超大基坑施工變形風(fēng)險預(yù)控技術(shù)研究
——以深圳某樞紐工程為例

王尚清，鄭朋興，朱 旻

（1、中鐵南方投資集團(tuán)有限公司 深圳 518000；2、深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 深圳 518000；3、濱海城市韌性基礎(chǔ)設(shè)施教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（深圳大學(xué)） 深圳 518000）

0 引言

基坑監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)基坑信息化施工的重要手段。近年來，基坑工程呈現(xiàn)出更深更大、緊鄰既有建筑、周邊環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，施工風(fēng)險高，基坑監(jiān)測的重要性日益凸顯。石嶺等人［1］結(jié)合洛陽地鐵1號線武漢路站深基坑半幅蓋挖法施工過程，對支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊建筑變形進(jìn)行監(jiān)測分析；吳昊［2］針對某特大污水處理廠基坑制定針對性的監(jiān)測方案，提出優(yōu)化施工和提高監(jiān)測精度的措施；金亞兵等人［3］采用自主研發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害與工程結(jié)構(gòu)安全自動化監(jiān)測預(yù)警平臺，實(shí)現(xiàn)了深基坑內(nèi)支撐系統(tǒng)溫度變化影響的實(shí)時、連續(xù)、在線的自動化監(jiān)測；谷淡平以深圳市地鐵6 號線科學(xué)館站超深基坑的上跨便橋段支護(hù)工程為依托，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測情況對便橋荷載作用下超深基坑地下連續(xù)墻的變形特征進(jìn)行了分析［4］；李振興等人［5］以杭州某臨近地鐵深基坑為工程背景，研究鄰近地鐵深基坑智能化安全監(jiān)測系統(tǒng)。本文以深圳地鐵某綜合交通樞紐為例，采用視頻識別自動化監(jiān)測技術(shù)，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險位置的變形進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測評估，保證深基坑施工過程安全。

1 工程概況

深圳市某綜合交通樞紐位于福田中心區(qū)，為深圳地鐵7號線（既有線路）、14號線（在建線路）以及24號線（規(guī)劃線路）的三線換乘樞紐，是深圳市中部發(fā)展軸上最重要的交通節(jié)點(diǎn)之一。如圖1 所示，樞紐核心區(qū)由14 號線基坑、24 號線基坑、運(yùn)營地鐵7 號線車站和雙索面單脊拱橋組成。其中，14號線基坑考慮到既有7 號線的保護(hù)，采用蓋挖逆作法施工，既保證下部基坑整體開挖的連續(xù)性，又能利用頂板作為上部橋樁施工作業(yè)面。14 號線基坑長262 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬44.6 m，最寬81.3 m，地下3 層，坑深約30 m，主體結(jié)構(gòu)分為3 個部分，分別為北基坑、中間基坑和南基坑。14 號線某車站的地質(zhì)剖面如圖2 所示。從上至下地層依次為〈1-1〉素填土、〈8-1〉礫質(zhì)粘性土、〈10-11〉全風(fēng)化花崗巖、〈10-21〉土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、〈10-31〉塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、〈10-41〉中風(fēng)化花崗巖?？垢∷晃挥诘孛?。

圖2 14號線基坑地質(zhì)剖面Fig.2 Geological Profile of the Foundation Pit of Line 14

14 號線基坑為復(fù)雜深大異形基坑，水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，且緊鄰運(yùn)營地鐵7號線車站，基坑開挖時空效應(yīng)明顯。當(dāng)基坑施工措施不當(dāng)或監(jiān)測分析預(yù)判不準(zhǔn)確時，容易產(chǎn)生過大變形，進(jìn)而威脅基坑結(jié)構(gòu)和既有車站安全。因此14號線深基坑工程被列為該樞紐工程的Ⅰ級風(fēng)險，亟需從設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測多方面控制基坑變形，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險預(yù)控。項(xiàng)目采用的14號線深基坑變形控制技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 基坑施工變形控制技術(shù)流程Fig.3 Technical Process of Deformation Control of Foundation Pit Construction

