健康監(jiān)測在高速公路電力隧道施工中的應(yīng)用

席三平，張 建

(1.中鐵一局集團(tuán)有限公司,廣東 深圳 518109; 2.北京城建華晟交通建設(shè)有限公司,北京 100000)

0 引言

電力隧道是可以容納較多數(shù)量電纜、有供安裝和巡視的通道,是一種埋置于地層內(nèi)的工程結(jié)構(gòu)物。電力隧道施工的主要方法有明挖法、暗挖法、頂管法、盾構(gòu)法等,根據(jù)DL/T 5484—2013電力電纜隧道設(shè)計(jì)規(guī)程[1]要求,在明挖隧道、頂管工作井、盾構(gòu)工作井的開挖過程中涉及到基坑開挖時(shí)需要進(jìn)行基坑支護(hù)、監(jiān)測等工作,本文工程采用明挖與盾構(gòu)法,根據(jù)設(shè)計(jì)要求對基坑進(jìn)行監(jiān)測。

自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種全新的監(jiān)測技術(shù),它是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。

自動(dòng)化監(jiān)測的三種形式:第一種是數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化,俗稱“后自動(dòng)化”;第二種是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化,俗稱“前自動(dòng)化”;第三種是實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)采集數(shù)據(jù),離線資料分析,俗稱“全自動(dòng)化”。在土木工程領(lǐng)域中,自動(dòng)化健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用始于橋梁結(jié)構(gòu),并逐步向著基坑、隧道、建筑、地災(zāi)等領(lǐng)域推廣,目前已涵蓋結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測、損傷識別鑒定與監(jiān)測、損傷定位及趨勢分析等眾多領(lǐng)域[2]。

1 基坑監(jiān)測

1.1 基坑監(jiān)測背景及現(xiàn)狀

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,高層建筑、軌道交通和城市地下空間等領(lǐng)域有了更廣闊的發(fā)展空間,國內(nèi)基坑工程的數(shù)量得到迅猛增加,施工技術(shù)不斷成熟使得開挖深度不斷加深,帶來機(jī)遇的同時(shí),也面臨著挑戰(zhàn)。基坑具有很強(qiáng)的區(qū)域性、綜合性和工程差異性,導(dǎo)致基坑坍塌的形式多種多樣,具體表現(xiàn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、滲流引起土體破壞以及基坑周圍地面變形過大等[3-4]。基坑坍塌造成的危害包括兩個(gè)方面:一方面是基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)本體破壞,威脅施工人員人身安全;另—方面,基坑工程事故可能導(dǎo)致基坑周邊建(構(gòu))筑物及地下市政管線的損壞,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成火災(zāi)、爆炸、有毒有害物質(zhì)泄漏,給人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[5]。

近年來,隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G通訊的普及與飛速發(fā)展,自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于土木工程基礎(chǔ)建設(shè),國內(nèi)一些學(xué)者對基坑健康監(jiān)測進(jìn)行了深入研究。池瑋波等[6]闡述了人工檢測在基坑工程中所面臨的四大問題,即空間限制、時(shí)間限制、對象限制以及數(shù)據(jù)限制,突出健康監(jiān)測在惡劣氣候和復(fù)雜環(huán)境下實(shí)施的優(yōu)勢。郭雷剛等[7]以基坑工程為例,介紹健康監(jiān)測系統(tǒng)框架的搭建,證明系統(tǒng)對保障施工作業(yè)安全、做到及時(shí)預(yù)警的有效性和實(shí)用性。由此可見,對于基坑工程建立一套行之有效的健康監(jiān)測系統(tǒng)很有必要。

1.2 基坑監(jiān)測主要內(nèi)容

根據(jù)GB 50497—2019建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[8],基坑項(xiàng)目監(jiān)測主要包括周邊環(huán)境監(jiān)測、基坑圍護(hù)監(jiān)測以及基坑巡視檢查。具體內(nèi)容如表1所示。

表1 基坑監(jiān)測內(nèi)容

2 工程概況

某電力隧道工程施工項(xiàng)目,位于深圳市龍華區(qū)、龍崗區(qū),線路起始于觀天路北側(cè)的濟(jì)海變電站,工程全長為6 800.209 m(包括豎井結(jié)構(gòu)),采用明挖法和盾構(gòu)法相結(jié)合的施工方法,隧道掘進(jìn)范圍內(nèi)的工程地質(zhì)及水文情況見表2。

