李 斌, 鄧樹密, 任 刃

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川成都 610072)

隨著我國地鐵交通的快速發(fā)展，大型基坑不斷涌現(xiàn)，這對基坑的安全施工和安全運營提出了更高要求，特別是對施工工程中的高精度監(jiān)測要求更加突出。傳統(tǒng)變形監(jiān)測技術(shù)雖有廣泛的運用，但在應(yīng)用中也存在較大的局限性，例如：全站儀工作強度較高，效率低，GPS的測量精度低，且穩(wěn)定性有待提高 。同時光學(xué)測量技術(shù)在光照較差或惡劣天氣條件下，光學(xué)系統(tǒng)的測試效率會受到重大影響[1-4]。本文結(jié)合成都軌道交通某線中的一座明挖車站基坑施工過程中自動變形監(jiān)測工程實例，對基于微波雷達對基坑側(cè)壁水平變形監(jiān)測進行了研究和探討。

1 工程實例

1.1 工程概況

成都軌道交通某線線路全長43.186km，均為地下線，共設(shè)地下車站12座，其中換乘站10座，預(yù)留站1座，最大站間距: 5.84km，最小站間距: 1.461km，平均站間距為3.578km，同時設(shè)停車場1座，主變電所2座，其中一座明挖車站采用地下二層15.6m島式站臺，車站總長429.9m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬27. 4m，車站基坑深22.7m，車站結(jié)構(gòu)頂板覆土5.08m。根據(jù)成都軌道交通對該條線網(wǎng)的總體籌劃，該車站大里程接盾構(gòu)區(qū)間(始發(fā))，小里程端為明挖區(qū)間，主體結(jié)構(gòu)為地下二層島式框架結(jié)構(gòu)，采用明挖法施工，采用放坡+土釘墻進行支護，采用地面截排水+坑底積水明排進行降水[5]?；蝇F(xiàn)場開挖見圖1。

圖1 基坑現(xiàn)場開挖

1.2 地質(zhì)情況

根據(jù)地勘報告，該站HLCZ-014鉆孔柱狀圖13～19軸區(qū)域依次揭示為：雜填土(3.0m)、粉質(zhì)黏土(4.7m)、全風(fēng)化泥巖(0.5m)、(2m)強風(fēng)化泥巖(6.7m)、強風(fēng)化砂巖(1.5m)和強風(fēng)化泥巖(4.3m)。該區(qū)域整體地層巖性較差。已開挖基坑巖性基本為雜填土和粉質(zhì)黏土，見圖2。

圖2 基坑開挖地質(zhì)

2 微波雷達變形測試原理

基于線性調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)和相位干涉原理的測量設(shè)備。首先發(fā)射器調(diào)制一組線性調(diào)頻連續(xù)波正交同相(I/Q)信號，然后主信號由發(fā)射天線向被測目標(biāo)方向發(fā)射，剩余信號作為本振信號，經(jīng)被測目標(biāo)反射，反射信號被接收天線接收，并與本振信號混頻、濾波、采樣后得到包含距離信息和變形信息的差頻信號，通過對差頻信號進行快速傅里葉變換后可得差頻，依據(jù)差頻和被測目標(biāo)距離的關(guān)系可得到目標(biāo)距離，通過差頻定位到相位譜中的相位，多個掃頻的相位進行干涉計算可得被測目標(biāo)的變形信息。通過兩次發(fā)射相位差來測量振動位移，如圖3所示。

圖3 測試原理

雷達工作波長λ；第一次目標(biāo)測量相位φ1；第二次測量相位φ2；兩次測量間目標(biāo)在雷達視線上的位移量d。假設(shè)雷達發(fā)射信號頻率、初始相位分別為f0、φ0，則發(fā)射信號VT、回波信號VR分別可以表示為：

VT(t)=Acos(2πf0t+φ0)

(1)

VR(t)=Acos(2πf0t+φ0-φ)

(2)

式中：A為發(fā)射信號的幅度;η為回波信號幅度的衰減系數(shù);φ為回波信號與發(fā)射信號間的相位差。

相位差φ與發(fā)射信號頻率f0和回波信號時間延遲T相關(guān)：φ=2πf0T；而回波信號時間延遲T與目標(biāo)離雷達的距離L的關(guān)系滿足下式：

T=2L/c

(3)

式中：c為微波信號的傳播速度。則相位差φ與距離L的關(guān)系又可以表示為：

φ=4πf0L/c

(4)