2 基坑變形定量評估和風(fēng)險位置判別

14號線基坑開挖體量大且時空效應(yīng)明顯，因此施工前應(yīng)對基坑結(jié)構(gòu)變形和主要風(fēng)險位置進(jìn)行預(yù)判。有限元是分析復(fù)雜基坑變形的一種有效手段［6］，但其分析準(zhǔn)確性受土體本構(gòu)模型和參數(shù)影響較大。因此在確定關(guān)鍵地層本構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)上，建立樞紐核心區(qū)精細(xì)化三維有限元模型，對施工全過程14號線基坑和既有7 號線車站結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行定量評估，并確定關(guān)鍵風(fēng)險位置，為現(xiàn)場施工和監(jiān)測提供依據(jù)。

2.1 有限元模型建立

采用PLAXIS 3D 軟件對樞紐工程核心區(qū)進(jìn)行建模，如圖4所示?？紤]邊界效應(yīng)的影響，建模范圍設(shè)置為450 m×450 m×60 m，各邊界與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的距離均大于3倍基坑開挖深度。模型四周邊界約束水平位移，底部約束水平和豎向位移；左右邊界和頂部為排水面，底部不透水，水位線位于地表以下5.8 m。

圖4 三維有限元模型Fig.4 3D Finite Element Model

材料參數(shù)方面，花崗巖殘積土是基坑所處的主要土層，且力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，其參數(shù)確定方法在3.2節(jié)進(jìn)行討論；其余地層參數(shù)按勘測報告選取。地下連續(xù)墻、樓板、結(jié)構(gòu)墻均按照實(shí)際幾何尺寸，以板單元模擬；排樁按照等效剛度的原則，計(jì)算等效厚度后，以板單元模擬；立柱通過梁單元模擬，其兩個連接節(jié)點(diǎn)均為剛接；立柱樁采用嵌入式梁單元模擬?；炷恋谋緲?gòu)模型為線彈性，彈性模量E=31.5 GPa，泊松比ν=0.17。

分析步方面，考慮到7 號線車站為既有結(jié)構(gòu)，因此先采用明挖順做法進(jìn)行7 號線車站的施工模擬，并將施工后的位移整體重置為0；14 號線基坑采用蓋挖逆作法模擬，首先施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)和立柱樁，開挖至頂板高度，激活頂板后進(jìn)行-1F 土方開挖，按照北區(qū)-南區(qū)-中區(qū)的開挖順序，中區(qū)開挖時，破除核心區(qū)東西向的地下連續(xù)墻，按照同樣的順序進(jìn)行-2F 和-3F 的土方開挖。

2.2 關(guān)鍵土層本構(gòu)參數(shù)取值

土體本構(gòu)模型和參數(shù)的合理選取是影響有限元分析結(jié)果的最主要因素。14 號線基坑和7 號線車站所處的主要地層為花崗巖殘積土層，是花崗巖經(jīng)物理風(fēng)化后原位殘積的產(chǎn)物，兼具粗粒和細(xì)粒土的工程特性，其物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特性復(fù)雜，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)性強(qiáng)且遇水極易軟化。HSS 小應(yīng)變剛度模型兼具M(jìn)-C模型、鄧肯-張模型的主要特點(diǎn)，且強(qiáng)化了描述土體非線性變形的能力，因此適用于殘積土力學(xué)特性的描述。［7-12］但大量工程實(shí)踐表明，采用室內(nèi)試驗(yàn)確定的殘積土HSS 模型參數(shù)不夠準(zhǔn)確，用于工程計(jì)算會產(chǎn)生較大誤差。而自鉆式旁壓試驗(yàn)（SBPT）是一種對土層擾動小，測試深度大的原位測試技術(shù)。采用SBPT 試驗(yàn)和有限元反演來確定花崗巖殘積土的HSS 模型參數(shù)更為合理，其主要流程如圖5所示。通過反演計(jì)算，得到殘積土本構(gòu)參數(shù)列于表1。

表1 花崗巖殘積土HSS模型本構(gòu)參數(shù)Tab.1 Constitutive Parameters of the HSS Model of Granite Residual Soil

圖5 基于SBPT試驗(yàn)的殘積土HSS模型參數(shù)反演流程Fig.5 Parameter Inversion Process of Residual Soil HSS Model Based on SBPT Test

