù);將監(jiān)測(cè)實(shí)際數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值相對(duì)比，判斷上一步施工布置和圍護(hù)（支護(hù)）結(jié)構(gòu)變形是否達(dá)到了預(yù)期的要求，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整下一步施工工序及參數(shù)，保證基坑施工生產(chǎn)安全及周邊建構(gòu)筑的安全。

2 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)原則及布設(shè)方式

重要監(jiān)測(cè)項(xiàng)采用同位置、布設(shè)雙孔原則，人工監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)同步進(jìn)行。

深層水平位移是基坑開(kāi)挖過(guò)程中重要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，可以直觀(guān)反映出支護(hù)墻（樁）位移變化情況。地鐵基坑施工過(guò)程中保證深層土體水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性及準(zhǔn)確性，傳統(tǒng)測(cè)斜儀器由測(cè)斜管、測(cè)斜探頭、數(shù)字式測(cè)讀儀及通信電纜四個(gè)部分構(gòu)成。自動(dòng)化測(cè)斜儀由測(cè)斜管、通信電纜、信號(hào)接收（發(fā)射）機(jī)及固定式測(cè)斜儀構(gòu)成?；娱_(kāi)挖時(shí)，測(cè)斜管隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)體的變形而發(fā)生形變，將形變轉(zhuǎn)化成距離，其中的距離就是該深度的位移變化量。B14F8796-C278-4202-B829-5DCCD1B07EA2

混凝土支撐采用應(yīng)力計(jì)，在支撐梁四角主筋綁扎后，將鋼筋計(jì)焊接到主筋上并焊接牢固，并將通信線(xiàn)綁扎在支撐梁上，順著支撐梁鋼筋綁扎從冠（腰）梁處伸出，保護(hù)通信線(xiàn)不被破壞，鋼筋計(jì)編號(hào)要和元件上編號(hào)相同，初始頻率等信息要齊全后才可澆筑混凝土。

3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分析

3.1 布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)

監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在工程施工影響范圍之外的穩(wěn)定區(qū)域?；鶞?zhǔn)點(diǎn)使用前應(yīng)遵循先檢測(cè)后使用的原則?；鶞?zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)按規(guī)范、設(shè)計(jì)圖紙、監(jiān)測(cè)方案等要求及時(shí)進(jìn)行埋設(shè)，定期進(jìn)行巡查和復(fù)測(cè);監(jiān)測(cè)點(diǎn)在開(kāi)挖之前埋設(shè)，并完成采值報(bào)驗(yàn)等相關(guān)手續(xù)。

3.2 加強(qiáng)組織管理和協(xié)調(diào)

建立基坑上下應(yīng)急聯(lián)動(dòng)機(jī)制，成立應(yīng)急救援機(jī)構(gòu)及編制應(yīng)急預(yù)案，保證監(jiān)測(cè)信息溝通流暢。以“分區(qū)、分級(jí)、分階段”的原則制定監(jiān)控量測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)[3]，以綠色、藍(lán)色、黃色、橙色和紅色作為工程風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)標(biāo)示。綠色指安全狀態(tài)，藍(lán)色指風(fēng)險(xiǎn)提示，黃、橙、紅作為遞進(jìn)式三級(jí)綜合預(yù)警等級(jí)進(jìn)行反饋和控制。

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移及周?chē)馏w深層水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算與比對(duì)

活動(dòng)式測(cè)斜儀采用帶導(dǎo)輪的測(cè)斜探頭，探頭兩對(duì)導(dǎo)輪間距500 mm，以?xún)蓪?duì)導(dǎo)輪之間的距離為一個(gè)測(cè)段。每一測(cè)段上、下導(dǎo)輪間相對(duì)水平偏差量δ可通過(guò)下式計(jì)算得到。固定式測(cè)斜儀計(jì)算原理和活動(dòng)式計(jì)算原理相同。

δ=l×sinθ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，l——上、下導(dǎo)輪間距;θ——探頭敏感軸與重力軸夾角。

