深基坑開挖對鄰近地鐵隧道擾動的自動監控系統研究

0 引言

隨著城市不斷發展，地下空間的開發力度不斷加大，基坑的施工往往伴隨著對鄰近建（構）筑物的擾動，這已經成為地下空間開發領域的難題[1]。為解決這一難題，工程中通常采用現場觀測[2]、模型試驗[3]、數值模擬[4-6]等方法對地表沉降、結構變形進行預測或實時監測。

基于此，本文以鄰近某地鐵隧道的深基坑工程為例，提出了一種深基坑施工擾動自動監測和控制系統，實現了地下水位和支撐軸向力的動態監測和調整。通過對深基坑變形數據的分析，得到相應的變化規律，以期為類似深基坑開挖施工提供有益的借鑒。

圖1深基坑開挖對鄰近既有地鐵隧道的干擾

1工程概況

某鄰近既有地鐵隧道的深基坑工程，其長度為120m ，寬度為 87m ，最大開挖深度為 42.25m 。深基坑開挖范圍內主要為花崗巖殘積土，既有地鐵隧道主要位于礫石粘性土中。花崗巖殘土層在開挖過程中遇水會軟化崩解，會導致深基坑支護軸向力過大、支護結構變形增大、基底軟化承載力降低等一系列問題。深基坑與既有地鐵隧道極為接近，其地連墻的施工、支護結構的變形以及地下水的變化，均會導致既有地鐵隧道的變形，給地鐵的安全運營帶來威脅。深基坑開挖對鄰近既有地鐵隧道的干擾如圖1所示。

2自動監測控制系統

2.1 自動監測系統

2.1.1 主要結構

該深基坑項目自動監測系統主要由機器人全站儀（RTS）、靜態差壓液位計（DPSL）、智能測斜儀繩索（IIR）、水位計（WLG）和振弦式鋼筋應變計（VWRSM）組成。

2.1.2安裝位置和監測方法

每條地鐵隧道均配置2臺機器人全站儀，確保280m的觀測范圍得到全面覆蓋。機器人全站儀的具體安裝位置，則依據隧道內部的實際情況進行精確設定。靜態差壓液位計、智能測斜儀繩索、水位計和振弦式鋼筋應變計等儀器，分別對地表沉降、深基坑水平位移、支護軸向力和地下水位進行測量。

所有基準點和監測點均遵循預先設定的觀測順序，采用先進的極坐標法進行精密觀測。利用倒置鏡精確測量水平角度、垂直角度以及距離，從而準確地獲取這些點的三維空間坐標。針對深基坑施工過程的不同階段，靈活調整監測儀器的數據采集周期，以滿足工程施工需求。

2.2自動控制系統

2.2.1 主要結構

該深基坑項目自動控制系統主要由回注井和伺服支撐系統組成。回注井技術比較成熟，用于直接控制地下水位，是抽水回灌系統的組成部分，在深基坑施工中發揮著控制地下水位的重要作用。伺服支撐系統主要由服務器、無線控制泵站和支撐頭組成，構成了該深基坑項目控制系統的核心，其作用是直接控制支撐的軸向力。其中，支撐頭由裝配箱、控制終端、液壓千斤頂、自鎖保護裝置、自動監測等裝置組成。

2.2.2安裝位置和控制方法

伺服支撐系統設置在該深基坑第3至第7道支撐上。服務器通過無線控制泵站對液壓伺服支撐系統進行遠程控制，通過比例積分微分（PID）原理，可將支撐軸向力的調節偏差控制在 1% 以內。

支撐頭的裝配箱可為千斤頂施加預應力提供工作平臺，當液壓千斤頂發生故障或更換時，裝配箱被自鎖保護裝置鎖定后，將作為受力構件承受來自外殼的力。控制終端用于接收來自無線控制泵站的控制信號并驅動液壓千斤頂動作。液壓千斤頂的行程長度為 200mm ，通過變頻器對液壓泵進行無級精確調速，以實現對液壓千斤頂施加、保持或釋放軸向載荷。

在伺服支撐系統工作過程中，通過拉線傳感器和超聲波位移傳感器測量液壓千斤頂行程，同時進行交叉驗證，并將信號傳輸至服務器。基于上述程序和伺服支撐系統組件，可以實現對支撐系統的軸向力和變形進行實時監測和自動報警。

2.3自動監控系統的優越性能

2.3.1實現實時動態監測

該深基坑開挖施工，會導致地下水位波動、土體應力重新分布和變動。深基坑開挖對周邊土體的應力、地下水滲流以及土體變形之間存在著復雜而密切的相互作用與影響，這些相互作用與影響直接關系到地鐵隧道結構的整體穩定與安全。

自動監控系統能夠實時監測該深基坑施工過程中地下水位、支撐變形和受力的變化。根據相關規范以及施工經驗設置安全閾值，自動監控系統的監測數據被收集并通過數據采集儀器和路由器傳輸到終端，終端通過判斷觀察結果是否超過設置的安全閾值來發送指令。

