王學(xué)敬

(中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司 山東泰安 271000)

1 前言

近年來，隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，出現(xiàn)了大量的地下通道、地鐵站等工程，基坑開挖深度不斷增加。這些項(xiàng)目在周邊環(huán)境、地質(zhì)情況、基坑深度、結(jié)構(gòu)尺寸、荷載條件和使用區(qū)域等方面各有特色，基坑監(jiān)測(cè)已成為建筑工程不可或缺的一部分[1-2]。

在以往的研究中，已嘗試多種方法進(jìn)行基坑施工安全的監(jiān)測(cè)管控[3-5]，針對(duì)不同的情況可選用不同的監(jiān)測(cè)方式，例如采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與預(yù)測(cè)[6-7]，基于北斗模塊[8]的基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用三維激光掃描技術(shù)監(jiān)測(cè)基坑變形[9]。同時(shí)許多學(xué)者通過分析總結(jié)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)基坑的安全施工進(jìn)行指導(dǎo)，如通過總結(jié)監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)的布置原則，指出動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)信息可保證基坑開挖期間的安全[10]，或者采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬的組合指導(dǎo)深基坑開挖[11-12]。

由于基坑施工環(huán)境越來越復(fù)雜，施工空間越來越有限，為改善現(xiàn)有基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足，利用新型光纖傳感智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜基坑進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為深基坑施工提供及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，防范安全風(fēng)險(xiǎn)，是很有必要的。

2 工程概況

北京新機(jī)場(chǎng)城際鐵路聯(lián)絡(luò)線項(xiàng)目位于北京新機(jī)場(chǎng)一期紅線范圍內(nèi)，起訖里程DK42+038～DK46+115，正線長(zhǎng)度4.077 km，工程內(nèi)容包含榆安隧道和地下結(jié)構(gòu)，均采用明挖法施工?；訉挾葹?3～29 m，深度為13.7～19.7 m?；又尾捎?鉆孔樁+鋼支撐)類型。鉆孔樁直徑0.8 m@1.1 m，樁長(zhǎng)26 m。在豎直方向上使用三個(gè)鋼支撐和一個(gè)鋼倒撐，支撐件的水平間距通常為3～4 m。鋼支撐和鋼倒撐均由φ609螺旋管組成，基坑斷面如圖1所示。

圖1 深基坑斷面示意

2.1 工程地質(zhì)

該項(xiàng)目位于永定河沖積平原。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，隧道地層主要是第四紀(jì)新沖積層(Q4 al)黏土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土和粉砂夾層、細(xì)砂、中砂，下伏(Q3 al)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂、中砂。

2.2 水文地質(zhì)

項(xiàng)目范圍內(nèi)無可見的地表水，地下水深度沿線變化很大，水深15.5～24.4 m，水位季節(jié)變化3.0～5.0 m。它主要由大氣降水、地表水滲透和地下徑流補(bǔ)充，隧道中的砂層富含水分，對(duì)隧道施工有一定的影響。

3 深基坑監(jiān)測(cè)方案

選擇復(fù)雜斷面區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所用設(shè)備主要包括光纖光柵位移計(jì)、光纖光柵軸力計(jì)和光纖光柵固定測(cè)斜儀，以及多源信息采集儀。

根據(jù)施工進(jìn)度及現(xiàn)場(chǎng)情況，在北區(qū)DK42+930斷面處，基坑寬度由窄變寬，在轉(zhuǎn)角處是應(yīng)力集中區(qū)域；其次在兩側(cè)邊坡處有一根高壓電線桿和排水管道，一側(cè)是硬化路面和員工宿舍，一側(cè)為施工便道，機(jī)械通過時(shí)該處震動(dòng)明顯，安全隱患高。在DK42+970斷面附近原有一條干渠，秋冬時(shí)干涸，但地下水豐富，地層為粉質(zhì)黏土和砂土；在井點(diǎn)降水時(shí)，對(duì)地下土體原有平衡造成影響，開挖時(shí)坑壁流土嚴(yán)重，造成附近土體變形。所以，此次監(jiān)測(cè)位置選擇在DK42+930和DK42+970兩斷面處，DK42+930處斷面統(tǒng)稱為斷面1，DK42+970處斷面統(tǒng)稱為斷面2。

在兩斷面基坑兩側(cè)冠梁處分別安裝一個(gè)拉線式光纖光柵位移計(jì)，用以監(jiān)測(cè)邊坡整體穩(wěn)定性；每側(cè)安裝一個(gè)測(cè)斜管，每個(gè)測(cè)斜管中安裝三個(gè)光纖光柵固定測(cè)斜儀，用以監(jiān)測(cè)基坑深部水平位移。斷面對(duì)應(yīng)的3根鋼支撐活絡(luò)頭一側(cè)安裝光纖光柵軸力計(jì)，用以監(jiān)測(cè)支撐軸力，如圖2所示，監(jiān)測(cè)涉及元器件詳見表1。

