健康監(jiān)測在高速公路電力隧道施工中的應(yīng)用

席三平，張 建

(1.中鐵一局集團有限公司,廣東 深圳 518109; 2.北京城建華晟交通建設(shè)有限公司,北京 100000)

0 引言

電力隧道是可以容納較多數(shù)量電纜、有供安裝和巡視的通道,是一種埋置于地層內(nèi)的工程結(jié)構(gòu)物。電力隧道施工的主要方法有明挖法、暗挖法、頂管法、盾構(gòu)法等,根據(jù)DL/T 5484—2013電力電纜隧道設(shè)計規(guī)程[1]要求,在明挖隧道、頂管工作井、盾構(gòu)工作井的開挖過程中涉及到基坑開挖時需要進行基坑支護、監(jiān)測等工作,本文工程采用明挖與盾構(gòu)法,根據(jù)設(shè)計要求對基坑進行監(jiān)測。

自動化監(jiān)測技術(shù)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種全新的監(jiān)測技術(shù),它是隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。

自動化監(jiān)測的三種形式:第一種是數(shù)據(jù)處理自動化,俗稱“后自動化”;第二種是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集自動化,俗稱“前自動化”;第三種是實現(xiàn)在線自動采集數(shù)據(jù),離線資料分析,俗稱“全自動化”。在土木工程領(lǐng)域中,自動化健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用始于橋梁結(jié)構(gòu),并逐步向著基坑、隧道、建筑、地災(zāi)等領(lǐng)域推廣,目前已涵蓋結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測、損傷識別鑒定與監(jiān)測、損傷定位及趨勢分析等眾多領(lǐng)域[2]。

1 基坑監(jiān)測

1.1 基坑監(jiān)測背景及現(xiàn)狀

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,高層建筑、軌道交通和城市地下空間等領(lǐng)域有了更廣闊的發(fā)展空間,國內(nèi)基坑工程的數(shù)量得到迅猛增加,施工技術(shù)不斷成熟使得開挖深度不斷加深,帶來機遇的同時,也面臨著挑戰(zhàn)?；泳哂泻軓姷膮^(qū)域性、綜合性和工程差異性,導(dǎo)致基坑坍塌的形式多種多樣,具體表現(xiàn)為支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、滲流引起土體破壞以及基坑周圍地面變形過大等[3-4]?；犹斐傻奈：Π▋蓚€方面:一方面是基坑支護結(jié)構(gòu)本體破壞,威脅施工人員人身安全;另—方面,基坑工程事故可能導(dǎo)致基坑周邊建(構(gòu))筑物及地下市政管線的損壞,嚴(yán)重時還會造成火災(zāi)、爆炸、有毒有害物質(zhì)泄漏,給人民生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[5]。

近年來,隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G通訊的普及與飛速發(fā)展,自動化監(jiān)測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于土木工程基礎(chǔ)建設(shè),國內(nèi)一些學(xué)者對基坑健康監(jiān)測進行了深入研究。池瑋波等[6]闡述了人工檢測在基坑工程中所面臨的四大問題,即空間限制、時間限制、對象限制以及數(shù)據(jù)限制,突出健康監(jiān)測在惡劣氣候和復(fù)雜環(huán)境下實施的優(yōu)勢。郭雷剛等[7]以基坑工程為例,介紹健康監(jiān)測系統(tǒng)框架的搭建,證明系統(tǒng)對保障施工作業(yè)安全、做到及時預(yù)警的有效性和實用性。由此可見,對于基坑工程建立一套行之有效的健康監(jiān)測系統(tǒng)很有必要。

1.2 基坑監(jiān)測主要內(nèi)容

根據(jù)GB 50497—2019建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[8],基坑項目監(jiān)測主要包括周邊環(huán)境監(jiān)測、基坑圍護監(jiān)測以及基坑巡視檢查。具體內(nèi)容如表1所示。

表1 基坑監(jiān)測內(nèi)容

2 工程概況

某電力隧道工程施工項目,位于深圳市龍華區(qū)、龍崗區(qū),線路起始于觀天路北側(cè)的濟海變電站,工程全長為6 800.209 m(包括豎井結(jié)構(gòu)),采用明挖法和盾構(gòu)法相結(jié)合的施工方法,隧道掘進范圍內(nèi)的工程地質(zhì)及水文情況見表2。

