緊鄰深基坑的地鐵結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測體系的建立和工程應(yīng)用

張明棟，張明智

(1.深圳市勘察測繪院有限公司，廣東 深圳 518000； 2.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

緊鄰深基坑的地鐵結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測體系的建立和工程應(yīng)用

張明棟1*，張明智2

(1.深圳市勘察測繪院有限公司，廣東 深圳 518000； 2.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

系統(tǒng)闡述了緊鄰深基坑的地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測體系的建立和應(yīng)用，通過在緊鄰地鐵的一側(cè)布設(shè)水位孔和測斜管分別獲得地下水位情況、深層土體水平位移情況，引入光纖光柵技術(shù)在地鐵隧道內(nèi)部建立地鐵結(jié)構(gòu)沉降、位移、重點(diǎn)部位的管片的變化情況以及重點(diǎn)部位的軌道高差變化情況的自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，從而建立起從外到內(nèi)、人工和自動化結(jié)合的監(jiān)測體系，這對地鐵結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測領(lǐng)域有一定的參考作用。

深基坑監(jiān)測；地鐵變形監(jiān)測； 自動化變形監(jiān)測；變形監(jiān)測體系

1 引 言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，許多大城市競相發(fā)展超高層建筑，而超高層建筑物的基礎(chǔ)往往埋置較深。為了提升超高層建筑開發(fā)價(jià)值，超高層建筑物經(jīng)常選址在建筑物密集的城市核心區(qū)和地鐵樞紐區(qū)域。深基坑的開挖必然會給現(xiàn)有的環(huán)境帶來一定的結(jié)構(gòu)變形，當(dāng)?shù)罔F結(jié)構(gòu)變形超過控制值時(shí)，對工程和和環(huán)境安全以及社會公共秩序會產(chǎn)生很大影響，嚴(yán)重時(shí)還會危及地鐵運(yùn)營和工程的安全，造成人民生命和財(cái)產(chǎn)損失[1]。地鐵變形監(jiān)測作為在深基坑開挖過程中保證地鐵運(yùn)營安全有效方法之一，建立起一套地鐵變形監(jiān)測體系尤為重要。

2 工程概況

工程位于城市中心區(qū)，用地面積 18 900 m2，基坑南側(cè)緊鄰地鐵隧道和車站，北側(cè)為地鐵豎井，基坑開挖深度 33.8 m，基坑底板澆筑厚度為 5 m的混凝土，地下室共5層且與地鐵出入口連通。

根據(jù)勘察報(bào)告，場地內(nèi)分布的地層主要有人工填土層、第四系全新統(tǒng)沖積層、上更新統(tǒng)沖積層及中更新統(tǒng)殘積層，下伏基巖為燕山晚期花崗巖。

3 監(jiān)測體系的建立

根據(jù)基坑設(shè)計(jì)資料，本基坑支護(hù)變形監(jiān)測等級為一級[2]。在本項(xiàng)目的變形監(jiān)測體里，為了保證地鐵的運(yùn)營安全，在基坑開挖至基坑回填期間，對地鐵出入口、風(fēng)亭等地鐵附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行裂縫、沉降以及水平位移監(jiān)測、在基坑北側(cè)地鐵區(qū)域路面進(jìn)行地表沉降監(jiān)測、在基坑北側(cè)近地鐵區(qū)域分別布設(shè)水位孔監(jiān)測地下水位的變化情況和布設(shè)測斜孔對深層土體進(jìn)行水平位移監(jiān)測，在地鐵隧道里安裝光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀對地鐵隧道結(jié)構(gòu)、道床沉降和水平位移進(jìn)行自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測、在管片上光纖光柵表面測縫計(jì)對管片接縫進(jìn)行自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測、在鐵軌上安裝光纖光柵傾斜儀對地鐵軌道橫向高差進(jìn)行自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測、在地鐵隧道里安裝徠卡TCA2003測量機(jī)器人對地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降和水平位移進(jìn)行自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測。

受地鐵運(yùn)營時(shí)間的限制，本項(xiàng)目自動化程度較高且覆蓋完整，涉及人工的項(xiàng)目僅為儀器的人工調(diào)試和維護(hù)，由此可見自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測不僅節(jié)省人力成本、降低勞動強(qiáng)度又能最大限度減少人為測量誤差，所以本文將重點(diǎn)闡述自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測。

3.1 光纖光柵位移監(jiān)測管

光纖光柵技術(shù)[3]應(yīng)用于建筑物結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測早有先例，光纖光柵技術(shù)不僅監(jiān)測精度高且對變形速率變化敏感，但在深圳地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中的應(yīng)用尚屬首次。