表2 土層描述

電力隧道因J7豎井地理位置特殊,豎井場地現(xiàn)狀為菜地,場地未平整,周邊樹木較多,基坑?xùn)|側(cè)有高壓燃?xì)夤芫€;南側(cè)有沈海高速公路邊坡;西側(cè)有通訊電塔、居民小區(qū)。豎井屬于深基坑,開挖尺寸為62 m×11 m×27 m,地質(zhì)復(fù)雜內(nèi)有孤石,破除孤石產(chǎn)生的應(yīng)力對圍護(hù)樁擾動(dòng)較大,人工監(jiān)測不能滿足施工要求,需及時(shí)有效地反饋監(jiān)測數(shù)據(jù);基坑?xùn)|側(cè)有φ820高壓燃?xì)?埋深2.5 m,管底距離隧道頂21.82 m,盾構(gòu)下穿高壓燃?xì)馕ｋU(xiǎn)系數(shù)高,需能夠及時(shí)準(zhǔn)確地反映監(jiān)測數(shù)據(jù),指導(dǎo)掘進(jìn);基坑南側(cè)有沈海高速公路邊坡,坡高10.2 m坡度比2∶1,距離基坑圍護(hù)樁僅5 m,高速公路上車流量大動(dòng)態(tài)荷載不定。邊坡上樹木密集能見度低,人工監(jiān)測難度大,人力物力浪費(fèi);人工監(jiān)測對人員的技術(shù)要求非常嚴(yán)格及人工成本費(fèi)日益增高,增加運(yùn)營成本。

3 監(jiān)測系統(tǒng)的框架搭建

監(jiān)測系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和運(yùn)用層三部分組成,三者密不可分,通過各個(gè)層相互協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能,其具體模塊組成如圖1所示。

3.1 硬件系統(tǒng)及測點(diǎn)布設(shè)

3.1.1 監(jiān)測項(xiàng)目

基坑施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,與之有關(guān)的穩(wěn)定和環(huán)境影響也在動(dòng)態(tài)變化中。因此,在施工過程中,必須對圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境進(jìn)行三維空間全方位、全過程的監(jiān)測。本基坑工程監(jiān)測方案考慮的監(jiān)測因素主要分為沉降、傾斜及支撐軸力三大部分,具體監(jiān)測設(shè)備見表3。

表3 監(jiān)測因素及監(jiān)測設(shè)備

3.1.2 測點(diǎn)布設(shè)

1)燃?xì)夤艿莱两禍y點(diǎn):分別在基坑周邊燃?xì)夤艿乐胁俊㈥柦翘幉荚O(shè)測點(diǎn),每處1個(gè),選取1個(gè)基點(diǎn)水箱設(shè)置在穩(wěn)定點(diǎn),采用封閉連通管測量,共計(jì)28個(gè)。

2)支撐軸力測點(diǎn):測點(diǎn)布設(shè)選擇在兩支點(diǎn)間1/3部位或混凝土支撐的端頭,每層支撐的軸力監(jiān)測點(diǎn)位不少于3個(gè),共計(jì)布設(shè)3層,共計(jì)55支。

3)傾斜測點(diǎn):基坑圍護(hù)頂傾斜監(jiān)測點(diǎn)位布置在基坑周邊圍護(hù)頂上,沿著四周中部布設(shè);周邊建構(gòu)筑物傾斜根據(jù)項(xiàng)目具體情況布設(shè),共計(jì)40個(gè)。

3.1.3 工藝原理

1)靜力水準(zhǔn)儀:設(shè)備檢測→安裝橋架→抄平放線、記錄點(diǎn)位→安裝靜力水準(zhǔn)儀支架→安裝保護(hù)罩→安裝儲(chǔ)液罐支架→鋪設(shè)水路→氣路鋪設(shè)→設(shè)備調(diào)試→聯(lián)網(wǎng)測試→投入使用。

2)盒式測斜儀:設(shè)備檢測→安裝盒式測斜儀→設(shè)備檢測→線纜固定→聯(lián)網(wǎng)測試→投入使用。

3)振弦式鋼筋計(jì):設(shè)備檢測→安裝振弦式鋼筋計(jì)→設(shè)備檢測→線纜固定→聯(lián)網(wǎng)測試→投入使用。

基坑結(jié)構(gòu)如圖2所示。

通過硬件傳感器采集到的信號,需經(jīng)數(shù)據(jù)采集和無線傳輸模塊上傳后,方可在監(jiān)測平臺(tái)上對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示和處理分析,把握基坑整體的受力狀態(tài)以及對基坑未來破壞趨勢做出判斷。

