劉輝 LIU Hui；于連杰 YU Lian-jie

（中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089）

0 引言

明挖隧道施工過程中，由于土方開挖及重型機(jī)械的影響，土體應(yīng)力發(fā)生明顯變化，地下水穩(wěn)定系統(tǒng)破壞嚴(yán)重，從而導(dǎo)致隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力變形，進(jìn)而引起隧道基坑坍塌等嚴(yán)重安全事故，因此監(jiān)控量測在明挖隧道施工中起著至關(guān)重要的預(yù)警作用。新加坡樟宜機(jī)場第三跑道明挖隧道項目臨近運(yùn)營跑道、消防站等構(gòu)筑物，需在施工過程中，及時反饋監(jiān)測信息，確保機(jī)場跑道的正常運(yùn)營，避免發(fā)生安全事故及經(jīng)濟(jì)損失，避免造成不良的社會影響。

1 項目介紹

新加坡樟宜機(jī)場第三跑道項目位于新加坡東部，毗鄰樟宜機(jī)場第一跑道、第二跑道和第二航站樓，是新加坡樟宜機(jī)場擴(kuò)建項目第五航站樓的重要組成部分。ARC 先導(dǎo)明挖隧道全長469m，平均寬度36m，開挖深度為10～15m，采用鋼板樁加工字鋼、滿堂地基加固及鋼支撐組合圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。樟宜機(jī)場項目地質(zhì)較為單一，大部分區(qū)域由上世紀(jì)90年代填海造陸而成。其中地質(zhì)結(jié)構(gòu)由上而下主要分為回填層（Fill）、加冷地層（Kallang Foundation）及原有沖積層（Old Alluvium）。其中加冷地層為新加坡特有地層分類，主要包含海相粘土層（M）、粘土層（E）、沖積粘土層（F1）及沖積沙層（F2）。因此，本項目監(jiān)控量測內(nèi)容較多，數(shù)據(jù)收集及分析工作較為復(fù)雜。

2 監(jiān)控量測種類及數(shù)量

第三方檢測機(jī)構(gòu)根據(jù)業(yè)主委托編制監(jiān)控量測方案，并報業(yè)主審批。ARC 先導(dǎo)明挖隧道在開挖土方之前設(shè)置：地表沉降監(jiān)測點(diǎn)（72 個）；圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測點(diǎn)（23 個）；地下水壓力監(jiān)測點(diǎn)（18 個）；水位監(jiān)測點(diǎn)（10 個）；支撐應(yīng)變計（76 對）；支撐軸力監(jiān)測點(diǎn)（15 個）。

3 監(jiān)控量測設(shè)備安裝

3.1 地表沉降監(jiān)測點(diǎn)

地表沉降監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)安裝較為簡單。根據(jù)平面布置圖，用全站儀放樣出具體位置。以中心點(diǎn)為圓心，采用Φ500mm鉆頭鉆取300mm 深孔道，再用Φ200mm 鉆頭繼續(xù)鉆取700mm 深孔道。將Φ25mm 實(shí)心鍍鋅鋼管至少插入地表以下1300mm，并灌注細(xì)石混凝土填充。此外，沉降監(jiān)測應(yīng)在施工區(qū)域內(nèi)設(shè)置測量基準(zhǔn)網(wǎng)，基準(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)遵循分級布設(shè)、逐級控制的基本原則。首先根據(jù)周邊地表沉降監(jiān)測點(diǎn)分布情況布設(shè)三個監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)選置后應(yīng)與樟宜機(jī)場水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測；其次，根據(jù)監(jiān)測網(wǎng)的具體情況布設(shè)工作基點(diǎn)，工作基點(diǎn)根據(jù)與基準(zhǔn)點(diǎn)的距離和通視條件進(jìn)行選定。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測點(diǎn)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測由數(shù)顯測斜儀測定。測斜儀的監(jiān)測孔道埋設(shè)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)50cm 外的土體中，測斜管的長度為開挖基坑深度的2 倍，且大于圍護(hù)結(jié)構(gòu)鋼板樁長度。測斜管布點(diǎn)間隔為30m，并在風(fēng)暴水箱陽角等特殊位置增設(shè)安裝。測斜管安裝流程為：定位-鉆孔-插入護(hù)壁套管-貫入水泥漿-插入測斜套管-拔除護(hù)壁套管-封頂固定。