2.3 基坑和車站變形分析

仿真得到的7 號線車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形網(wǎng)格如圖6所示，最大變形量為7.5 mm，小于變形控制值10 mm。7 號線車站結(jié)構(gòu)在14 號線基坑開挖過程中處于安全狀態(tài)，但考慮到14號線基坑施工期7號線車站一直處于運(yùn)營狀態(tài)，因此仍需對7 號線圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形較大位置開展監(jiān)測。

圖6 7號線車站變形網(wǎng)格Fig.6 Line 7 Station Deformation Grid

2.4 關(guān)鍵風(fēng)險位置判別

14 號線西側(cè)地下連續(xù)墻（靠近鋼便橋一側(cè)）的變形網(wǎng)格和變形云圖如圖7 所示，墻身最大側(cè)移約為18 mm?？梢园l(fā)現(xiàn)北區(qū)地連墻最大變形約為12.5 mm，且位于14 號線和24 號線基坑的陽角位置，此處地下一層開挖空間和深度較大（約14 m），對混凝土板和臨近鋼便橋結(jié)構(gòu)安全的影響不可忽視，應(yīng)當(dāng)作為監(jiān)測的重點(diǎn)位置。

圖7 14號線西側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形Fig.7 The Deformation of the Retaining Structure on the West Side of Line 14

3 風(fēng)險監(jiān)測方案

結(jié)合本文2.3節(jié)確定的14號線基坑施工主要風(fēng)險位置，確定本工程的監(jiān)測重點(diǎn)；結(jié)合自動化監(jiān)測技術(shù)，在傳統(tǒng)監(jiān)測方案的基礎(chǔ)上，提出本項(xiàng)目的風(fēng)險監(jiān)測方案：

⑴ 在7 號線圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的土體開挖后，在地下連續(xù)墻上布置反光貼，用全站儀監(jiān)測7 號線靠近開挖一側(cè)的地下連續(xù)墻側(cè)移；

⑵在北區(qū)地下一層土方開挖完成后，在地下連續(xù)墻上設(shè)置若干標(biāo)靶，采用視頻識別技術(shù)監(jiān)測地下連續(xù)墻在-2F、-3F土方開挖時的水平位移；

⑶受地連墻施工影響，在1號位置地下連續(xù)墻布置的測斜管被破壞，因此在地連墻未開挖一側(cè)補(bǔ)設(shè)土體測斜孔，測量整個開挖過程中的土體位移。

下面以視頻識別技術(shù)為例，詳細(xì)介紹風(fēng)險監(jiān)測的現(xiàn)場實(shí)施情況。

3.1 視頻識別技術(shù)原理

基于機(jī)器視覺的變形量測是目前研究的熱點(diǎn)問題［13-15］。其主要原理為：三維世界中的標(biāo)靶可以通過相機(jī)的透鏡在成像平面上映射出二維投影，忽略鏡頭畸變帶來的影響，可通過光的直線傳播原理解釋。

如圖8 所示O 點(diǎn)為攝像機(jī)光心，相機(jī)坐標(biāo)系以O(shè)為原點(diǎn)，zc軸與鏡頭光軸平行，相機(jī)標(biāo)系中的坐標(biāo)點(diǎn)是以攝像機(jī)的視角而言的，世界坐標(biāo)系（x0，y0，z0）的存在是為了描述物體和攝像機(jī)的絕對位置，其坐標(biāo)代表客觀世界中的絕對坐標(biāo)，也稱為大地坐標(biāo)系世界坐標(biāo)系。

圖8 相機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系Fig.8 Camera Coordinate System and World Coordinate System

某點(diǎn)的坐標(biāo)可以在兩個坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換的方法也很簡單，就是旋轉(zhuǎn)變換+平移變換。

設(shè)相機(jī)坐標(biāo)系中點(diǎn)Pc（xc，yc，zc）經(jīng)過轉(zhuǎn)換后為世界坐標(biāo)系中P0（x0，y0，z0），兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系見式⑴：