圖2 監(jiān)測(cè)布置剖面示意

表1 深基坑監(jiān)測(cè)元器件

4 監(jiān)測(cè)過程

4.1 位移計(jì)安裝

拉線式光纖光柵位移計(jì)用于測(cè)量邊坡的整體穩(wěn)定性，關(guān)鍵是在邊坡選擇一個(gè)相對(duì)固定點(diǎn)，然后通過鋼絲繩連接測(cè)量邊坡的位移變化。位移計(jì)安裝在冠梁上，用膨脹螺栓固定，末端安裝0.5 mm鋼絲繩，與坡頂錨桿連接，并用PVC管對(duì)鋼絲繩進(jìn)行隔離保護(hù)。

4.2 測(cè)斜管安裝

安裝前，采用工程鉆探機(jī)在指定位置鉆孔，孔徑10 cm，孔深18 m。測(cè)斜儀通過束節(jié)連接在一起，將PVC膠水涂在測(cè)斜管的外壁，然后將測(cè)斜管插入束節(jié)，使用自攻螺釘或鋁鉚釘在束節(jié)的四個(gè)方向上擰緊，將防水膠帶纏繞在每個(gè)束節(jié)的兩端，防止雜物、漿液從接頭滲入測(cè)斜儀。將測(cè)斜儀放置到位后，測(cè)斜管和鉆孔間隙充滿細(xì)砂，確保測(cè)斜管穩(wěn)定。

安裝光纖光柵測(cè)斜儀時(shí)，首先將底部滑輪組連接到連接管上，然后用螺栓固定。用鋼絲繩固定連接的滑輪組并拉動(dòng)組件，然后將其與桿一起放入測(cè)斜管中。使用接頭將連接桿延長(zhǎng)至第一個(gè)預(yù)定的傳感器位置，然后執(zhí)行下一組安裝。安裝頂部托架組件并將光纜引出測(cè)斜管口，并將頂部托架卡在管口。安裝完成后，檢查測(cè)斜儀是否正常工作。

4.3 軸力計(jì)安裝

在安裝過程中，軸力計(jì)安裝支架居中并牢固焊接在鋼支撐端頭，并在擬安裝軸力計(jì)位置的墻體鋼板上焊接一個(gè)250 mm×250 mm×25 mm的加強(qiáng)墊板，防止鋼支撐受到應(yīng)力后軸力計(jì)被困在鋼板中。焊接時(shí)，安裝支架必須與鋼支架的中心軸線和安裝中心對(duì)齊。焊接部件冷卻后，將軸力計(jì)推入安裝支架并用螺絲固定。在安裝過程中，軸力計(jì)和鋼支撐應(yīng)在同一軸線上并保證接觸面平整，確保鋼支撐應(yīng)力通過軸力計(jì)傳遞到圍護(hù)結(jié)構(gòu)。安裝完成后，將光纜用管道連接并用20 mm PVC管保護(hù)，以防止損壞。

4.4 注意事項(xiàng)

在組網(wǎng)安裝傳感器時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)位置安裝相應(yīng)的傳感器，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖，將各類傳感器正確安裝；傳感器安裝時(shí)，先判斷安裝點(diǎn)是否具備安裝條件，傳感器切忌高處墜落、重物打擊等暴力行為；安裝前，需檢測(cè)各傳感器組件是否完整無破損，安裝固定后，應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行波長(zhǎng)檢測(cè)，檢查傳感器是否正常工作；已安裝傳感器的光纜用扎帶固定，將光纜插入軟管并盡可能使用埋入式保護(hù)光纜。在光纖熔接之前，需要將光纜的FC/APC接頭連接到光纖光柵解調(diào)儀，確保整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)的波長(zhǎng)和損耗在合理的范圍內(nèi)；如果光功率損耗過大，則需要檢查光纜通道；在消除問題后，傳感器尾纖才可以連接到通道光纜。連接傳感器時(shí)，應(yīng)注意相同偏移波段的傳感器連入解調(diào)儀時(shí)應(yīng)連接到不同的通道，通過光纖光柵解調(diào)器獲取光纖光柵傳感器的數(shù)據(jù)，并通過光纖光柵解調(diào)器軟件掃描傳感器讀取傳感器的當(dāng)前波長(zhǎng)值。

在施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)，為保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定，采集儀應(yīng)防水防暴曬；同時(shí)，為防止他人破壞，應(yīng)設(shè)定適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施來放置采集儀。此次監(jiān)測(cè)中，在DK42+970處建造了一個(gè)保護(hù)室用以保護(hù)采集儀。