由于相位測量存在一個周期性的模糊問題，即總的相位φ為φ=N× 2π+φ，而在實際相位測量時，不能得到圖1中相位差φ的整周期部分N×2π，只能得到相位差φ的余數(shù)部分φ=φ-N×2π。然而，這并不影響目標(biāo)位移的測量。將相位差φ=N× 2π+φ代入式(4) 可得：

N× 2π+φ=4πf0L/c

(5)

進而，距離L可以表示為：

L=φc/4πf0+Nc/2f

(6)

又有λ=c/f0，式(6) 進一步表示為：

L=λφ/4π+λN/2

(7)

當(dāng)目標(biāo)發(fā)生移動、且移動量小于微波周期半長度λ/2時，可以認(rèn)為相位差φ的距離整周期部分保持不變，距離L的變化量僅體現(xiàn)在式(7) 的第一項中，對式(7) 差分，可以得到目標(biāo)位移表達式

ΔL=λΔφ/4π

(8)

同時，將相位差φ=N×2π+φ代入式(2) ，回波信號也可以表示為：

VR(t)=Acos(2πf0t+φ0-φ)

(9)

因此，在進行實際測量時，通過測量回波信號與發(fā)射信號間相位差余數(shù)部分φ的變化量，即可得到目標(biāo)的位移量。顯然，此類相位解調(diào)的方法都只適合測量相對位移量ΔL而非絕對距離L。

3 監(jiān)測方案

監(jiān)測要求應(yīng)滿足GB50911-2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》、GB50497-2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》和成都軌道交通集團公司等相關(guān)文件的規(guī)定，本工程監(jiān)測方法及精度要求如表1所示。

表1 基坑變形監(jiān)測

4 監(jiān)測結(jié)果及原因分析

為了分析基坑支護結(jié)構(gòu)樁頂?shù)乃轿灰?，對基坑的CX6～CX8安裝了3個雷達反射體進行監(jiān)測?，F(xiàn)場測試軟件顯示如圖4所示。通過對2d(48h)不間斷連續(xù)監(jiān)測變形，測試圖見圖5。

圖5 現(xiàn)場測試

由圖6可知：CX8測點應(yīng)變在一天48h內(nèi)(2020年8月18～2020年8月19)，在運行條件下的最大撓度7.74mm，超過安全預(yù)警值，表明基坑在外部作用下結(jié)構(gòu)位移處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

圖6 CX8水平位移隨時間變化曲線(2020年8月18～2020年8月19)

出現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化的主要原因有：

(1)根據(jù)土體測斜孔取芯情況，基坑開挖施工的巖土全風(fēng)化巖呈土狀，強風(fēng)化巖呈碎塊狀，軟硬不均，巖土呈弱～中等膨脹性，且水解黏性土作用沿裂隙面形成灰白色黏土“軟弱帶”，導(dǎo)致該區(qū)域地質(zhì)整體情況較差、自穩(wěn)性較差。

(2)監(jiān)測期降雨較多，地表水滲入膨脹性土體，圍護結(jié)構(gòu)土體側(cè)壓力增大。土方開挖后，土體應(yīng)力釋放和二次重分布劇烈。加之，該區(qū)段基坑目前開挖深度在第二道錨索位置，開挖、噴錨及錨索工序時間較長，圍護樁缺乏有效約束而出現(xiàn)變形。

建議處理措施有：

(1)建議以樁體水平位移監(jiān)測值和土體水平位移監(jiān)測值指導(dǎo)施工，繼續(xù)開挖，若后期變形數(shù)據(jù)過大，再放坡卸載。

(2)對變形較大區(qū)段，在距圍護樁1.5m處進行挖槽取土，成槽后及時回填砂卵石，釋放樁背土壓力，形成土壓力緩沖層。

(3)對已完第一道錨索補張拉。

(4)加強基坑內(nèi)外截、排水及防洪排澇措施，做好坑壁排水和泥巖面及時封閉，增加一排深層排水孔布置，降低地下水位影響。

(5)分臺階開挖，縮短單次開挖軸線長度，加強工序銜接，縮短錨索施工周期，及時張拉。

5 結(jié)論

微波雷達對結(jié)構(gòu)位移的監(jiān)測室非接觸、高精度、全方位的特點，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的微小變形進行測量，相對其他監(jiān)測手段，野外勞動強度低、效率高，不受氣象條件影響，且操作簡等優(yōu)點，值得大力推廣運用。