2.3.2實現全程自動控制

自動控制系統能夠全程控制該深基坑施工過程中地下水位、支撐變形和受力的變化情況，如果發現超過安全閾值，控制指令將發送到控制系統，回注井和伺服支撐開始運行，改變地下水位和支撐軸向力，保證深基坑開挖的穩定性。按照少量、多階段、多次的原則，自動控制系統改變支撐軸向力和地下水回注量，直到觀測的數據趨于正常。

3深基坑開挖對地鐵隧道擾動的自動監控結果3.1相關結構變形的自動監控結果

該深基坑項目在不同施工階段結束時，通過自動監控系統觀察地連墻、地面和隧道的結構變形情況。不同施工階段結束時的結構變形如圖2所示。由圖2可知，與非伺服側相比，伺服側（地鐵隧道側）的地連墻變形減少了約2倍。在非伺服區，圍護結構的水平位移不受混凝土支撐的控制，而是隨著深基坑的開挖而增加。在伺服側，由于伺服結構具有一定的動態調節能力，因此圍護結構的水平位移能夠保持相對穩定。隧道側壁變形的絕對值低于20mm的極限。

圖2不同施工階段結束時的結構變形

分析認為，前兩個施工階段由于開挖深度較淺，墻體變形相對較小。在第3～6個施工階段，深基坑開挖面靠近現有地鐵隧道的埋深，伺服支撐系統依次安裝在各級支撐上，開始控制隧道開挖引起的變形。因此，在大多數施工階段，伺服側的變形不同于非伺服側的常見凸出變形曲線。

該深基坑項目第7個施工階段結束時，伺服側的變形將超過20mm的極限。對于地表沉降，其隨開挖過程略有增加，但從未超過 20mm ；對于隧道變形，由于距離深基坑較近，右側線受深基坑開挖的影響大于左側線，但是變形范圍均在8mm之內。

3.2支撐軸向力與地連墻變形的自動監控結果

深基坑開挖過程中伺服支撐的軸向力與地下連續墻墻體位移之間的關系如圖3所示。由圖3可知，在安裝伺服支撐側，支撐的軸向力迅速增加，以控制墻體變形。在第4階段（即第3支撐和第4支撐之間的開挖），第3支撐的軸向力從0增加到 2000kN ，而第3支撐高程處的墻變形保持在 -5mm. 。安裝支撐對于墻體相當于增加一個限制，控制其在一個自由度上運動。

在第6階段，對于非伺服側，地連墻的變形在第3道支撐以下增加了很多，在其上方略有減少。另外，第3和第4支撐的軸向力在第6階段結束時急劇增加。這個階段的支撐反力從支撐作用開始變成了限制作用。

圖3開挖過程中伺服支撐的軸向力與墻體位移關系

3.3地下水位與地鐵隧道沉降的自動監控結果

深基坑開挖過程地下水位和隧道沉降變化情況如圖4所示。由圖4可知，在第1階段開挖結束時，開始通過布置的觀測井觀測地下水位。隨著深基坑開挖施工的進展，其內外產生將近40m的最大水頭差。深基坑外的地下水位下降進一步導致地鐵隧道的沉降。當觀測到的累積地下水位超過設置的全安閾值時，終端接收到此情況，并向抽水-補給系統發送指令。

圖4深基坑開挖過程地下水位和隧道沉降變化

圖5地鐵隧道水平位移隨時間變化

深基坑地下水位在不同的施工階段均產生波動，但是絕對值未超過3m的極限值。由于地下水位、開挖和伺服支護的共同作用，隧道沉降值在一定范圍內小幅變化，表現出動態平衡趨勢。基于本文所述自動監測控制框架，可將距離深基坑 42.25m 、埋深3m處的地鐵隧道沉降值控制在5mm以內，保證了地鐵隧道運營安全。

3.4深基坑鄰近地鐵隧道位移的自動監控結果

在深基坑開挖過程中，深基坑鄰近地鐵隧道的水平位移隨時間的變化規律如圖5所示。從圖5可知，在深基坑開挖結束時，地鐵11號線右線隧道的最大水平位移和垂直位移分別約為 -4.9mm 和 -4.4mm ，低于10mm的安全閥值。地鐵隧道的水平位移和豎直位移在第4和第5階段的變化比其他階段更明顯，這主要是因為深基坑開挖面深度進入了既有地鐵隧道的埋深范圍。在第4階段結束時，地鐵隧道埋深段的伺服支撐側變形也急劇增加。當開挖面超過地鐵隧道埋深時，深基坑施工對地鐵隧道的擾動較小，地鐵隧道變形趨于穩定。

4結束語

在深基坑開挖施工過程中，通過實時監測其對鄰近地鐵隧道結構的擾動影響，自動控制回注井和伺服支撐系統，實現了地下水位和支撐軸向力的動態調整，保證了深基坑開挖安全。通過伺服支撐系統，顯著減少了地連墻變形，將深基坑開挖引起的地表沉降控制在20mm以內。通過地下水調節系統，使隧道沉降得到了有效控制，最大沉降不超過5mm，且水平位移和垂直位移均遠低于安全限值。伺服支撐系統對深基坑開挖擾動具有顯著控制作用，在地鐵隧道埋深范圍內有效降低了其變形的風險。

參考文獻

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