2010年5月，深圳市勘察測繪院有限公司(以下簡稱我司)與香港理工大學(xué)進(jìn)行技術(shù)合作，在地鐵隧道結(jié)構(gòu)上布設(shè)光纖光柵位移管 200 m，每 10 m布設(shè)一組光柵計(jì)，共布設(shè)20組(DT1-DT20)，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn) 24 h不間斷的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集地鐵隧道結(jié)構(gòu)的沉降和水平位移數(shù)據(jù)。

由于光纖光柵技術(shù)在深圳尚屬第一次使用，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，在每個(gè)光柵計(jì)下部對應(yīng)位置布設(shè)常規(guī)沉降監(jiān)測點(diǎn)，定期使用天寶DINI03電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行人工水準(zhǔn)沉降監(jiān)測進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，如圖1所示。

圖1 sm125型光纖光柵解調(diào)儀工作界面

3.2 光纖光柵測縫計(jì)

由于本項(xiàng)目地鐵隧道緊鄰基坑，在基坑開挖過程中容易造成地鐵隧道管片發(fā)生錯(cuò)臺和變形，導(dǎo)致地鐵隧道產(chǎn)生裂縫、滲水，需要重點(diǎn)監(jiān)測。在詳細(xì)分析論證的基礎(chǔ)上，在地鐵隧道里選取了3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(DT26-DT28)，我司和香港理工大學(xué)合作，在管片上布設(shè)光纖光柵表面測縫計(jì)對相鄰管片進(jìn)行專項(xiàng)接縫監(jiān)測，該儀器能自動對溫度進(jìn)行補(bǔ)償，并可實(shí)現(xiàn) 24 h不間斷的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.3 光纖光柵傾斜儀

在本項(xiàng)目的地鐵隧道變形監(jiān)測體系里，用光纖光柵位移監(jiān)測管對隧道進(jìn)行了整體的沉降、位移監(jiān)測，使用光纖光柵表面測縫計(jì)監(jiān)測重點(diǎn)區(qū)域的管片變形，但對于地鐵的運(yùn)營安全，時(shí)刻掌握軌道的變形情況尤為重要，為此我司在需要重點(diǎn)監(jiān)測的3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)安裝了3組(DT29-DT31)光纖光柵傾斜儀實(shí)時(shí)監(jiān)測兩走行軌道的高差變化。

3.4 徠卡TCA2003測量機(jī)器人自動化監(jiān)測

2011年5月，由于光纖光柵位移監(jiān)測管的量程即將接近儀器的限制值，為了繼續(xù)對地鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測，我司采用了徠卡TCA2003(0.5″，1 mm+1 ppm)測量機(jī)器人結(jié)合徠卡L型棱鏡對地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降、位移進(jìn)行自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測[4]，如圖2所示。

為了有效繼承原有的光纖光柵位移監(jiān)測管的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在原來的光柵計(jì)所在斷面布設(shè)3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，道床監(jiān)測點(diǎn)2個(gè)，光柵計(jì)所在的對應(yīng)位置監(jiān)測點(diǎn)1個(gè)，共10個(gè)監(jiān)測斷面。

為了保證全站儀的觀測精度和全站儀測距控制在 100 m內(nèi)，將TCA2003測量安裝在變形區(qū)域內(nèi)，在變形影響區(qū)域以外的隧道兩端各布設(shè)4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，從而保證控制網(wǎng)的穩(wěn)定和監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。

圖2 TCA2003測量機(jī)器人

4 監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 光纖光柵位移監(jiān)測管監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

在保證地鐵結(jié)構(gòu)安全的前提下，深圳地鐵結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中首次采用光纖光柵技術(shù)，對本項(xiàng)目來講不僅是一種挑戰(zhàn)和對新技術(shù)新的監(jiān)測方法的追求，更是科研和生產(chǎn)的結(jié)合。在使用光纖光柵位移監(jiān)測管的同時(shí)，設(shè)置了人工沉降監(jiān)測作為對比，人工沉降監(jiān)測使用天寶DINI03，按二等水準(zhǔn)測量的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

由于人工沉降監(jiān)測作業(yè)時(shí)間需要地鐵公司協(xié)調(diào)，所以人工監(jiān)測并不是每天晚上都能進(jìn)行。為了保證數(shù)據(jù)的可對比性，光纖光柵位移監(jiān)測管DTJ8號監(jiān)測點(diǎn)的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)和DTJ8號光柵監(jiān)測點(diǎn)所對應(yīng)的DTCJ8號人工監(jiān)測點(diǎn)的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的其實(shí)監(jiān)測時(shí)間都為2010年4月19日，初始值都為 0.0 mm，兩組數(shù)據(jù)的監(jiān)測結(jié)束時(shí)間都為2011年5月6日，并繪制成曲線圖加以對比。對比數(shù)據(jù)如表1、圖3、圖4所示。