測斜儀是由雙軸探頭，電纜卷軸和配備數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)的電子顯示屏組成，并與多個傾角傳感器和控制器連接。將傾角傳感器按照固定間距連接在金屬桿上并放入測斜管中，同時檢查是否與控制器連接完成。通過控制器讀取傳感器的數(shù)值來獲取不同高程的水平位移情況。例如，傳感器A 處與其下方的傳感器B 處的距離為L，則第i 個傳感器的測得的水平位移值Li=Ki·sinαi。將Li累加，可以得到n 個傳感器串聯(lián)的累計水平位移:

式中：Ln為測斜儀累計水平位移數(shù)值；

K 為兩個傳感器間的固定距離；

α 為金屬桿的傾斜角度；

n 為傳感器數(shù)量。

3.3 地下水壓力監(jiān)測點(diǎn)

采用VWP 振弦式滲壓計，測定地下滲透水壓力。VWP 振弦式滲壓計是一種利用彈性膜板變形，帶動振弦應(yīng)力的變化，從而改變振弦的震動頻率，進(jìn)而測定滲透水壓力的感應(yīng)裝置。基本參數(shù)為：測量范圍為-50kPa 至4000kPa；測溫范圍為-40℃至+80℃等。VWP 振弦式滲壓計埋設(shè)深度5～10m，埋設(shè)過程中反復(fù)監(jiān)測測壓頭讀數(shù)，確保測壓頭正常工作。測壓頭插入底部后，在套管周圍填充干凈的細(xì)沙，長度約為1m，作為進(jìn)氣過濾層。沙層上端填充膨潤土碎屑，長度約為1m，作為密封層。循環(huán)以上步驟安裝第二個測壓頭，然后用水泥漿填充剩余孔道，直到鉆孔頂部達(dá)到地面水平位置，并放置水泥塞進(jìn)行保護(hù)。

3.4 水位監(jiān)測點(diǎn)

在明挖隧道內(nèi)部和外部埋設(shè)深度為10m 至15m，直徑為2 寸PVC 管道，用作地下水位監(jiān)測點(diǎn)。具體安裝方法為：鉆孔至設(shè)計深度，采用覆蓋土工織物的2 寸開槽PVC管插入底部，用細(xì)沙回填至頂部。等待PVC 管道牢固后，收回所有鉆孔套管，用水泥塞密封頂部開孔，并加以保護(hù)。

采用電子地下水位監(jiān)測設(shè)備，對隧道周圍的水位進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。電子地下水位監(jiān)測設(shè)備為目前新型研發(fā)設(shè)備，一般包括水壓探頭、無線發(fā)射裝置、數(shù)據(jù)處理軟件等，電子地下水位監(jiān)測設(shè)備具有數(shù)據(jù)可靠，數(shù)據(jù)記錄與自動化處理功能等優(yōu)點(diǎn)。

3.5 鋼支撐應(yīng)變計

當(dāng)受到土壓力作用或施加應(yīng)力及荷載時，鋼支撐會發(fā)生拉伸或壓縮現(xiàn)象，從而產(chǎn)生相應(yīng)的變形。鋼支撐應(yīng)變計（Strain Gauge）的作用就是精確的監(jiān)測鋼支撐的應(yīng)變，即監(jiān)測其在應(yīng)力作用下發(fā)生的變形量。安裝時，在鋼支撐約為1/3 處選定并放樣出應(yīng)變計安裝位置，打磨以去除表面氧化層。將應(yīng)變計固定槽順軸線方向安裝在鋼支撐表面，并點(diǎn)焊固定。將應(yīng)變計傳感器用不銹鋼固定帶固定至卡槽內(nèi)，并進(jìn)行焊接處理。

3.6 支撐軸力監(jiān)測點(diǎn)

支撐軸力監(jiān)測是在鋼支撐中間位置加設(shè)一個軸力監(jiān)測傳感器（Load Cell），可以精確地測量鋼支撐軸線上的受力情況。安裝前，檢查鋼支撐預(yù)留空間，預(yù)留約240mm 至250mm。空隙內(nèi)兩側(cè)焊接托舉支架后，將軸力檢測傳感器放置托舉支架上，最終兩側(cè)插入薄金屬墊片填充剩余空間，調(diào)整軸力傳感器至鋼支撐中心位置。