5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

5.1 基坑位移監(jiān)測(cè)分析

位移計(jì)于2017年11月3日安裝，相關(guān)調(diào)試和配置同步完成，然后開始自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工作，數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨⒗镌茢?shù)據(jù)庫中。在兩個(gè)斷面的開挖施工過程中一直在線監(jiān)測(cè)，直到完成鋼支撐架設(shè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示，正位移值表示向基坑移動(dòng)，負(fù)位移值表示遠(yuǎn)離基坑移動(dòng)。

圖3 位移計(jì)變化趨勢(shì)

為了研究施工對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，提取了相對(duì)穩(wěn)定的兩天位移數(shù)據(jù)，如圖4所示。在2017年11月10日至12日期間，位移值在晚上時(shí)相對(duì)穩(wěn)定，而在上午8點(diǎn)至下午5點(diǎn)期間，位移波動(dòng)明顯，位移值在0～5 mm內(nèi)波動(dòng)。結(jié)合施工情況分析，波動(dòng)變化原因主要是旁邊大型機(jī)械、開挖施工等震動(dòng)所致。由此得出，在基坑開挖工作期間，施工擾動(dòng)對(duì)基坑變形有一定的影響，有必要加強(qiáng)施工時(shí)的監(jiān)測(cè)和管理。

圖4 一天中位移計(jì)波動(dòng)情況

5.2 鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)分析

2017年11月10日，斷面1的第一層鋼支撐安裝完畢，第二層鋼支撐于2017年11月19日安裝，隨即開始在線監(jiān)測(cè)支撐軸力，變化趨勢(shì)如圖5所示。在安裝第二層鋼支撐之前，第一層鋼支撐軸力呈上升趨勢(shì)(340～600 kN)。主要原因是在安裝完成第一層鋼支撐后，基坑繼續(xù)開挖，底部坑壁支撐減弱，從而第一層鋼支撐負(fù)載加大。在第二層和第三層鋼支撐架設(shè)完成后，第一層支撐軸力立即停止上升。所以，每道支撐對(duì)鄰近支撐的支撐軸力影響明顯，在安裝和拆除鋼支撐時(shí)，應(yīng)密切監(jiān)測(cè)相鄰支撐軸力的變化，以防發(fā)生意外事故。

圖5 支撐軸力變化趨勢(shì)

提取穩(wěn)定后的兩天軸力數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖6所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，鋼支撐軸力在早上8點(diǎn)到12點(diǎn)左右軸力變大，然后逐漸變小，支撐軸力在夜間逐漸穩(wěn)定。具體原因主要和氣溫、施工影響有關(guān)，在白天，氣溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于夜間，鋼支撐及土體的熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致支撐軸力變大。

圖6 支撐軸力隨氣溫波動(dòng)情況

5.3 基坑測(cè)斜監(jiān)測(cè)分析

在每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面安裝一個(gè)測(cè)斜管，以監(jiān)測(cè)基坑深部的水平位移，每個(gè)測(cè)斜管安裝3個(gè)光纖光柵固定測(cè)斜儀，安裝在地下2 m、7 m、12 m，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7和圖8所示。對(duì)比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，基坑頂部位移比基坑底部大，且開挖過程中位移變化速度大，鋼支撐安裝完成后，測(cè)斜數(shù)據(jù)變化逐漸減小，基坑趨于穩(wěn)定。

圖7 -2 m土體水平位移

圖8 -12 m土體水平位移

5.4 監(jiān)測(cè)小結(jié)

從2017年11月3日到2018年1月20日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確、真實(shí)地反映現(xiàn)場(chǎng)情況，監(jiān)測(cè)結(jié)果可用來指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

6 結(jié)論與建議

新機(jī)場(chǎng)明挖隧道復(fù)雜深基坑開挖過程中，利用新型光纖傳感智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，達(dá)到了對(duì)復(fù)雜基坑進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，改進(jìn)了原有監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足，對(duì)深基坑開挖過程的變形進(jìn)行了及時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，提出以下建議：

(1)深基坑開挖支護(hù)過程中應(yīng)及時(shí)做好施工監(jiān)測(cè)，并確保基坑監(jiān)測(cè)與基坑施工同步進(jìn)行，及時(shí)給現(xiàn)場(chǎng)施工提供基坑變形數(shù)據(jù)，指導(dǎo)基坑土方分層開挖、鋼支撐及時(shí)安裝、樁間及時(shí)噴錨防護(hù)，從而確保深基坑施工安全。

(2)基坑頂施工便道盡量遠(yuǎn)離基坑，減小施工過程中機(jī)械動(dòng)載對(duì)基坑穩(wěn)定的干擾。

(3)在拆除鋼支撐時(shí)，應(yīng)隨回填、隨拆除，并應(yīng)采取措施確?；靥畈课幻軐?shí)；拆除鋼支撐時(shí)應(yīng)關(guān)注監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，防范安全風(fēng)險(xiǎn)。