人工監(jiān)測與光柵監(jiān)測累計(jì)沉降數(shù)據(jù)對比 表1

圖3 人工沉降DTCJ8累計(jì)變化量時(shí)程曲線圖

圖4 光纖光柵DTJ8累計(jì)變化量時(shí)程曲線圖

由圖3、圖4可以看出，光纖光柵位移監(jiān)測管所測得的數(shù)據(jù)繪制的曲線圖和人工沉降監(jiān)測的數(shù)據(jù)繪制的曲線圖形非常相似；而從表1差值中可以看出，兩者的結(jié)果相差非常小，最大為 -0.9 mm，說明光纖光柵位移觀測管所測得的數(shù)據(jù)可靠。據(jù)此，光纖光柵技術(shù)可以作為自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測地鐵隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測方法之一。而在測量機(jī)器人自動化監(jiān)測中，誤差會隨著視距的變大而增加，但光纖光柵技術(shù)不受視距的影響，是一種很好的監(jiān)測方法。

5 結(jié) 論

綜觀本項(xiàng)目所建立的監(jiān)測體系，不僅采用了新的監(jiān)測技術(shù)和新的監(jiān)測方法，在對地鐵隧道的整體進(jìn)行自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測的同時(shí)，更顧及到了在基坑開挖過程中所涉及的地鐵隧道變形重點(diǎn)區(qū)域并采用了自動化的裂縫監(jiān)測技術(shù)、軌道高差監(jiān)測技術(shù)。在保證基坑開挖安全和為基坑開挖提供監(jiān)測數(shù)據(jù)的同時(shí)，更著重考慮地鐵運(yùn)營的需要，為地鐵運(yùn)營提供準(zhǔn)確的軌道變形數(shù)據(jù)，從而保障地鐵安全運(yùn)營。

通過在緊鄰地鐵的一側(cè)布設(shè)水位孔和測斜管獲得地下水位情況、深層土體的水平位移情況，引入光纖光柵技術(shù)在地鐵隧道內(nèi)部建立地鐵結(jié)構(gòu)沉降、位移、重點(diǎn)部位的管片變化情況以及重點(diǎn)部位的軌道高差變化情況的自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，從而建立起一套從外到內(nèi)、傳統(tǒng)監(jiān)測方法和新監(jiān)測技術(shù)新監(jiān)測方法相結(jié)合，人工監(jiān)測和自動化監(jiān)測相結(jié)合的有效地鐵隧道變形監(jiān)測體系[5]，這對地鐵結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測領(lǐng)域有一定的參考作用。

[1] 秦長利. 城市軌道交通工程測量[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008：272.

[2] GB50911-2013. 城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 陳朋超，李俊，劉建平等. 光纖光柵埋地管道滑坡區(qū)監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2010(6)：897～901.

[4] 裴運(yùn)軍. 測量機(jī)器人在地鐵隧道自動化變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 工程地質(zhì)與基礎(chǔ)處理，2011(6)：31～33.

[5] 劉兆民. 深基坑變形監(jiān)測體系研究及工程應(yīng)用[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2013.

Construction and Engineering Application of Subway Structure Deformation Monitoring System for Deep Foundation Pit

Zhang Mingdong1，Zhang Mingzhi2

(1.Shenzhen Geotechnical Investigation & Surveying Institute Co.，Ltd. Shenzhen 518000，China；2.Shenzhen Municipal Design & Research Institute Co.，Ltd. Shenzhen 518000，China)

System describes the adjacent to the establishment and application of deep foundation pit of the subway tunnel structure deformation monitoring system, through in adjacent to Metro side layout level hole and inclined tube were obtained of underground water level, the horizontal displacement of deep soil conditions, the introduction of optical fiber grating technology in subway tunnel built subway structure settlement, displacement and changes of the key parts of the segment and track height changes of key parts of the automatic real-time monitoring system, in order to establish from the outside to the inside, manual and automatic combined monitoring system, the monitoring of subway structure deformation have certain reference function.

Deep foundation pit monitoring; metro deformation monitoring; automatic deformation monitoring; deformation monitoring system

1672-8262(2016)06-131-04

TU196

B

2016—08—24

張明棟(1989—)，男，助理工程師，主要從事基坑監(jiān)測、建筑物監(jiān)測、地鐵結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測。