4 初始讀數(shù)及監(jiān)測頻率

具體見表1。

表1 各監(jiān)控量測初始數(shù)據(jù)及監(jiān)測頻率表

5 自動化數(shù)據(jù)分析平臺的應(yīng)用

新加坡機(jī)場項目采用Mission OS 系統(tǒng)作為監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)收集及數(shù)據(jù)分析集合平臺。這個系統(tǒng)是通過提高監(jiān)測過程的自動化程度和透明度，來降低人為因素造成的施工風(fēng)險，并在勞動密集型的施工產(chǎn)業(yè)中解放勞動力，大大提升了施工生產(chǎn)效率。

Mission OS 系統(tǒng)的宗旨：將監(jiān)測工程師從繁重的監(jiān)測數(shù)據(jù)處理工作中解脫出來，為他們提供一個可以快速、便捷地處理、審計和分析大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的平臺。

5.1 自動化數(shù)據(jù)分析平臺的特點(diǎn)

①項目上所有數(shù)據(jù)均可在此平臺上體現(xiàn)，為大數(shù)據(jù)集合通用平臺。

②此平臺是一個交叉引用、驗(yàn)證和審核數(shù)據(jù)的綜合性數(shù)據(jù)處理中心，將正確信息實(shí)時傳輸，錯誤信息進(jìn)行校對考證。

③此平臺輸入結(jié)構(gòu)模塊化，輸入界面簡潔明確。具有較高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸通道，簡單易操作。

④此平臺可作為項目數(shù)據(jù)儲存庫，從平臺中可查詢自開工以來所保存的全部數(shù)據(jù)。并且預(yù)留多個開口端，可對接業(yè)主、設(shè)計及施工單位自有數(shù)據(jù)平臺。

5.2 自動化數(shù)據(jù)分析平臺功能

5.2.1 平面布置圖

Mission OS 系統(tǒng)提供以高分地圖為載體，將整個工程項目地理位置及地形地貌以平面布置圖和三維地形圖的形式展現(xiàn)出來。平面布置圖中，將施工現(xiàn)場按照實(shí)際施工區(qū)域進(jìn)行劃分，可單獨(dú)查看一定影響區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，且每一個監(jiān)測點(diǎn)都能在平面布置圖中精確定位。此系統(tǒng)可在三個模式下自由切換查看監(jiān)測點(diǎn)現(xiàn)有狀態(tài)：類型模式、報警模式和高程模式。類型模式下可以根據(jù)需求對僅所需類型的監(jiān)測1 點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)查看；報警模式為僅顯示已報警監(jiān)測點(diǎn)；高程模式是以高程為劃分點(diǎn)，將不同高程的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分顯示。

5.2.2 數(shù)據(jù)分類查詢功能

平臺系統(tǒng)內(nèi)配置數(shù)據(jù)篩分系統(tǒng)，對不同種類的數(shù)據(jù)單獨(dú)儲存，并配有總結(jié)式下拉菜單。使用者可以按照自己的需求快捷、方便地完成查找工作。查找過程中，系統(tǒng)將自動提示用戶數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確和完整。此外，可同時選中多個監(jiān)測點(diǎn)的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以方便用戶有針對性的分析現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)工程隱患（如圖1）。

圖1 分類查找系統(tǒng)圖

5.2.3 輔助圖表分析功能

所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以根據(jù)時間軸的劃分一鍵生成分析圖表，所生成的圖表都是相互獨(dú)立的。用戶可以根據(jù)此功能分析任何時間段的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢，更直觀的呈現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化速率和變化程度。所生成的圖表可以進(jìn)行局部的縮放，以展現(xiàn)更為清晰的數(shù)據(jù)走勢，并可在圖中，顯示單獨(dú)一次的監(jiān)測具體數(shù)據(jù)。在多個監(jiān)測點(diǎn)分析比較過程中，不同的監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)折線圖采用不同顏色進(jìn)行區(qū)分，并且，可以單獨(dú)隱藏一個或幾個監(jiān)測點(diǎn)折線圖，使單獨(dú)分析兩個監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)關(guān)系時，所表達(dá)的圖表更為簡潔（如圖2）。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測圖

