基于測量機器人的地鐵施工中深基坑變形監測方法

劉宗運

（中國建筑材料工業地質勘查中心江蘇總隊）

1 引言

目前深基坑變形監測存在監測效率低、易受外部因素干擾、監測精度低等問題，無法滿足地鐵深基坑施工要求。而測量機器人集成了高精度的測角和測距系統，無論是監測精度還是監測工作效率，都比傳統監測方式高，將其應用于地鐵深基坑施工作業中對提高施工安全性具有重要意義。

2 工程實例

2.1 工程概況

某地鐵基坑施工項目東西長為3500m，南北長為90m～270m，該項目包括A、B、C、D四個區塊，其中D區塊D1、D2基坑分布于隧道路線中線兩側位置。D2基坑與地鐵隧道線之間的距離為170m，基坑最大開挖深度為5m，D2基坑與地鐵線距離較遠，對地鐵建設工程影響較小；D1基坑處于地鐵隧道線上方位置，故對地鐵隧道建設工程影響較大。為保證地鐵建設工作順利開展，對D1基坑頂部水平位移（JC）、道路沉降監測（DC）、支撐應力監測（ZC）、立柱豎向位移（LZ）、管線沉降監測（1-1）。

該工程采用從上至下的開挖方式，由于受施工空間和地質條件的限制，基坑開挖施工采用分段和分層方法，每段開挖長度不超過30m，分層開發深度不超過2m。詳細施工工序如表1所示。

表1 基坑施工工序

2.2 監測點位布設

基準點布設于基坑監測范圍50環之外，D1基坑監測區域外兩側共布設8 個基準點；上行線和下行線分別布設8 個基準點。基準點采用大棱鏡，利用螺栓將其固定于隧道側壁，為基準點監測數據準確性，需要定期對基準點進行調整[1]。

基坑監測區域內每隔6m（5環）設置一個監測斷面，基坑每個監測斷面均布設4個監測點；基坑下行線和上行線分別設置32 個監測斷面，監測點數共128 個；基坑水平直徑腰點位置設置2 個小棱鏡，用于監測基坑水平和豎向位移；基坑底部左右兩側分別設置1個小棱鏡，用于監測基坑沉降；立柱沉降和水平位移小棱鏡設置20個；支撐應力小棱鏡設置63個；管線沉降小棱鏡設置15個。

2.3 監測實施

基坑變形監測數據由自動化數據采集系統實現，測量作業采用兩臺徠卡TM60精密監測機器人，以便于變形監測觀測，在基坑混凝土支撐上設置對中觀測墩，并安裝觀測儀器。基坑圍護結構變形監測采用滑動式測斜儀進行觀測，每個斜側孔位均安裝一臺自動測斜儀。基坑坑外水位和支撐軸力采用無線通信傳感器收集數據，每個混凝土支撐應力監測斷面設置4個鋼筋計。本次基坑監測項目傳感器較多，為便于收集數據，在基坑四周安裝4個數據采集箱[2]。

3 監測數據分析

3.1 基坑水平位移監測分析

基坑頂部水平位移監測曲線分析，隨著地鐵基坑施工工作的開展，坡頂產生的向內水平位移增大，其中基坑北側和南側水平位移呈中軸線兩側水平位移減小，中軸線位置水平位移增大的變化趨勢。通過分析北側和南側基坑水平位移發現，基坑北側水平位移大于南側位移，該情況可能是受施工現場地層分布和施工順序影響[3]。基坑施工過程中首先從北側開始施工逐漸向南側基坑分段移動，因此基坑北側位移變化時間較早，此外北側圍護結構放置時間較長，因此北側圍護結構位移量更大。基坑北側位置JC3 監測點水平位移最大，水平位移量為8.9mm，南側位置JC15監測點水平位移最大，水平位移量為6.4mm，基坑南側和北側水平位移量均未超過預警值25mm，位移情況滿足施工要求。

基坑東側和西側坑頂水平位移情況與南側和北側變化基本一致。隨著基坑施工工作的開展，東側和西側圍護結構變形位移量逐漸增大，位移變化直至工序六開展中期階段位移變化逐漸平穩。由于受地層分布和基坑開挖施工等因素影響，基坑西側位置位移水平大于東側位置[4]。基坑西側坑頂最大水平位移量為JC20 和JC21，水平位移量均為8.2mm；東側坑頂最大水平位移為JC7，水平位移量為7.1mm，東側和西側基坑坑頂最大水平位移量均未超過警戒值25nn，滿足基坑施工要求。