3.2 軟件系統(tǒng)搭建

本基坑工程采用“知物云”在線健康監(jiān)測系統(tǒng),包含工程項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與處理、閾值確定與分級預(yù)警等。

3.2.1 工程項(xiàng)目管理

工程項(xiàng)目管理模塊是為了保證同一單位應(yīng)對不同的工程項(xiàng)目時(shí),業(yè)主可以了解所需要監(jiān)測的項(xiàng)目的安全狀況,做到無縫切換要求,而將所有工程項(xiàng)目匯總在統(tǒng)一平臺(tái)下進(jìn)行管理。此外,對即將開展的項(xiàng)目工程和已完成的監(jiān)測項(xiàng)目,在管理中可以做到實(shí)時(shí)增添與刪除,實(shí)現(xiàn)高效管控。

3.2.2 數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與處理

對硬件采集和傳輸過來的大量原始數(shù)據(jù)資料,通過“知物云”平臺(tái)對數(shù)據(jù)進(jìn)行深一步的處理和分析,實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)查詢、存儲(chǔ)、可視化等結(jié)構(gòu)化處理。通過數(shù)據(jù)庫操作實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的提取和處理,是對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析的關(guān)鍵。

數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與處理主要包括對數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、二次處理等,并用原始數(shù)據(jù)或曲線等進(jìn)行展示,然后多終端進(jìn)行原始數(shù)據(jù)或者以曲線的形式等進(jìn)行展示,打印相關(guān)表、數(shù)據(jù)等,部分展示圖如圖3—圖6所示。

圍護(hù)墻頂部水平位移在施工過程中,監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果在±2 mm左右上下波動(dòng),整體變化呈現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展趨勢,滿足設(shè)計(jì)施工要求;深基坑支撐軸力隨著支撐架設(shè)的不斷完善,最終的曲線結(jié)果趨于穩(wěn)定。

知物云監(jiān)測平臺(tái)搭載人工數(shù)據(jù)上傳功能,可以對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,如圖7所示。

通過曲線變化不難看出,在基坑施工過程中,通過采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)支撐的支護(hù)形式,曲線整體呈現(xiàn)出“組合式”位移曲線發(fā)展變化,形成兩頭小中間大的“弓形”曲線,滿足圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移理論[9]。

3.2.3 閾值設(shè)定與預(yù)警

預(yù)警值的確定設(shè)置是一個(gè)非常嚴(yán)謹(jǐn)、嚴(yán)肅的過程,綜合考慮設(shè)計(jì)院提供的控制值、理論計(jì)算、施工監(jiān)控得到的信息、實(shí)際測試數(shù)據(jù)等多方因素。分級預(yù)警設(shè)定可以實(shí)時(shí)掌控工程的風(fēng)險(xiǎn)程度,以及排查數(shù)據(jù)中斷和設(shè)備故障問題,系統(tǒng)搭載短信和郵件告警兩種方式,從而保障工程的施工安全。

4 結(jié)語

電力隧道基坑工程采用自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對基坑“遠(yuǎn)程”“實(shí)時(shí)在線”“非接觸”的監(jiān)測,是將傳統(tǒng)的檢測手段邁向與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)相結(jié)合的一次有利實(shí)踐。自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)不僅解決了施工過程中遇到的通勤限制和施工作業(yè)環(huán)境影響問題,驗(yàn)證了健康監(jiān)測的可行性以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,而且監(jiān)測框架的搭建也使得施工更加有序高效,無需耗費(fèi)大量人力物力資源且避免了人工檢測后期對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析。但由于基坑自動(dòng)化監(jiān)測還處于發(fā)展階段,在應(yīng)對監(jiān)測精度問題上仍有較大挑戰(zhàn),仍需人工檢測的扶持,“知物云”監(jiān)測平臺(tái)的引入,實(shí)現(xiàn)了對人工數(shù)據(jù)上傳,將二者有機(jī)的結(jié)合在一起,取長補(bǔ)短,共同保障施工作業(yè)安全。相信在相關(guān)監(jiān)測規(guī)范的出臺(tái)以及一次次的實(shí)際工程檢驗(yàn)下,自動(dòng)化監(jiān)測將向著更加規(guī)范與高效的方向不斷發(fā)展。