5.2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)儲存管理功能

系統(tǒng)上所有監(jiān)測數(shù)據(jù)都是直接在用于數(shù)據(jù)處理的本地服務(wù)器內(nèi)加載儲存，并上傳至云端平臺。服務(wù)器內(nèi)的多重算法，可以使任何數(shù)據(jù)單元的數(shù)據(jù)管理變得簡單高效。收集的原始數(shù)據(jù)和整個數(shù)據(jù)的處理過程都可在系統(tǒng)中調(diào)取、查看。除了處理數(shù)據(jù)功能外，Mission OS 系統(tǒng)在導(dǎo)入一系列數(shù)據(jù)后，可以單純用作數(shù)據(jù)可視化工具。

數(shù)據(jù)管理功能還包括數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)隔離、數(shù)據(jù)審核和數(shù)據(jù)校正功能。數(shù)據(jù)過濾：系統(tǒng)內(nèi)部根據(jù)不同監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化幅度和持續(xù)變化的峰值，設(shè)置自動過濾系統(tǒng)。即系統(tǒng)將原始監(jiān)測數(shù)據(jù)收集后，會自動進(jìn)行篩選，將與事實(shí)偏差較大的數(shù)據(jù)單獨(dú)處理。數(shù)據(jù)隔離：通過數(shù)據(jù)過濾篩選出來的無效數(shù)據(jù)將被自動屏蔽隔離，不會引起系統(tǒng)報警提示。為確保篩選數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，自動屏蔽的數(shù)據(jù)會單獨(dú)形成一份數(shù)據(jù)報告，并在后續(xù)的人工篩查中進(jìn)行校核。數(shù)據(jù)審核：監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過篩分后，會經(jīng)過兩級系統(tǒng)進(jìn)行處理。第一級是由數(shù)學(xué)算法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計算；第二級為管理員級別，將所有數(shù)據(jù)，包含被隔離數(shù)據(jù)重新審核和校對，并將合理數(shù)據(jù)代入系統(tǒng)算法中，防止正確數(shù)據(jù)被遺漏。數(shù)據(jù)校正：發(fā)現(xiàn)不正確或存在偏差的數(shù)據(jù)可以在系統(tǒng)中進(jìn)行校正。多重校核系統(tǒng)中，包含各類影響因素:溫度、氣壓、潮汐、風(fēng)速風(fēng)壓和測量偏差等。系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行相互查證，自動校正偏差數(shù)據(jù)。

5.2.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警功能

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，將確定每個監(jiān)測點(diǎn)的預(yù)警值和停工值。系統(tǒng)將根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)環(huán)境及工程特點(diǎn)，適當(dāng)修正預(yù)警值。當(dāng)沉降、偏移或壓力達(dá)到預(yù)警值時，系統(tǒng)將通過短息和郵件將報警信息實(shí)時發(fā)送給項目管理人員，以便項目管理人員采取相應(yīng)的措施，防止事態(tài)的進(jìn)一步惡化。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到停工值時，實(shí)時數(shù)據(jù)將上傳至新加坡建屋局（BCA），政府部門將強(qiáng)制停止此區(qū)域施工，經(jīng)專家論證，并采取相應(yīng)措施后，監(jiān)測數(shù)據(jù)恢復(fù)至預(yù)警值以內(nèi)，方可復(fù)工。

5.2.6 自定義報告生成功能

平臺可以跟據(jù)用戶的自身喜好，將平面位置圖、地形圖、監(jiān)測點(diǎn)剖面圖、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析圖、數(shù)據(jù)表格和純文字描述等自由搭配，生成自定義報告。

6 總結(jié)

新加坡明挖隧道深基坑監(jiān)測采用全過程信息化管理，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理及管理平臺，對項目的整體信息全面掌控，在準(zhǔn)確性、時效性和前瞻性等幾個方面有著突出優(yōu)勢。①將大量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩分，分層、分級、合理處理各項數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確。②有效地掌控了基坑開挖變形的實(shí)時狀態(tài)，將實(shí)時動態(tài)通過移動端進(jìn)行實(shí)時傳輸，讓項目管理人員能及時掌握基坑變化情況。③根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)信息，深入分析數(shù)據(jù)走向，掌握變化趨勢，提前做好預(yù)防措施。新加坡明挖隧道基坑監(jiān)控量測設(shè)計及全過程信息化的應(yīng)用，使得基坑變形初期能夠及時發(fā)現(xiàn)、變形趨勢能夠及時預(yù)測，為基坑安全施工提供寶貴的應(yīng)急時間，為項目的順利實(shí)施保駕護(hù)航。