王 媛

(天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津市 300400)

0 引言

隨著城市規(guī)模迅速發(fā)展，城市交通運(yùn)輸壓力不斷增加，軌道交通可大大緩解地面交通壓力[1]，但地鐵車站軟土地層深基坑的建設(shè)過程中存在諸多風(fēng)險(xiǎn)。例如在深基坑開挖及主體結(jié)構(gòu)施工過程中，止水帷幕及周圍土體會(huì)由于基坑內(nèi)外應(yīng)力的重分布而導(dǎo)致變形，若變形過大將會(huì)對(duì)主體結(jié)構(gòu)和基坑的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而危及周圍建(構(gòu))筑物、地下管線的安全，而在軟土地層中，深基坑土方開挖對(duì)周邊環(huán)境影響更為嚴(yán)重。針對(duì)該情況，通常的做法是通過監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋周圍環(huán)境的實(shí)際狀態(tài)，及時(shí)預(yù)警，控制風(fēng)險(xiǎn)，從而確保結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、可靠和施工的順利進(jìn)行[2]。

目前國(guó)內(nèi)的地鐵基坑施工監(jiān)測(cè)大部分仍舊采取人工監(jiān)測(cè)的方式[3-5]，其采集、整理、分析數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間是“漫長(zhǎng)”的，且數(shù)據(jù)整理的準(zhǔn)確性需要多重復(fù)核才能得到有效保證，不僅耗費(fèi)人力而且容易出錯(cuò)，從而造成不必要的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)不良影響。近年來，部分學(xué)者致力于發(fā)展地基沉降預(yù)測(cè)公式系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與先瞻性[6]，部分學(xué)者基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行方式、技術(shù)、效率等方面的改進(jìn)。葛紀(jì)坤等[7]進(jìn)行了將地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于基坑監(jiān)測(cè)的嘗試。周二眾等[8]建立了深基坑智能預(yù)警系統(tǒng)并應(yīng)用于實(shí)際工程，取得了較好的監(jiān)測(cè)效果。龐紅軍等[9]在無支撐結(jié)構(gòu)且通視良好的深基坑內(nèi)采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式替代人工監(jiān)測(cè)，提高了監(jiān)測(cè)效率。譚偉[10]采用AutoMos自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移及重點(diǎn)建筑物沉降進(jìn)行了有效監(jiān)測(cè)。智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用，可以加強(qiáng)施工安全管理，實(shí)時(shí)知曉各環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)情況，并及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)結(jié)論，消除初期隱患，保證工程安全進(jìn)行?，F(xiàn)有研究多注重于沉降公式預(yù)測(cè)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建、新式監(jiān)測(cè)技術(shù)方面，對(duì)施工過程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)闡述較為粗略，故對(duì)施工過程中智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建與使用進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，力求對(duì)實(shí)際施工過程中智能監(jiān)測(cè)預(yù)警的使用起到一定參考意義。

基于天津地鐵6號(hào)線某軟土地層深基坑施工項(xiàng)目，進(jìn)行智能化監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)并現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，智能化監(jiān)測(cè)實(shí)際效果良好，預(yù)警響應(yīng)迅速，工程安全性有所提高，對(duì)相似工程監(jiān)控預(yù)警有一定借鑒意義。

1 深基坑智能監(jiān)測(cè)的必要性

軟土地層地鐵深基坑由于其開挖深度大，支護(hù)難度高，周圍環(huán)境復(fù)雜，常常伴隨著諸多風(fēng)險(xiǎn)?；邮鹿暑愋屯ǔ？煞譃橹ёo(hù)結(jié)構(gòu)破壞、土體結(jié)構(gòu)破壞及因基坑開挖引起的周圍環(huán)境破壞。據(jù)基坑事故原因統(tǒng)計(jì)，勘察失誤引起的基坑事故約占7%～8%，設(shè)計(jì)考慮不周引起的事故約占40%，施工引起的事故約占40%，業(yè)主或監(jiān)理管理不善、監(jiān)測(cè)不到位、對(duì)水的認(rèn)識(shí)不足等綜合因素約占12%～13%[11]。因監(jiān)測(cè)直接影響造成的事故占比不大，但一般基坑事故均帶有連鎖性，及時(shí)監(jiān)控預(yù)警將會(huì)是設(shè)計(jì)施工疏忽后最后的安全保障。以北京某地鐵基坑事故為例[12]，明挖法施工的車站基坑主要采用樁錨支撐或樁支撐支護(hù)體系，基坑?xùn)|北角鋼支撐斜撐連同鋼腰梁突然墜落砸下，造成下方支撐墜落，造成人員傷亡。后續(xù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)事故發(fā)生前兩日監(jiān)測(cè)沉降數(shù)據(jù)激增、斜撐軸力急劇減小、基坑水平位移速率較大，此三種預(yù)警指標(biāo)均已提示風(fēng)險(xiǎn)信息。但因現(xiàn)場(chǎng)人員未及時(shí)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常并進(jìn)行預(yù)警緊急處理而最終導(dǎo)致了此次事故的發(fā)生。

