地鐵施工中監(jiān)測控制及自動化監(jiān)測研究

摘要 在地鐵施工過程中，基坑監(jiān)測及周圍建構(gòu)筑物監(jiān)測作為重要的監(jiān)測內(nèi)容，通常采用水準儀、測斜儀及全站儀等進行測量，其測量精度高，應(yīng)用廣泛，但該監(jiān)測措施基本上采用人工監(jiān)測，無法對關(guān)鍵風(fēng)險部位進行實時監(jiān)測。文章對人工監(jiān)測和自動化監(jiān)測的優(yōu)缺點及數(shù)據(jù)可靠情況進行分析，依托廣州地鐵18號線萬頃沙站明挖區(qū)間項目，采用傳統(tǒng)人工監(jiān)測和深基坑自動化監(jiān)測結(jié)合的方式進行數(shù)據(jù)對比，結(jié)果表明：人工監(jiān)測和自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)差異很小，自動化監(jiān)測可以應(yīng)用在地鐵施工關(guān)鍵風(fēng)險部位。

關(guān)鍵詞 地鐵施工;基坑監(jiān)測;自動化監(jiān)測

中圖分類號 U231.3文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2022）12-0010-03

收稿日期：2022-03-24

作者簡介：藺義（1994—），男，本科，研究方向：城市軌道交通測量及監(jiān)測。

0 引言

在當(dāng)前城市軌道交通廣泛建設(shè)的環(huán)境下，為保證施工安全和施工質(zhì)量，施工時須對地鐵深基坑及周圍建筑物變形沉降進行監(jiān)測及控制[1]。監(jiān)控量測是基坑施工的重點，監(jiān)測支護結(jié)構(gòu)、周圍土體狀態(tài)、地表及建筑物的動態(tài)，及時分析和預(yù)測，針對風(fēng)險部位進行自動化監(jiān)測，實時上傳數(shù)據(jù)，指導(dǎo)施工，為以后類似施工做經(jīng)驗儲備。在施工過程中必須嚴格按照設(shè)計要求進行監(jiān)測工作，對重點風(fēng)險部位進行加密監(jiān)測。為地鐵施工中的安全生產(chǎn)及質(zhì)量控制提供可靠的數(shù)據(jù)支撐[2]。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

該段基坑為廣州地鐵18號線萬頃沙出入段線明挖區(qū)間中取100 m作為研究段，工程地質(zhì)情況：基底處于<2-1A>淤泥層，部分基底處于<4N-2>粉質(zhì)黏土層。結(jié)構(gòu)底板位于<2-1A>、<2-1B>地層段，采用850@600三軸攪拌樁裙邊+抽條加固。加固后復(fù)合地基承載力特征值不低于185 kPa。底板位于<4N-2>段天然地基承載力特征值不低于140 kPa。

1.2 監(jiān)測背景

該施工段跨越七涌河道，采用明挖法施工，明挖施工期間，阻斷原七涌河道。為保證地鐵施工安全和七涌河道的正常運行功能，采用全斷面截流方案對七涌河道進行臨時阻斷，河道水流由兩端水閘控制流量。

基坑范圍內(nèi)的地質(zhì)主要為：填土層<1>、淤泥層<2-1A>、淤泥質(zhì)土層<2-1B>、淤泥質(zhì)粉細砂層<2-2>等。地質(zhì)天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、滲透性弱、固結(jié)系數(shù)小，南沙地區(qū)軟土一般為絮狀結(jié)構(gòu)，其中以濱海沉積的片架結(jié)構(gòu)黏土為代表，受到擾動后強度會顯著降低，甚至呈流動狀態(tài)，觸變性強。淤泥質(zhì)地層黏聚力差，抗剪強度小，成槽過程中易出現(xiàn)塌孔、縮頸等問題，槽壁穩(wěn)定性不易控制;基坑開挖過程中土體自立性不良。

在基坑開挖過程中可能出現(xiàn)以下風(fēng)險：

（1）基坑范圍均處在<2-1A>淤泥、<2-1B>淤泥質(zhì)土等軟弱地層，基底位于<4N-2>可塑狀粉質(zhì)黏土層，局部位于<2-1B>淤泥質(zhì)土層。基坑開挖過程中容易造成開挖面縱坡失穩(wěn)，基底涌水涌砂的風(fēng)險。

（2）基坑開挖范圍處于軟弱地層，淤泥層分布廣泛且厚度較大，為軟土地基沉降較高風(fēng)險區(qū)和地面塌陷高風(fēng)險區(qū)，施工過程可能造成地面沉降大、沉陷和突水事故，嚴重時會造成基坑坍塌。

