基于測(cè)量機(jī)器人的深基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形監(jiān)測(cè)研究

景海軍

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司,河北 唐山 064000)

軟土深基坑施工時(shí),常會(huì)對(duì)周圍建筑物造成很大影響,導(dǎo)致其不均勻沉降甚至開裂,影響正常使用,給基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工帶來很大困難。由于受到場(chǎng)地的限制,基坑外沒有足夠的開挖空間用于放坡[1],傳統(tǒng)的基坑施工技術(shù)難以適應(yīng)日益嚴(yán)格的基坑周邊環(huán)境要求。與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比,深基坑墻體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)控制費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低下,因此,使用測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)態(tài)、高效、高精度的控制變得尤為重要。測(cè)量機(jī)器人已成功應(yīng)用于高鐵、大壩等工程測(cè)量和監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)活躍地鐵隧道的自動(dòng)監(jiān)測(cè),具有優(yōu)良的測(cè)量條件和開闊的視野。通過軟件,獨(dú)立式全站儀可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量機(jī)器人的功能。在相對(duì)惡劣的環(huán)境下,可開發(fā)一些監(jiān)測(cè)軟件并將其應(yīng)用到自動(dòng)監(jiān)測(cè)機(jī)器人中,但在深基坑測(cè)量中,這類機(jī)器人暫時(shí)不能進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量[2]。有研究通過FLAC3D構(gòu)建基坑降水開挖模型,分析圍護(hù)解耦股變形程度和基坑位移變化情況[3];還有研究結(jié)合DGM(1,1)變權(quán)模型和緩沖算子,利用工程所得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),建立變權(quán)離散灰色模型,并對(duì)不同的擬合進(jìn)行開挖精準(zhǔn)預(yù)測(cè)[4]。但是這兩種監(jiān)控方法未考慮基坑的復(fù)雜性,監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況相差較大[5-6]?？紤]到大地機(jī)器人在監(jiān)測(cè)方面的優(yōu)勢(shì),本文在大地機(jī)器人作為附加監(jiān)測(cè)工具的基礎(chǔ)上,提出一種開挖圍欄變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 工程概況

以某城市地鐵線路為例,該線路位于一條主干線和公交車站的交匯處,公交車站位于某公園規(guī)劃的中心區(qū)域,南北走向?？拷罔F隧道的公交車站位于道路中心區(qū)域,且呈從東向西排列。深基坑示意圖見圖1。

圖1 深基坑示意圖

由圖1可知,該深基坑由6道混凝土層組成,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚1.5 m、深45 m的連續(xù)墻作為支撐,其中有1道混凝土支撐層和4道混凝土支撐層,支撐面積分別為1000 mm×800 mm、1500 mm×1200 mm。第五道混凝土支撐層為鋼管撐,其支撐面積為800 mm×20 mm;混凝土支撐層的第2、3、6道混凝土支撐層中裝有鋼管撐,其支撐面積均為600 mm×15 mm。

2 深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的機(jī)器人監(jiān)控方案

2.1 測(cè)點(diǎn)布置及精度要求

深基坑監(jiān)控項(xiàng)目及監(jiān)控位置布置如表1所示。由表1可知,如監(jiān)控點(diǎn)與施工方位相同,可同時(shí)埋設(shè)或借用;如在不同位置,各處分別埋設(shè)[7]。

表1 深基坑監(jiān)控項(xiàng)目及機(jī)器人監(jiān)控位置布置

2.2 基于測(cè)量機(jī)器人的檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

基于地球機(jī)器人的隧道圍欄自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分包括自動(dòng)全站儀、1～2 m長的通信電纜(帶藍(lán)牙設(shè)備的全站儀可使用藍(lán)牙通信)和控制器(筆記本電腦、PDA、智能手機(jī)等)。系統(tǒng)軟件是整個(gè)系統(tǒng)的核心。其中,數(shù)據(jù)采集部分包括儀器初始化、點(diǎn)學(xué)習(xí)、觀測(cè)點(diǎn)組設(shè)置、測(cè)量公差等參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)測(cè)量等功能;數(shù)據(jù)管理采用數(shù)據(jù)庫管理,自動(dòng)生成亂碼報(bào)告,并以圖形方式顯示位移曲線及每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)等[8-9]。

2.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件

相比菜單界面,按鍵界面更一目了然,測(cè)量、定向、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、頁面切換等主要監(jiān)控功能都在主界面,可觸摸。有一個(gè)額外的界面使用屬性頁來響應(yīng)命令,數(shù)據(jù)處理的結(jié)果顯示在圖形和文本報(bào)告中。電腦與全站儀通過RS232串口連接,目前電腦也可使用USB接口。

2.4 監(jiān)控內(nèi)容及方法

通過機(jī)器人監(jiān)測(cè)方法模擬的深基坑復(fù)雜環(huán)境,可將模擬數(shù)據(jù)以數(shù)字形式呈現(xiàn),由此監(jiān)控側(cè)向樁頂水平位移和地表沉降深度。