測(cè)段n相對(duì)于起始點(diǎn)的水平偏差量Δn，由從起始點(diǎn)起連續(xù)測(cè)試得到的δi累計(jì)而成，即：

式中，δi——起始測(cè)段的水平偏差量（mm）;Δn——測(cè)點(diǎn)n相對(duì)于起始點(diǎn)的水平偏差量（mm）。

經(jīng)實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)算，選取一天自動(dòng)化測(cè)斜變化情況和該監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)人工變化情況，自動(dòng)化測(cè)斜數(shù)據(jù)密集，但變化量及趨勢(shì)互相吻合，人工測(cè)斜和自動(dòng)化測(cè)斜數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果見(jiàn)圖1。

3.4 混凝土支撐軸力、鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算及比對(duì)、水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

混凝土（鋼支撐）構(gòu)件中的鋼筋計(jì)，出廠(chǎng)時(shí)均有對(duì)應(yīng)的系數(shù)表，在測(cè)量時(shí)，用測(cè)讀儀連接鋼筋計(jì)導(dǎo)線(xiàn)，測(cè)出各鋼筋計(jì)的頻率，通過(guò)計(jì)算換算成軸力值。

鋼筋計(jì)埋設(shè)前必須檢查其初始頻率和廠(chǎng)家提供的系數(shù)表上初始頻率是否在誤差范圍內(nèi)，使用前分三次測(cè)定初始頻率，取三次的平均值作為監(jiān)測(cè)初始值。日常監(jiān)測(cè)值與初始值的差值為累計(jì)變化量，該次值與前次值的差值為該次變化量。

用頻率讀數(shù)儀測(cè)讀、記錄應(yīng)力計(jì)頻率。計(jì)算方法如下：

（1）鋼支撐軸力計(jì)算公式為：

P=KΔF+B? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，P——所受荷載值（kN）;K——儀器標(biāo)定系數(shù)（kN/F）;ΔF——輸出頻率模數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量值相對(duì)于基準(zhǔn)值的變化量（F）;B——儀器的計(jì)算修正值（kN）。

（2）混凝土支撐軸力、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算公式為：

式中，Nq——圍護(hù)墻內(nèi)力（kN）;σs——鋼筋應(yīng)力

（kN/mm2）;——鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)平均應(yīng)力（kN/mm2）;kj——第j個(gè)鋼筋計(jì)標(biāo)定系數(shù)（kN/Hz2）;fji——第j個(gè)鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)頻率（Hz）;fj0——第j個(gè)鋼筋計(jì)安裝后的初始頻率（Hz）;Ajs——第j個(gè)鋼筋計(jì)截面面積（mm2）;Ec——混凝土彈性模量（kN/mm2）;Es——鋼筋彈性模量（kN/mm2）;Ac——混凝土截面面積（mm2），Ac=A?As;A——圍護(hù)墻截面面積（mm2）;As——鋼筋總截面面積（mm2）。

自動(dòng)化軸力和人工軸力計(jì)算采用相同方法，由于數(shù)據(jù)量較大，因此選取16 d數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（圖2）。隨機(jī)選取點(diǎn)位比對(duì)，變化曲線(xiàn)及變化量基本相同，自動(dòng)化數(shù)據(jù)連貫性明顯高于人工數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可靠，能直觀(guān)反映出構(gòu)件受力的變化情況。

水位數(shù)據(jù)分析，選取一天水位數(shù)據(jù)進(jìn)行列舉，某一天自動(dòng)化水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖3，該次人工測(cè)得數(shù)據(jù)為?1.92。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和人工數(shù)據(jù)吻合，并且還能反映出潮汐變化對(duì)水位的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目監(jiān)測(cè)情況的研究及資料分析后發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)用監(jiān)測(cè)自動(dòng)化墻體測(cè)斜、支撐軸力項(xiàng)目中進(jìn)行比對(duì)，人工測(cè)量相比自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量相對(duì)較少，比對(duì)相同時(shí)間點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化量基本一致，變化曲線(xiàn)相同，細(xì)節(jié)變化量比人工測(cè)量表達(dá)更為充分?；颖O(jiān)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)部位可采用人工監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式相結(jié)合，能夠使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，預(yù)警后迅速反應(yīng)，為施工安全提供保障。

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