（3）基坑支撐架設(shè)不及時、支撐架設(shè)計不牢靠或支撐體系剛度不足，基坑超挖引起的基坑變形大，甚至基坑坍塌。

（4）三軸攪拌樁機、汽車吊、履帶吊、成槽機、雙輪銑等高聳設(shè)備在施工過程中如地基失穩(wěn)，易造成機械傾倒。

（5）三軸攪拌樁及地下連續(xù)墻在淤泥質(zhì)地層中易造成塌孔、縮孔，導(dǎo)致地面沉降大，甚至坍塌。

軟土的特性有：天然含水量高、滲透系數(shù)小、具有較強的流變性，壓縮性強。軟土的變形程度取決于荷載及時間，時間對土的沉降及位移有明顯影響。深基坑在軟土中施工時，基坑的開挖會造成周圍土體的卸壓，打破既有土體的穩(wěn)定性，導(dǎo)致基坑支護結(jié)構(gòu)墻體產(chǎn)生過大水平位移變形，嚴重會導(dǎo)致墻體失衡、坍塌，基坑內(nèi)基底土體卸壓易產(chǎn)生隆起、上浮，使基坑周圍土體產(chǎn)生沉降，直接影響基坑周邊環(huán)境，導(dǎo)致毗鄰的建筑產(chǎn)生位移、傾斜、不均勻沉降甚至損壞。

基坑開挖后，基坑內(nèi)部基本是超厚的流塑狀淤泥，有較強的流變性，基坑開挖時和開挖后都會使土壓力減小，出現(xiàn)失衡狀態(tài)。淤泥所產(chǎn)生的位移、沉降或隆起會使三軸攪拌樁槽壁加固的穩(wěn)定性控制困難，淤泥土的自穩(wěn)性差，開挖時易導(dǎo)致滑坡，下陷。基底仍然存在淤泥土，地基承載力不足會有基底隆起的風(fēng)險。選取該施工段作為自動化監(jiān)測實驗段，采用人工監(jiān)測和自動化監(jiān)測同步進行。如有變化及時采取相應(yīng)措施進行加固處理。

1.3 地鐵施工監(jiān)測實施的意義

施工監(jiān)測首要目的是對基坑的支護體系、基坑周邊建構(gòu)筑物等進行變形監(jiān)測，為施工過程提供技術(shù)參考及修正，對施工過程中采取的措施進行驗證，確保施工安全。對施工期間基坑和支護結(jié)構(gòu)變形和其他影響范圍內(nèi)的周邊環(huán)境以及被保護建構(gòu)筑物等變形的量值進行測量，能及時反映其變化情況。該試驗段中實現(xiàn)信息化指導(dǎo)是施工的必要手段，及時監(jiān)測基坑支護結(jié)構(gòu)的變形量進而判斷支護結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定及周邊建構(gòu)筑物是否變形。在施工過程中對實測數(shù)據(jù)及周邊建筑物的變形觀測資料分析，預(yù)測基坑及周邊建筑物的變化發(fā)展趨勢，為優(yōu)化施工方案提供依據(jù);將監(jiān)測實際數(shù)據(jù)與預(yù)測值相對比，判斷上一步施工布置和圍護（支護）結(jié)構(gòu)變形是否達到了預(yù)期的要求，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整下一步施工工序及參數(shù)，保證基坑施工生產(chǎn)安全及周邊建構(gòu)筑的安全。

2 監(jiān)測布點原則及布設(shè)方式

重要監(jiān)測項采用同位置、布設(shè)雙孔原則，人工監(jiān)測和自動化監(jiān)測同步進行。

深層水平位移是基坑開挖過程中重要的監(jiān)測項目，可以直觀反映出支護墻（樁）位移變化情況。地鐵基坑施工過程中保證深層土體水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性及準確性，傳統(tǒng)測斜儀器由測斜管、測斜探頭、數(shù)字式測讀儀及通信電纜四個部分構(gòu)成。自動化測斜儀由測斜管、通信電纜、信號接收（發(fā)射）機及固定式測斜儀構(gòu)成。基坑開挖時，測斜管隨著支護結(jié)構(gòu)體的變形而發(fā)生形變，將形變轉(zhuǎn)化成距離，其中的距離就是該深度的位移變化量。B14F8796-C278-4202-B829-5DCCD1B07EA2

混凝土支撐采用應(yīng)力計，在支撐梁四角主筋綁扎后，將鋼筋計焊接到主筋上并焊接牢固，并將通信線綁扎在支撐梁上，順著支撐梁鋼筋綁扎從冠（腰）梁處伸出，保護通信線不被破壞，鋼筋計編號要和元件上編號相同，初始頻率等信息要齊全后才可澆筑混凝土。

3 監(jiān)測項目分析

3.1 布設(shè)基準點

監(jiān)測基準點應(yīng)布設(shè)在工程施工影響范圍之外的穩(wěn)定區(qū)域。基準點使用前應(yīng)遵循先檢測后使用的原則。基準點、監(jiān)測點按規(guī)范、設(shè)計圖紙、監(jiān)測方案等要求及時進行埋設(shè)，定期進行巡查和復(fù)測;監(jiān)測點在開挖之前埋設(shè)，并完成采值報驗等相關(guān)手續(xù)。

