地鐵施工中監測控制及自動化監測研究

摘要 在地鐵施工過程中，基坑監測及周圍建構筑物監測作為重要的監測內容，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，應用廣泛，但該監測措施基本上采用人工監測，無法對關鍵風險部位進行實時監測。文章對人工監測和自動化監測的優缺點及數據可靠情況進行分析，依托廣州地鐵18號線萬頃沙站明挖區間項目，采用傳統人工監測和深基坑自動化監測結合的方式進行數據對比，結果表明：人工監測和自動化監測數據差異很小，自動化監測可以應用在地鐵施工關鍵風險部位。

關鍵詞 地鐵施工;基坑監測;自動化監測

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測。

0 引言

在當前城市軌道交通廣泛建設的環境下，為保證施工安全和施工質量，施工時須對地鐵深基坑及周圍建筑物變形沉降進行監測及控制[1]。監控量測是基坑施工的重點，監測支護結構、周圍土體狀態、地表及建筑物的動態，及時分析和預測，針對風險部位進行自動化監測，實時上傳數據，指導施工，為以后類似施工做經驗儲備。在施工過程中必須嚴格按照設計要求進行監測工作，對重點風險部位進行加密監測。為地鐵施工中的安全生產及質量控制提供可靠的數據支撐[2]。

1 工程概況

1.1 工程地質

該段基坑為廣州地鐵18號線萬頃沙出入段線明挖區間中取100 m作為研究段，工程地質情況：基底處于<2-1A>淤泥層，部分基底處于<4N-2>粉質黏土層。結構底板位于<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。

基坑范圍內的地質主要為：填土層<1>、淤泥層<2-1A>、淤泥質土層<2-1B>、淤泥質粉細砂層<2-2>等。地質天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、滲透性弱、固結系數小，南沙地區軟土一般為絮狀結構，其中以濱海沉積的片架結構黏土為代表，受到擾動后強度會顯著降低，甚至呈流動狀態，觸變性強。淤泥質地層黏聚力差，抗剪強度小，成槽過程中易出現塌孔、縮頸等問題，槽壁穩定性不易控制;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以下風險：

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

（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險區和地面塌陷高風險區，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）基坑支撐架設不及時、支撐架設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、雙輪銑等高聳設備在施工過程中如地基失穩，易造成機械傾倒。

（5）三軸攪拌樁及地下連續墻在淤泥質地層中易造成塌孔、縮孔，導致地面沉降大，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，打破既有土體的穩定性，導致基坑支護結構墻體產生過大水平位移變形，嚴重會導致墻體失衡、坍塌，基坑內基底土體卸壓易產生隆起、上浮，使基坑周圍土體產生沉降，直接影響基坑周邊環境，導致毗鄰的建筑產生位移、傾斜、不均勻沉降甚至損壞。

基坑開挖后，基坑內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，出現失衡狀態。淤泥所產生的位移、沉降或隆起會使三軸攪拌樁槽壁加固的穩定性控制困難，淤泥土的自穩性差，開挖時易導致滑坡，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險。選取該施工段作為自動化監測實驗段，采用人工監測和自動化監測同步進行。如有變化及時采取相應措施進行加固處理。

1.3 地鐵施工監測實施的意義

施工監測首要目的是對基坑的支護體系、基坑周邊建構筑物等進行變形監測，為施工過程提供技術參考及修正，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構變形和其他影響范圍內的周邊環境以及被保護建構筑物等變形的量值進行測量，能及時反映其變化情況。該試驗段中實現信息化指導是施工的必要手段，及時監測基坑支護結構的變形量進而判斷支護結構是否穩定及周邊建構筑物是否變形。在施工過程中對實測數據及周邊建筑物的變形觀測資料分析，預測基坑及周邊建筑物的變化發展趨勢，為優化施工方案提供依據;將監測實際數據與預測值相對比，判斷上一步施工布置和圍護（支護）結構變形是否達到了預期的要求，根據監測數據調整下一步施工工序及參數，保證基坑施工生產安全及周邊建構筑的安全。

2 監測布點原則及布設方式

重要監測項采用同位置、布設雙孔原則，人工監測和自動化監測同步進行。

深層水平位移是基坑開挖過程中重要的監測項目，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測數據的真實性及準確性，傳統測斜儀器由測斜管、測斜探頭、數字式測讀儀及通信電纜四個部分構成。自動化測斜儀由測斜管、通信電纜、信號接收（發射）機及固定式測斜儀構成。基坑開挖時，測斜管隨著支護結構體的變形而發生形變，將形變轉化成距離，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 監測項目分析

3.1 布設基準點

監測基準點應布設在工程施工影響范圍之外的穩定區域。基準點使用前應遵循先檢測后使用的原則。基準點、監測點按規范、設計圖紙、監測方案等要求及時進行埋設，定期進行巡查和復測;監測點在開挖之前埋設，并完成采值報驗等相關手續。

3.2 加強組織管理和協調

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

3.3 圍護結構深層水平位移及周圍土體深層水平位移監測數據計算與比對

活動式測斜儀采用帶導輪的測斜探頭，探頭兩對導輪間距500 mm，以兩對導輪之間的距離為一個測段。每一測段上、下導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）。

經實際數據驗算，選取一天自動化測斜變化情況和該監測點累計人工變化情況，自動化測斜數據密集，但變化量及趨勢互相吻合，人工測斜和自動化測斜數據比對結果見圖1。

3.4 混凝土支撐軸力、鋼支撐應力監測數據計算及比對、水位監測數據分析

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

鋼筋計埋設前必須檢查其初始頻率和廠家提供的系數表上初始頻率是否在誤差范圍內，使用前分三次測定初始頻率，取三次的平均值作為監測初始值。日常監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。

用頻率讀數儀測讀、記錄應力計頻率。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（kN/F）;ΔF——輸出頻率模數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、圍護結構內力計算公式為：

式中，Nq——圍護墻內力（kN）;σs——鋼筋應力

（kN/mm2）;——鋼筋計監測平均應力（kN/mm2）;kj——第j個鋼筋計標定系數（kN/Hz2）;fji——第j個鋼筋計監測頻率（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，由于數據量較大，因此選取16 d數據進行分析（圖2）。隨機選取點位比對，變化曲線及變化量基本相同，自動化數據連貫性明顯高于人工數據，數據可靠，能直觀反映出構件受力的變化情況。

水位數據分析，選取一天水位數據進行列舉，某一天自動化水位監測數據如圖3，該次人工測得數據為?1.92。自動化監測數據和人工數據吻合，并且還能反映出潮汐變化對水位的影響。

4 結語

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

參考文獻

[1]張阿根， 魏子新. 中國地面沉降[M]. 上海： 上海科學技術出版社， 2020.

[2]李蘭英， 王新民， 徐丹青. 地面沉降機理及控制措施[C]//.地球科學與社會可持續發展——2005年華東六省一市地學科技論壇論文集，2005：243-246.

[3]葉喆. 地鐵施工沉降監測與控制方案研究[J]. 科技創新與應用， 2020（30）： 127-128.B14F8796-C278-4202-B829-5DCCD1B07EA2