3.2 地表沉降監測分析

基坑施工工作開展后，受被動和主動土層壓力相互作用的影響，基坑圍護結構呈現向基坑內位移的情況，導致基坑周圍土體也出現位移，其中基坑北側和東側位置沉降變化較大。隨著基坑開挖工作的開展，基坑北側地表沉降變化量大于東側，由于北側為施工車輛通行主要道路，受到外部因素影響，基坑北側沉降變化量較大。從北側地表沉降變化來看，基坑北側地表沉降中軸線沉降變化量較大，兩側位移沉降變化較小，呈現拋物線型規律；基坑東側地表沉降呈現DC6～DC10逐漸減小的變化趨勢，東側地表沉降變化呈現由北向南逐漸減小的趨勢。基坑北側和東側在施工工序六階段均逐漸趨于平穩[5]。

3.3 管線變形監測分析

基坑外管線變形監測分析，基坑外圍護結構管線監測點4-2位置存在較大位移變化量，位移量逐漸向中軸線兩側位置減小。管線工序四、五、六階段2-2 監測點管線沉降位移和水平位移曲面呈現拋物線型，中軸線位置管線位移變化量較大，兩側位置位移變化量逐漸減小，該變化情況比較符合基坑沉降管線變形和空間效應形式。

隨著基坑開挖施工工作的開展，管線豎向和水平位移變化量逐漸增大，其中工序五階段管線位移變化量較大，該施工階段為基坑最后開挖階段，由于基坑深度較大，支護措施不夠完善，在前幾階段基坑開發施工過程中，基坑產生較大位移變化，因此導致管線出現較大位移變化。施工工序三階段管線豎向變形變化量較大，該階段基坑開挖施工地層主要為淤泥和填石，開挖施工作業和降水處理措施對周圍土地擾動影響較大，因此導致管線監測點3-2、4-2、5-2出現較大的豎向位移變化。從以上監測結果來看，管線豎向和水平位移變化均小于警戒值120mm，但是部分區域管線沉降變化量大于20mm，在基坑開挖施工過程中需要對管線位移變化進行重點監控，避免管線破壞給施工單位帶來巨大經濟損失。

3.4 支柱變形及支撐應力監測分析

隨著基坑開發施工工作的開展，支柱位移變化量逐漸增大，至工序六階段位移變化逐漸穩定。由于受工序三階段淤泥和填石巖土層體質影響，工序三階段基坑豎向位移變化量最大。從圖中可以看出，基坑支柱豎向位移變化量較大的監測點為LZ8，位移變化監測量為5.2mm，該變化小于警戒值25mm，滿足施工要求。

基坑開挖施工過程中，基坑圍護結構逐漸向基坑內位移，該位移變化產生的壓應力對基坑支撐造成了擠壓，導致基坑內支撐應力處于動態變化狀態。表2所示基坑支撐應力監測結果，從表中可以看出，隨著基坑開挖施工的開展，基坑支撐軸應力呈現逐漸增大的變化趨勢。基坑底板施工階段，基坑第一層內支撐西北側位置ZC1-1 支撐應力變化較大，西北側支柱最大應力變化最大的監測點位ZC1-2，其支撐應力為-10930.60kN。基坑第三層支撐中心位置和東南位置支撐軸應力變化較大，該位置應力變化最大的監測點為ZC8-3，該支撐軸應力為-8808.93kN，基坑中心軸支柱最大應力變化監測點位ZC19-3，該支撐軸應力為-8827.56kN，從以上監測結果來看，所有支撐軸應力變化均小于預警值-13000kn，滿足基坑施工要求。

表2 基坑支撐應力監測結果 kN

4 結語

綜上所述，本文以某地鐵基坑施工工程為例，利用測量機器人對基坑施工過程中引起的管線位移、水平位移、支柱應力和變形、地表沉降在空間與時間上的變化規律進行監測。并與實際工程監測預警值進行對比分析，驗證分析結果的合理性。基坑施工過程中，隨著開挖作業的開展，基坑支柱應力和基坑變形逐漸增大，在空間上基坑圍護結構地表沉降、水平位移、管線位移呈現中軸線位移變形變化量大，兩側位移變化量小的趨勢。