3.2 加強組織管理和協(xié)調(diào)

建立基坑上下應(yīng)急聯(lián)動機制，成立應(yīng)急救援機構(gòu)及編制應(yīng)急預(yù)案，保證監(jiān)測信息溝通流暢。以“分區(qū)、分級、分階段”的原則制定監(jiān)控量測控制標準[3]，以綠色、藍色、黃色、橙色和紅色作為工程風(fēng)險狀態(tài)標示。綠色指安全狀態(tài)，藍色指風(fēng)險提示，黃、橙、紅作為遞進式三級綜合預(yù)警等級進行反饋和控制。

3.3 圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移及周圍土體深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)計算與比對

活動式測斜儀采用帶導(dǎo)輪的測斜探頭，探頭兩對導(dǎo)輪間距500 mm，以兩對導(dǎo)輪之間的距離為一個測段。每一測段上、下導(dǎo)輪間相對水平偏差量δ可通過下式計算得到。固定式測斜儀計算原理和活動式計算原理相同。

δ=l×sinθ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，l——上、下導(dǎo)輪間距;θ——探頭敏感軸與重力軸夾角。

測段n相對于起始點的水平偏差量Δn，由從起始點起連續(xù)測試得到的δi累計而成，即：

式中，δi——起始測段的水平偏差量（mm）;Δn——測點n相對于起始點的水平偏差量（mm）。

經(jīng)實際數(shù)據(jù)驗算，選取一天自動化測斜變化情況和該監(jiān)測點累計人工變化情況，自動化測斜數(shù)據(jù)密集，但變化量及趨勢互相吻合，人工測斜和自動化測斜數(shù)據(jù)比對結(jié)果見圖1。

3.4 混凝土支撐軸力、鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)計算及比對、水位監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

混凝土（鋼支撐）構(gòu)件中的鋼筋計，出廠時均有對應(yīng)的系數(shù)表，在測量時，用測讀儀連接鋼筋計導(dǎo)線，測出各鋼筋計的頻率，通過計算換算成軸力值。

鋼筋計埋設(shè)前必須檢查其初始頻率和廠家提供的系數(shù)表上初始頻率是否在誤差范圍內(nèi)，使用前分三次測定初始頻率，取三次的平均值作為監(jiān)測初始值。日常監(jiān)測值與初始值的差值為累計變化量，該次值與前次值的差值為該次變化量。

用頻率讀數(shù)儀測讀、記錄應(yīng)力計頻率。計算方法如下：

（1）鋼支撐軸力計算公式為：

P=KΔF+B? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，P——所受荷載值（kN）;K——儀器標定系數(shù)（kN/F）;ΔF——輸出頻率模數(shù)實時測量值相對于基準值的變化量（F）;B——儀器的計算修正值（kN）。

（2）混凝土支撐軸力、圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算公式為：

式中，Nq——圍護墻內(nèi)力（kN）;σs——鋼筋應(yīng)力

（kN/mm2）;——鋼筋計監(jiān)測平均應(yīng)力（kN/mm2）;kj——第j個鋼筋計標定系數(shù)（kN/Hz2）;fji——第j個鋼筋計監(jiān)測頻率（Hz）;fj0——第j個鋼筋計安裝后的初始頻率（Hz）;Ajs——第j個鋼筋計截面面積（mm2）;Ec——混凝土彈性模量（kN/mm2）;Es——鋼筋彈性模量（kN/mm2）;Ac——混凝土截面面積（mm2），Ac=A?As;A——圍護墻截面面積（mm2）;As——鋼筋總截面面積（mm2）。

自動化軸力和人工軸力計算采用相同方法，由于數(shù)據(jù)量較大，因此選取16 d數(shù)據(jù)進行分析（圖2）。隨機選取點位比對，變化曲線及變化量基本相同，自動化數(shù)據(jù)連貫性明顯高于人工數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可靠，能直觀反映出構(gòu)件受力的變化情況。

水位數(shù)據(jù)分析，選取一天水位數(shù)據(jù)進行列舉，某一天自動化水位監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3，該次人工測得數(shù)據(jù)為?1.92。自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)和人工數(shù)據(jù)吻合，并且還能反映出潮汐變化對水位的影響。

4 結(jié)語

通過對該項目監(jiān)測情況的研究及資料分析后發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)用監(jiān)測自動化墻體測斜、支撐軸力項目中進行比對，人工測量相比自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)量相對較少，比對相同時間點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)變化量基本一致，變化曲線相同，細節(jié)變化量比人工測量表達更為充分。基坑監(jiān)測風(fēng)險部位可采用人工監(jiān)測和自動化監(jiān)測方式相結(jié)合，能夠使監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時傳輸，預(yù)警后迅速反應(yīng)，為施工安全提供保障。

參考文獻

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