1)側(cè)向樁頂水平位移監(jiān)控?；A(chǔ)開挖深度2倍以上,設(shè)置機(jī)器人觀測(cè)站、觀察墩或?qū)ｉT觀察標(biāo)志。根據(jù)基坑周圍環(huán)境,現(xiàn)場(chǎng)布置3～4個(gè)工作基準(zhǔn),由測(cè)繪院提供的2～3個(gè)GPS點(diǎn)組成水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。用高精度全站儀進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量角度誤差1″,測(cè)距精度2 mm+2 ppm[10]。利用下式可估計(jì)相鄰點(diǎn)的導(dǎo)線中值誤差:

(1)

(2)

結(jié)合式(2)確定相鄰節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)位置誤差,選擇全站儀表測(cè)量方式,對(duì)側(cè)向樁頂水平位移監(jiān)控[11]。

2)地表沉降深度監(jiān)測(cè)。根據(jù)基坑周圍環(huán)境,首先設(shè)置監(jiān)控點(diǎn);然后鋪兩層水平網(wǎng)(從第一個(gè)控制點(diǎn)開始),觀察每個(gè)沉降點(diǎn)的高度;最后設(shè)定監(jiān)測(cè)“四定”要求,分別是平臺(tái)固定、設(shè)備固定、人員固定和位置固定,通過鋪設(shè)控制線路,確定每種設(shè)備位置,并使用紅色涂料作標(biāo)記。地面沉降觀測(cè)點(diǎn)示意圖見圖2。

圖2 地表沉降觀測(cè)點(diǎn)埋設(shè)示意圖

由圖2可知,建筑影響區(qū)以外相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn),基坑應(yīng)至少布設(shè)3個(gè)機(jī)器人監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn),并深埋設(shè)點(diǎn),且易于從基準(zhǔn)點(diǎn)引導(dǎo)到監(jiān)控點(diǎn)。

3 監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布置

3.1 變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置和保護(hù)

根據(jù)工程開挖監(jiān)測(cè)過程要求,所選的檢測(cè)點(diǎn)一般在等高線頂部及開挖的墻角上。將所檢測(cè)的設(shè)備安裝在所選的控制點(diǎn)上,可用于全站儀器自動(dòng)瞄準(zhǔn)及策略標(biāo)志,出于經(jīng)濟(jì)因素,所使用的儀器通常為小棱鏡L。監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距通常為10～20 m,各點(diǎn)深度方向相鄰點(diǎn)之間的距離為1.5～2.0 m。圖3中的D2-1、D2-2、D2-3、D2-4為第二節(jié)的4段。觀察點(diǎn)安裝在底座上時(shí),可用專用螺絲固定,底座四周有螺紋,也可加保護(hù)蓋。測(cè)量棱鏡后,用保護(hù)罩蓋住,以保護(hù)螺絲不受損壞。例如,在已建成的建筑物或構(gòu)筑物上,它們通常位于3～5之間,形成一個(gè)角網(wǎng)格。監(jiān)測(cè)點(diǎn)還要用測(cè)量棱鏡進(jìn)一步設(shè)置,常用標(biāo)準(zhǔn)圓棱鏡。

圖3 基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

3.2 測(cè)站點(diǎn)的設(shè)置

測(cè)站點(diǎn)通常選在通視條件好、受施工干擾小的區(qū)域,如圖2中的S1、Si位置。由于平臺(tái)設(shè)計(jì)的限制,如果全站儀可以與每個(gè)觀察棱鏡進(jìn)行通信,那么全站儀每次安裝時(shí)不會(huì)完全在同一個(gè)地方,則不需要匹配點(diǎn)、三腳架用于設(shè)置儀器。

4 監(jiān)控結(jié)果與分析

4.1 樁體水平位移分析

對(duì)地鐵車站的基坑斷面進(jìn)行了研究,并布置了兩個(gè)測(cè)量孔(C1、D2)。D2測(cè)量孔因施工原因,下測(cè)點(diǎn)被遮擋,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無法獲取。西面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較完整,故選擇西面的C1測(cè)點(diǎn)。深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形中樁身水平位移監(jiān)測(cè)是安全監(jiān)控的主要內(nèi)容,也是確定施工安全的重要指標(biāo)。深基坑關(guān)鍵施工段中C1處樁體在不同施工周期下的水平位移變化情況見表2。

表2 樁體水平位移變化情況

從表2可知,施工周期為1 d時(shí),在突發(fā)性卸載過程中,基坑土體呈現(xiàn)向基坑內(nèi)發(fā)展,各點(diǎn)水平位移增加。由于樁頂位移較大,施加第一層鋼支撐后很難恢復(fù)。單支或多支護(hù)結(jié)構(gòu)在進(jìn)行土方開挖時(shí),會(huì)產(chǎn)生單一支承結(jié)構(gòu)變形,基礎(chǔ)開挖和鋼支撐的應(yīng)用使圍護(hù)樁側(cè)向移動(dòng),圍護(hù)樁的位移有增大的趨勢(shì)。當(dāng)開挖施工周期為10 d時(shí),施加第二次鋼支護(hù)后,樁開始向坑中水平位移最大的部位下移。當(dāng)施工周期為10～95 d,由于開挖面長時(shí)間暴露,導(dǎo)致樁身區(qū)段的樁體向坑內(nèi)發(fā)展的水平位移明顯增大。施工周期為95～220 d時(shí),加上第一層鋼支撐和圍護(hù)樁的協(xié)同作用,樁頂?shù)乃轿灰谱兓饾u趨于穩(wěn)定。

