強近接既有線的深大地鐵基坑施工變形監測分析

朱金衛， 鄧樹密

(中國水利水電第十工程局有限公司, 四川成都 610072)

強近接既有線的深大地鐵基坑施工具有體量大、超深開挖、開挖凈寬窄、工序穿插復雜的特點，對既有結構的保護尤為重要。提高在荷載-環境耦合作用下新建及既有運營車站變形監測能力是急需解決的問題。傳統變形監測技術雖有廣泛的運用，但在應用中也存在較大的局限性，如受環境影響大，對現場施工存在干擾等。計算機視覺智能測量系統采用物聯網技術及智能識別算法將視頻數據轉化為變形數據，實現對結構物的超高精度非接觸式實時測量[1-3]，微波雷達變形測試具有遠距離、非接觸、高精度等優點[5-7]。本文結合錦城廣場P+R 地下停車場項目基坑施工過程中自動變形監測工程實例，基于計算機圖像視覺和微波雷達對基坑沉降和水平位移監測進行了研究和探討，提出了精細化的監測方案。

1 計算機視覺和微波雷達形變監測

本次采用的是基于微波雷達和機器視覺智能基坑監測系統，該系統主要包括微波雷達測量子系統和機器視覺測量子系統組成。微波雷達子系統監測基坑支護結構的軸向位移(可分解到面內水平和豎向位移)，同時基坑支護結構水平位移及豎向位移采用機器視覺子系統進行監測。該微波雷達子系統包括數據采集模塊、無線遠程傳輸模塊、數據分析模塊和云臺顯示模塊。該機器視覺子系統包括數據采集模塊、無線遠程傳輸模塊、數據分析模塊和云臺顯示模塊。計算機圖像視覺和微波雷達具有遠距離、非接觸、高精度、省時省力、多點監測等眾多優點，有效解決基坑支護結構測量時測試精度低和效率低等難題，對于基坑危險部位能夠做到實時監測、及時預警功能。現場計算機視覺采集模塊包括設置于基坑支護結構上的靶標及觀測靶標的目攝像機，攝像機內置自動識別程序及解算算法程序，智能攝像機識別并觀測設置于基坑支護結構上的靶標，攝像機實時監控靶標的水平位移和豎向位移并解算出靶標的水平位移和豎向位移數據。圖像視覺的位移監測系統原理如圖1所示。

圖1 測點系統原理示意

微波雷達是基于線性調頻連續波技術和干涉測量技術測量設備。線性調頻連續波技術是用于縮短識別2個目標物所需的最小徑向距離，提高雷達的距離向分辨率。干涉測量技術可以精確地測量出地表某一點的三維位置及其微小的變化，通過測量目標物反射回的電磁波的相位差來進行結構變形的觀測，依據差頻和被測目標距離的關系進行干涉計算可得被測目標的變形信息，通過2次發射相位差來測量振動位移，如圖2所示。

圖2 測試原理

2 工程實例及監測分析

2.1 工程概況

成都錦城廣場站位于環球中心對面，天府大道東側、錦悅東路南側、繞城高速北側，高速收費站西側，是成都軌道交通18號、16號、29號線3線換乘站，3站兩兩相交，呈三角形布置。18號線為南北走向，站臺位于地下4層；16號線位于18號線東側，為西南—東北走向，站臺層為地下3層；29號線位于18號線東側、16號線北側，為西北—東南走向，站臺層位于地下5層。18號線車站已經運行通車，本監測體系涉及范圍為三角換乘大廳，具體范圍如圖3所示。采用基于微波雷達和圖像視覺的遠程可視化監控系統進行全面監控。

圖3 監測體系涉及范圍——三角換乘大廳

2.2 監測方案

在本項目中，為準確獲取基坑開挖過程中，采用機器視覺測量的技術既有結構支護的位移變化情況(圖4～圖6)。通過對圖像的處理分析，計算得出各期位移量、位移速率和累計位移量。根據獲取的實時監測數據對監測點進行統計分析，如果基坑變形情況超過預警值，系統將會預警。工程監測方法及精度要求如表1所示。

表1 基坑變形監測項目

圖4 監測點布置一

圖5 監測點布置二

圖6 設備布置

為準確分析并預測基坑后續施工的安全影響，本次計算根據錦城廣成換乘中心大型車站基坑開挖運用有限差分軟件FLAC3D對此基坑開挖過程、鋼管斜支撐施工、進行模擬。采用平面應變假設的二維數值模擬分析所需時間少、對計算機硬件要求小、可在較短時間內對多種施工方法、施工工序、施工速度、支護參數、支護時間以及結構的安全性等合理高效優點。土體采用修正摩爾-庫倫本構。該土體本構可模擬初次加載—卸載—再加載之間的剛度差別(圖7)。

圖7 綜合換乘車站群建模

建設場地表層為第四系全新統人工填土(Q4ml)，其下為全新統沖積(Q4al)黏土、粉土，在下面為沖積(Q3fgl+al)砂土及卵石土，下伏基巖為白堊系灌口組(K2g)泥巖。計算模型地層土體物理力學參數選取見表2。數值模擬中，結構體系與地層參數選取根據錦城廣場綜合換乘服務中心的詳細勘察階段巖土工程勘察設計參數建議值，計算模型結構體系物理力學參數選取見表3。

表2 土層物理力學參數

表3 結構體系物理力學參數

錦城廣場綜合換乘服務中心三角換乘區域施工過程中，土體開挖會造成18號線既有車站結構產生一定的側移變形。三角區從北向南開挖土方時，18號線既有車站結構水平變形集中區域逐漸從29號線區域擴展到三角區域，主要位于基坑開挖位置上方。無斜向鋼支撐情況下既有車站結構變形集中區域擴展速度越大，且分布的范圍較廣，風險區域較多。經數據統計處理，獲得整個過程既有車站的水平變形和豎向變形總量如表4所示。通過計算得到既有車站豎向變形和水平變形主要分布特征如圖8、圖9所示。

圖8 既有18號線的豎向變形計算結果

圖9 既有18號線的水平變形計算結果

表4 18號線既有車站結構最大水平和豎向變形總量 單位：mm

3 監測結果分析

為了分析基坑開挖會造成18號線既有車站結構產生的豎向沉降和水平位移，對基坑測試點進行監測。現場測試軟件顯示如圖10、圖11所示。通過對不間斷連續監測變形，分析基坑開挖的安全性(表5)。 由表5可知：微波雷達和圖像視覺測試點，最大沉降和最大水平位移測點實測值未超過安全預警值(6 mm)，同時與理論計算值基本一致，表明基坑在外部作用下結構處于穩定狀態。

圖10 現場微波雷達變形測試

圖11 現場圖像視覺變形測試

表5 18號線既有車站結構最大水平和豎向變形總量 單位：mm

4 結論

本工程監測體系采用微波雷達儀和圖像視覺測量為主要測量設備，配備相應的數據采集、通信設備組成地面測量網，測量的數據傳送到遠程云服務器，使用電腦即可任意地點、時間查看數據。自動監測系統從調式安裝運行，并以該時刻各變形點的觀測值為初始值，全天 24 h無人值守、實時同步地獲取了大量監測數據。本監測體系實現了強近接大型基坑施工中既有車站連續變形監測及預警，實現了對結構物的超高精度非接觸式實時測量。該系統同樣適用于大型工程項目，尤其是難以采用接觸式監測的工程中。