表2 土層描述

電力隧道因J7豎井地理位置特殊,豎井場地現(xiàn)狀為菜地,場地未平整,周邊樹木較多,基坑?xùn)|側(cè)有高壓燃氣管線;南側(cè)有沈海高速公路邊坡;西側(cè)有通訊電塔、居民小區(qū)。豎井屬于深基坑,開挖尺寸為62 m×11 m×27 m,地質(zhì)復(fù)雜內(nèi)有孤石,破除孤石產(chǎn)生的應(yīng)力對圍護樁擾動較大,人工監(jiān)測不能滿足施工要求,需及時有效地反饋監(jiān)測數(shù)據(jù);基坑?xùn)|側(cè)有φ820高壓燃氣,埋深2.5 m,管底距離隧道頂21.82 m,盾構(gòu)下穿高壓燃氣危險系數(shù)高,需能夠及時準(zhǔn)確地反映監(jiān)測數(shù)據(jù),指導(dǎo)掘進;基坑南側(cè)有沈海高速公路邊坡,坡高10.2 m坡度比2∶1,距離基坑圍護樁僅5 m,高速公路上車流量大動態(tài)荷載不定。邊坡上樹木密集能見度低,人工監(jiān)測難度大,人力物力浪費;人工監(jiān)測對人員的技術(shù)要求非常嚴(yán)格及人工成本費日益增高,增加運營成本。

3 監(jiān)測系統(tǒng)的框架搭建

監(jiān)測系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和運用層三部分組成,三者密不可分,通過各個層相互協(xié)調(diào),實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能,其具體模塊組成如圖1所示。

3.1 硬件系統(tǒng)及測點布設(shè)

3.1.1 監(jiān)測項目

基坑施工是一個動態(tài)過程,與之有關(guān)的穩(wěn)定和環(huán)境影響也在動態(tài)變化中。因此,在施工過程中,必須對圍護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境進行三維空間全方位、全過程的監(jiān)測。本基坑工程監(jiān)測方案考慮的監(jiān)測因素主要分為沉降、傾斜及支撐軸力三大部分,具體監(jiān)測設(shè)備見表3。

表3 監(jiān)測因素及監(jiān)測設(shè)備

3.1.2 測點布設(shè)

1)燃氣管道沉降測點:分別在基坑周邊燃氣管道中部、陽角處布設(shè)測點,每處1個,選取1個基點水箱設(shè)置在穩(wěn)定點,采用封閉連通管測量,共計28個。

2)支撐軸力測點:測點布設(shè)選擇在兩支點間1/3部位或混凝土支撐的端頭,每層支撐的軸力監(jiān)測點位不少于3個,共計布設(shè)3層,共計55支。

3)傾斜測點:基坑圍護頂傾斜監(jiān)測點位布置在基坑周邊圍護頂上,沿著四周中部布設(shè);周邊建構(gòu)筑物傾斜根據(jù)項目具體情況布設(shè),共計40個。

3.1.3 工藝原理

1)靜力水準(zhǔn)儀:設(shè)備檢測→安裝橋架→抄平放線、記錄點位→安裝靜力水準(zhǔn)儀支架→安裝保護罩→安裝儲液罐支架→鋪設(shè)水路→氣路鋪設(shè)→設(shè)備調(diào)試→聯(lián)網(wǎng)測試→投入使用。

2)盒式測斜儀:設(shè)備檢測→安裝盒式測斜儀→設(shè)備檢測→線纜固定→聯(lián)網(wǎng)測試→投入使用。

3)振弦式鋼筋計:設(shè)備檢測→安裝振弦式鋼筋計→設(shè)備檢測→線纜固定→聯(lián)網(wǎng)測試→投入使用。

基坑結(jié)構(gòu)如圖2所示。

通過硬件傳感器采集到的信號,需經(jīng)數(shù)據(jù)采集和無線傳輸模塊上傳后,方可在監(jiān)測平臺上對數(shù)據(jù)進行可視化展示和處理分析,把握基坑整體的受力狀態(tài)以及對基坑未來破壞趨勢做出判斷。

