自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)在地鐵基坑變形監(jiān)測中的應(yīng)用

張春節(jié) 魏力 王歡

摘要：在地鐵車站基坑施工過程中，為了保障工程安全，采用自動(dòng)化監(jiān)測手段對(duì)基坑進(jìn)行實(shí)時(shí)變形監(jiān)測。本文介紹了自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)在沈陽市新建地鐵九號(hào)線北二路車站基坑監(jiān)測中的使用。從監(jiān)測網(wǎng)布置、測量方法、監(jiān)測結(jié)果分析幾個(gè)方面較詳細(xì)的說明了自動(dòng)化監(jiān)測方法在指導(dǎo)基坑施工進(jìn)行的方法和過程，為相似工程的變形監(jiān)測提供借鑒和參考。

Abstract： In the construction process of subway station foundation pits， in order to ensure the safety of the project， the real-time deformation monitoring of the foundation pits is carried out by using automatic monitoring methods. This article introduces the use of the automatic monitoring system in the foundation pit monitoring of the Beier Road Station of the new Metro Line 9 in Shenyang. From the aspects of monitoring network layout， measurement methods and analysis of monitoring results， the method and process of automatic monitoring method in guiding the construction of foundation pits are explained in detail， which provides reference for deformation monitoring of similar projects.

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化監(jiān)測;基坑施工;監(jiān)測網(wǎng)布置;位移

Key words： automatic monitoring;foundation pit construction;monitoring network layout;displacement

中圖分類號(hào)：U231.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）22-0216-02

0? 引言

在地鐵車站深基坑施工過程中，要求對(duì)基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行系統(tǒng)和全面的監(jiān)測，確保工程順利進(jìn)行。深基坑開挖過程中變形監(jiān)測的作用主要是確保支護(hù)結(jié)構(gòu)等受力部件的安全[1～2]。在施工過程中，通過對(duì)工程現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，了解現(xiàn)場發(fā)生的變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取措施，防止事故的發(fā)生。

目前基坑的變形監(jiān)測主要采用常規(guī)人工測量的方法，該方法監(jiān)測頻率高、效率低、工作量大，且受基坑施工的限制，無法實(shí)現(xiàn)監(jiān)測工作的實(shí)時(shí)化、全天候，對(duì)于地鐵深基坑這樣的周期長、頻率高的監(jiān)測項(xiàng)目來說，應(yīng)用自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行變形監(jiān)測可以極大地提高工作效率，掌握車站基坑變形信息的實(shí)時(shí)化[3～4]。本文以沈陽市地鐵九號(hào)線北二路站基坑施工監(jiān)測項(xiàng)目為例，介紹了項(xiàng)目自動(dòng)化變形監(jiān)測方法，分析了該自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)的精度，并對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出了變形結(jié)果。

1? 工程概況

沈陽市九號(hào)線北二路站位于南北向興華北街與東西向北二路交叉路口南側(cè)，沿興華北街南北向布置，與遠(yuǎn)期五號(hào)線換乘。車站為兩層三跨的矩形框架結(jié)構(gòu)，14m島式站臺(tái)，車站總長179.4m，主體結(jié)構(gòu)采用裝配式半鋪蓋法施工。車站東半幅蓋挖，西半幅明挖，明、蓋挖分界處設(shè)？準(zhǔn)800鋼管柱及？準(zhǔn)1400混凝土樁基礎(chǔ)作為臨時(shí)路面的豎向支撐結(jié)構(gòu)。

2? 監(jiān)測網(wǎng)布置

在兼顧全站儀的視場要求和檢測要求基礎(chǔ)上來布置監(jiān)測網(wǎng)，布置前先進(jìn)行點(diǎn)位估算，點(diǎn)位估算是通過全站儀的小視場功能實(shí)現(xiàn)的，穩(wěn)固有效的基準(zhǔn)點(diǎn)需離變形區(qū)80～120m遠(yuǎn)，如圖1所示，可將布置在基坑四周100m處的4個(gè)點(diǎn)（JZ1、JZ2、JZ3、JZ4）作為基準(zhǔn)點(diǎn)。在基坑西側(cè)側(cè)墻上均勻設(shè)置三個(gè)固定強(qiáng)制對(duì)中墩臺(tái)作為監(jiān)測站，在墩臺(tái)上架設(shè)3臺(tái)徠卡TS30全站儀。在基坑?xùn)|側(cè)明挖段豎向支撐結(jié)構(gòu)上布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，由南向北每一塊底板稱作一個(gè)倉，總共八個(gè)倉，每個(gè)倉中設(shè)置一個(gè)斷面，總共布設(shè)8個(gè)斷面（D1～D8），在混凝土支撐結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)上由上至下均勻布設(shè)4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)（D1-1、D1-2、D1-3、D1-4）組成一個(gè)斷面。各監(jiān)測斷面上監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)如圖2所示。將固定的棱鏡或反射貼片裝配到每一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)，基坑施工不會(huì)受到各監(jiān)測設(shè)備的干擾。采用自定義的空間直角坐標(biāo)系（稱為基坑坐標(biāo)系），南北方向?yàn)閄軸，東西方向?yàn)閅軸，鉛垂方向?yàn)閆軸。假定JZ1坐標(biāo)為（1000.000，1000.000，10.000）（單位：m），JZ1至JZ2的方位角為0°。