根據(jù)不同施工周期下的C1處樁體水平位移變化規(guī)律,分別使用三種監(jiān)測(cè)方法,對(duì)比分析樁體水平位移變化情況,結(jié)果見圖4。

圖4 三種方法樁體水平位移變化情況對(duì)比分析

由圖4可知,使用基于流固耦合效應(yīng)的監(jiān)控方法在1～5 d施工周期內(nèi)與實(shí)際水平位移變化相差較小,其中施工周期為5 d時(shí),水平變化位移相差最大,為1 mm;在5～35 d施工周期內(nèi)與實(shí)際水平位移變化相差較大,其中施工周期為5 d時(shí)相差最大,為4 mm;在35～70 d施工周期內(nèi)水平位移變化逐漸與實(shí)際情況相符,其中施工周期為70 d時(shí)相差最小,為2 mm;在70～220 d施工周期內(nèi)水平位移變化逐漸趨于平穩(wěn),但與實(shí)際數(shù)據(jù)不一致。

使用基于粒子群優(yōu)化的監(jiān)控方法,在1～35 d施工周期內(nèi)與實(shí)際水平位移變化相差較小,在35～70 d施工周期內(nèi)與實(shí)際水平位移變化相差較大,最大相差3.5 mm;在70～220 d施工周期內(nèi)水平位移變化逐漸趨于平穩(wěn),但與實(shí)際數(shù)據(jù)不一致。

通過上述分析結(jié)果可知,使用基于機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件數(shù)值模擬的監(jiān)控方法,監(jiān)控樁體水平位移的結(jié)果是精準(zhǔn)的。

4.2 深基坑地表沉降分析

由于深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)西側(cè)地表的測(cè)點(diǎn)遭到破壞,因此主要研究基坑?xùn)|側(cè)的地表土體的豎向沉降數(shù)據(jù)。深基坑地表在不同施工周期下的沉降變化情況如表3所示。

表3 深基坑地表沉降深度/mm

從表3可知,施工周期為1 d時(shí),沉降形狀類似于勺形,沉降量不大。施工周期為5～20 d時(shí),加了第一道鋼支撐,由于土方不斷開挖,此時(shí)地表點(diǎn)的位移沉降量逐漸增加,施工周期為35 d時(shí),地表的豎向沉降開始增大。施工周期為70～95 d時(shí),由于土方不斷開挖,地表點(diǎn)的位移沉降量逐漸增加。施工周期為150～220 d時(shí),隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基坑距離不斷增加,沉降量趨于穩(wěn)定。

基于不同施工周期下的深基坑地表沉降深度,分別使用三種監(jiān)測(cè)方法,對(duì)比分析深基坑地表沉降深度變化情況,對(duì)比結(jié)果見圖5。

圖5 深基坑地表沉降深度變化情況對(duì)比分析

由圖5可知,使用基于流固耦合效應(yīng)的監(jiān)控方法,在1～35 d施工周期內(nèi)與實(shí)際水平位移變化情況相差較小,在35～220 d施工周期內(nèi)與實(shí)際水平位移變化情況相差較大,最大相差5 mm;使用基于粒子群優(yōu)化的監(jiān)控方法,在1～5 d、20～95 d施工周期內(nèi)與實(shí)際水平位移變化情況相差較小,其余周期內(nèi)與實(shí)際水平位移變化情況相差較大,最大相差3 mm;使用基于機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件數(shù)值模擬的監(jiān)控方法,在施工周期內(nèi)與實(shí)際數(shù)據(jù)基本一致,只有在施工周期為20 d時(shí),水平變化位移與實(shí)際位移值相差最大,為0.6 mm。

通過上述分析結(jié)果可知,使用基于機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件數(shù)值模擬的監(jiān)控方法,監(jiān)控深基坑地表沉降深度變化結(jié)果是精準(zhǔn)的。

5 結(jié)束語

采用測(cè)量機(jī)器人對(duì)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的安全監(jiān)控進(jìn)行研究,提高了基坑監(jiān)測(cè)的及時(shí)性,有利于形成自動(dòng)化、一體化的監(jiān)測(cè)、分析、反饋和變形預(yù)測(cè)系統(tǒng),確保地基數(shù)據(jù)提供及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠。本研究中的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以將測(cè)量機(jī)器人的自動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用于工作環(huán)境復(fù)雜的深基坑自動(dòng)監(jiān)控,更好地減小誤差。