3.2 軟件系統(tǒng)搭建

本基坑工程采用“知物云”在線健康監(jiān)測系統(tǒng),包含工程項目管理、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與處理、閾值確定與分級預(yù)警等。

3.2.1 工程項目管理

工程項目管理模塊是為了保證同一單位應(yīng)對不同的工程項目時,業(yè)主可以了解所需要監(jiān)測的項目的安全狀況,做到無縫切換要求,而將所有工程項目匯總在統(tǒng)一平臺下進行管理。此外,對即將開展的項目工程和已完成的監(jiān)測項目,在管理中可以做到實時增添與刪除,實現(xiàn)高效管控。

3.2.2 數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與處理

對硬件采集和傳輸過來的大量原始數(shù)據(jù)資料,通過“知物云”平臺對數(shù)據(jù)進行深一步的處理和分析,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)查詢、存儲、可視化等結(jié)構(gòu)化處理。通過數(shù)據(jù)庫操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)的提取和處理,是對原始數(shù)據(jù)進行處理和分析的關(guān)鍵。

數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與處理主要包括對數(shù)據(jù)進行過濾、二次處理等,并用原始數(shù)據(jù)或曲線等進行展示,然后多終端進行原始數(shù)據(jù)或者以曲線的形式等進行展示,打印相關(guān)表、數(shù)據(jù)等,部分展示圖如圖3—圖6所示。

圍護墻頂部水平位移在施工過程中,監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果在±2 mm左右上下波動,整體變化呈現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展趨勢,滿足設(shè)計施工要求;深基坑支撐軸力隨著支撐架設(shè)的不斷完善,最終的曲線結(jié)果趨于穩(wěn)定。

知物云監(jiān)測平臺搭載人工數(shù)據(jù)上傳功能,可以對檢測數(shù)據(jù)進行處理分析,如圖7所示。

通過曲線變化不難看出,在基坑施工過程中,通過采用圍護結(jié)構(gòu)和內(nèi)支撐的支護形式,曲線整體呈現(xiàn)出“組合式”位移曲線發(fā)展變化,形成兩頭小中間大的“弓形”曲線,滿足圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移理論[9]。

3.2.3 閾值設(shè)定與預(yù)警

預(yù)警值的確定設(shè)置是一個非常嚴(yán)謹(jǐn)、嚴(yán)肅的過程,綜合考慮設(shè)計院提供的控制值、理論計算、施工監(jiān)控得到的信息、實際測試數(shù)據(jù)等多方因素。分級預(yù)警設(shè)定可以實時掌控工程的風(fēng)險程度,以及排查數(shù)據(jù)中斷和設(shè)備故障問題,系統(tǒng)搭載短信和郵件告警兩種方式,從而保障工程的施工安全。

4 結(jié)語

電力隧道基坑工程采用自動化監(jiān)測技術(shù),實現(xiàn)了對基坑“遠程”“實時在線”“非接觸”的監(jiān)測,是將傳統(tǒng)的檢測手段邁向與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)相結(jié)合的一次有利實踐。自動化監(jiān)測技術(shù)不僅解決了施工過程中遇到的通勤限制和施工作業(yè)環(huán)境影響問題,驗證了健康監(jiān)測的可行性以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,而且監(jiān)測框架的搭建也使得施工更加有序高效,無需耗費大量人力物力資源且避免了人工檢測后期對海量數(shù)據(jù)進行匯總分析。但由于基坑自動化監(jiān)測還處于發(fā)展階段,在應(yīng)對監(jiān)測精度問題上仍有較大挑戰(zhàn),仍需人工檢測的扶持,“知物云”監(jiān)測平臺的引入,實現(xiàn)了對人工數(shù)據(jù)上傳,將二者有機的結(jié)合在一起,取長補短,共同保障施工作業(yè)安全。相信在相關(guān)監(jiān)測規(guī)范的出臺以及一次次的實際工程檢驗下,自動化監(jiān)測將向著更加規(guī)范與高效的方向不斷發(fā)展。