3? 測量方法

徠卡TS30全站儀在自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)中觀測時(shí)采用ATR模式[5]，在每個(gè)周期觀測前，測站點(diǎn)基坑坐標(biāo)系下的坐標(biāo)是根據(jù)測量4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)（JZ1～JZ4）4個(gè)測回推導(dǎo)出來的，而監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)是由前面的測量結(jié)果以及觀測全部監(jiān)測點(diǎn)得到的。觀測模式、觀測頻率和觀測時(shí)間等在監(jiān)測系統(tǒng)中的設(shè)定是依靠基坑施工情況來進(jìn)行的。最佳觀測時(shí)間為夜間施工暫停時(shí)，一般觀測1～2次，每次觀測2測回;白天施工誤差較大，一般觀測2～4次，每次觀測2測回，每周期大概需要15min的測量時(shí)間。重點(diǎn)部位可視基坑開挖深度的增加而相應(yīng)增加其觀測頻率。觀測中，當(dāng)遇到遮擋目標(biāo)或者結(jié)果超限等情況，系統(tǒng)會(huì)采取適當(dāng)?shù)却蛘咧匦聹y量的措施。

自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)在測量同一周期內(nèi)的基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)及監(jiān)測點(diǎn)的過程中，基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)會(huì)影響數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會(huì)采取相應(yīng)措施更新工作基點(diǎn)坐標(biāo)，然后計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)三維坐標(biāo)，最后應(yīng)用編寫的軟件，生成客戶需要的表格[6]。

4? 監(jiān)測結(jié)果分析

在分析系統(tǒng)中，每一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)任意時(shí)刻的本期位速率、本期位移量、累積位移速率、累積位移量、平均位移速率、平均位移量及最大點(diǎn)位位移等都可以被隨時(shí)查看。如圖3所示，基坑位移會(huì)根據(jù)其施工階段的變化而變化。分析系統(tǒng)中的結(jié)果會(huì)清晰展現(xiàn)這個(gè)過程：以一倉為例，圖3（a）中（“+”表示位移走向基坑方向，“-”表示位移離開基坑方向）。處于初始施工階段的位移變化會(huì)比較明顯，隨著時(shí)間的推移車站主體結(jié)構(gòu)完工，位移變化才趨于平緩。混凝土支撐結(jié)構(gòu)水平位移向基坑方向變化明顯，其中結(jié)構(gòu)最上方的監(jiān)測點(diǎn)D1-1位移最大，達(dá)到了-5.41mm，由上至下的監(jiān)測點(diǎn)形變?cè)絹碓叫。纱苏f明支撐結(jié)構(gòu)上方受力較大也最容易產(chǎn)生形變;從施工開始到施工結(jié)束，該斷面位移量逐漸變緩，后期形變曲線接近于直線，說明隨著施工結(jié)束，支撐結(jié)構(gòu)逐漸達(dá)到穩(wěn)定，工程施工安全達(dá)到要求。而圖3（b）中（“+”表示向道路北方向位移，“-”表示向道路南方向位移），支撐結(jié)構(gòu)水平位移（X方向）變化并不明顯，位移量較小，整體形變量在±0.5mm之間，說明該支撐結(jié)構(gòu)在其X方向受力并不明顯。圖3（c）中（“+”表示上升，“-”表示下沉），支撐結(jié)構(gòu)垂直方向位移變化量更小，整體形變量在±0.3mm之間，通過分析認(rèn)為結(jié)構(gòu)上部受力主要來自地面交通的壓力，在設(shè)計(jì)之初就已經(jīng)通過計(jì)算確認(rèn)，該結(jié)構(gòu)承受良好，無明顯位移。

根據(jù)項(xiàng)目監(jiān)測控制指標(biāo)，對(duì)于地鐵基坑明、蓋挖分界處豎向支撐結(jié)構(gòu)垂直位移和水平位移，規(guī)定變形達(dá)到±3.3mm時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警，達(dá)到±6.7mm時(shí)將采取一定措施，變形必須控制在±10mm以內(nèi)。從系統(tǒng)曲線上看，沉降量最多不超過1.0mm，水平位移量最多不超過6mm，都符合要求。

5? 結(jié)束語

隨著測繪儀器及相關(guān)軟件的發(fā)展以及地鐵工程實(shí)時(shí)化的監(jiān)測要求，自動(dòng)化監(jiān)測已經(jīng)成為地鐵基坑施工安全監(jiān)測的發(fā)展方向。自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)以其強(qiáng)大的功能，能與徠卡TS30全站儀組成自動(dòng)測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)監(jiān)測過程的全自動(dòng)化。本文針對(duì)沈陽市地鐵九號(hào)線車站基坑施工自動(dòng)化監(jiān)測實(shí)例，對(duì)地鐵車站基坑的垂直位移和水平位移精度進(jìn)行分析，并結(jié)合基坑施工狀況對(duì)分析系統(tǒng)中的位移曲線圖所反映的變化情況和趨勢(shì)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明該自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)可以達(dá)到地鐵基坑變形監(jiān)測的精度要求，且受人為影響少，自動(dòng)化程度高，真正實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果也有效地指導(dǎo)了基坑施工，保證了車站基坑的安全，為今后類似工程的變形監(jiān)測提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]李桂華，黃騰，席廣永，等.軟土地鐵隧道運(yùn)營期沉降監(jiān)控研究綜述[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，39（3）：277-284.

[2]鐘金寧，段偉，田有良.應(yīng)用TM30進(jìn)行地鐵隧道變形自動(dòng)監(jiān)測的研究[J].測繪通報(bào)，2011（7）：85-88.

[3]曾賢敏，黃騰，李桂華.地鐵隧道保護(hù)區(qū)變形監(jiān)測信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測繪與空間地理信息，2015（1）：107-110.

[4]儲(chǔ)征偉，鐘金寧，段偉，等.自動(dòng)化三維高精度智能監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（2）：225-229.

[5]潘國兵，李沁羽，張維.徠卡GeoMos自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)在滑坡外部變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2010（11）：66-67.

作者簡介：張春節(jié)（1978-），男，北京人，畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，研究方向?yàn)槭姓こ獭?/p>