通過相機(jī)的成像模型，可以將相機(jī)坐標(biāo)系中的三維點(diǎn)映射到成像平面上的二維點(diǎn)。通過初始成像平面上的像素坐標(biāo)與當(dāng)前成像平面上的像素坐標(biāo)之差可以反推出當(dāng)前世界坐標(biāo)和初始世界坐標(biāo)之差，即可得到位移量。

3.2 傳感器現(xiàn)場布置

在-1F 底板澆筑后，在該綜合交通樞紐中區(qū)布置了機(jī)器視覺監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)采用8 mm 焦距的?？低晹z像頭，及邊長為200 mm 的正方形標(biāo)靶。對-2F、-3F 開挖對-1F地連墻的影響進(jìn)行了監(jiān)測。監(jiān)測位置位于-1F 連接縫處，距離拐角處2.5 m，為有限元計(jì)算出的危險截面，安裝示意圖如圖9所示，地連墻高度為11.5 m，通過升降機(jī)將1～7 號靶標(biāo)安裝在地連墻危險截面處，機(jī)器識別系統(tǒng)整體示意圖，標(biāo)靶示意圖如圖9 所示，一共安裝了7 個靶標(biāo)，其中1 號靶標(biāo)為基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)主要作用是使得機(jī)器識別時具有參考系，減小識別過程中的環(huán)境影響，光線等外在影響。

圖9 視頻識別設(shè)備安裝Fig.9 Video Identification Device Installation

機(jī)器視覺測量系統(tǒng)包括拍攝裝置、處理裝置、識別裝置、測算裝置、判定裝置五大裝置。

3.3 監(jiān)測結(jié)果分析

-2F 開挖時，視頻識別得到的地下連續(xù)墻水平位移監(jiān)測結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，-2F開挖期間，標(biāo)靶監(jiān)測的最大位移量不超過2 mm，說明在-1F底板澆筑完成后，能夠?qū)Φ叵陆Y(jié)構(gòu)整體起到較好的支撐作用，-2F的開挖對-1F地連墻的影響較小，結(jié)構(gòu)安全。

圖10 圍護(hù)結(jié)構(gòu)各標(biāo)靶水平位移Fig.10 The Horizontal Displacement of Each Target of the Enclosure Structure

3.4 風(fēng)險控制措施

為控制14號線施工過程中的安全風(fēng)險，現(xiàn)場采用的主要措施包括：

⑴采取坑內(nèi)降水措施。

⑵必要時地基采取換填或者加固措施。

⑶基坑開挖強(qiáng)調(diào)分段、分層均衡開挖。嚴(yán)格控制單步開挖深度，嚴(yán)禁超挖。土方開挖放坡應(yīng)按“時空效應(yīng)原理”分塊開挖，支撐架設(shè)與土方開挖密密切配合。

⑷做好防排水措施，當(dāng)周邊建筑變形速度較快時，停止施工并補(bǔ)償注漿。

通過對影響基坑安全的主要風(fēng)險點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，提出變形控制值，并采取三級管理體系，對存在異常的情況及時報警，并采取相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，保證基坑施工過程安全。

4 結(jié)論

以深圳地鐵某綜合交通樞紐為工程背景，對14號線基坑施工中圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險位置進(jìn)行識別和監(jiān)測，得出的主要結(jié)論如下：

⑴通過三維有限元分析，得出該樞紐14 號線基坑施工過程中的主要風(fēng)險位置為運(yùn)營7號線車站靠近14 號線基坑側(cè)的地下連續(xù)墻，以及14、24 號線基坑交匯處陽角位置的14號線基坑地下連續(xù)墻，需加強(qiáng)對風(fēng)險位置的監(jiān)測。

⑵采用視頻識別技術(shù)，對變形風(fēng)險較大的14 號線基坑地下連續(xù)墻進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明，-2F開挖期間，標(biāo)靶監(jiān)測的最大位移量不超過2 mm，這說明在-1F 底板澆筑完成后，能夠?qū)Φ叵陆Y(jié)構(gòu)整體起到較好的支撐作用。

⑶ 通過對影響基坑安全的主要風(fēng)險點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合相應(yīng)的風(fēng)險控制措施，能夠有效保證深基坑施工過程的安全。