同人工監(jiān)測(cè)相比，智能監(jiān)測(cè)具有計(jì)算迅速、監(jiān)測(cè)連續(xù)、監(jiān)測(cè)時(shí)間間距可控、預(yù)警反饋及時(shí)等優(yōu)點(diǎn)。智能監(jiān)測(cè)一體化系統(tǒng)的使用，將大大降低監(jiān)測(cè)人員重復(fù)工作頻率，從某種程度上降低因人員疏忽而導(dǎo)致的預(yù)警不及時(shí)或預(yù)警誤判。對(duì)于穩(wěn)定性差的軟土地基而言，深基坑一體化智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與使用是十分有必要的。

2 深基坑智能化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及目的

2.1 深基坑智能監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

該站點(diǎn)為375.5m喇叭口異型車站，深基坑風(fēng)險(xiǎn)比一般車站風(fēng)險(xiǎn)大，站主體采用明挖順做法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800mm厚鋼筋混凝土連續(xù)墻+內(nèi)支撐的形式。車站主體長(zhǎng)375.5m，基坑形狀呈喇叭口，車站標(biāo)準(zhǔn)段總寬度為21.1m，基坑深為17.03m；小里程盾構(gòu)井段寬25.7m，基坑深18.66m；大里程盾構(gòu)井段寬48.77m，基坑深19.66m。

地質(zhì)情況從上往下依次為回填土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、黏土、粉細(xì)砂；開挖面以下為圓礫層?；靥钔翆雍?.0～2.8m，粉質(zhì)黏土層厚0～2.6m，粉細(xì)砂層厚3.0～9.3m，黏土層厚1.8～6.5m，粉細(xì)砂層厚1.7～3.5m?；右责ね?、粉細(xì)砂土質(zhì)為主，基坑底板位于黏土及粉細(xì)砂層，基底以下為粉細(xì)砂及圓礫層。

2.2 深基坑智能監(jiān)測(cè)目的

在基坑施工過程中，為了全面了解地層、地下水、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐體系的變形狀態(tài)，以及由于施工對(duì)周邊既有建筑物和管線產(chǎn)生的影響，需進(jìn)行精確的監(jiān)控量測(cè)，從而達(dá)到以下目的：

(1)通過實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的比較，綜合判斷施工工法與施工步序是否滿足變形控制需求，為信息化施工提供數(shù)據(jù)支持。

(2)通過監(jiān)測(cè)圍護(hù)體系的變形和受力情況，了解其變化規(guī)律，使整個(gè)基坑在開挖期間始終處于安全運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。

(3)通過監(jiān)測(cè)基坑內(nèi)外水位變化，控制基坑工程施工降水對(duì)周圍地下水位下降的影響范圍和程度。

(4)通過跟蹤監(jiān)測(cè)，確?；邮冀K處于安全、平穩(wěn)狀態(tài)。

為提高實(shí)時(shí)監(jiān)控效率與預(yù)警精確性，設(shè)計(jì)采用水位計(jì)、振弦式軸力計(jì)、振弦式鋼筋計(jì)三種監(jiān)測(cè)儀器與智能監(jiān)控終端相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測(cè)的目的。主要使用儀器及其監(jiān)控項(xiàng)目如表1所示。所設(shè)計(jì)智能監(jiān)測(cè)各組成模塊如圖1所示。

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及儀器

圖1 智能監(jiān)測(cè)模塊示意圖

3 深基坑監(jiān)測(cè)設(shè)備及其工作原理

(1)振弦式軸力計(jì)

供試品種為云煙87。于龍陵縣臘勐鎮(zhèn)大埡口村開展試驗(yàn)，該地海拔1 950 m，沙壤土，肥力中等，地勢(shì)平坦，排灌方便。栽培管理按《保山市烤煙綜合標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范實(shí)施。

振弦式軸力計(jì)是一種振弦式載重傳感器，具有分辨力高、抗干擾性能強(qiáng)等特點(diǎn)，軸力計(jì)對(duì)集中載荷反應(yīng)靈敏、測(cè)值可靠，能長(zhǎng)期測(cè)量基礎(chǔ)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的反力以及對(duì)鋼支撐軸力和靜壓試驗(yàn)時(shí)的載荷。當(dāng)出現(xiàn)溫度信號(hào)不穩(wěn)定的情況時(shí)，可將任何一接線端頭部分露出的屏蔽線與溫度負(fù)端連接。傳感器線纜及其對(duì)應(yīng)功能如表2所示。

表2 傳感器電纜對(duì)應(yīng)功能

(2)振弦式鋼筋計(jì)

振弦式鋼筋計(jì)主要用于測(cè)量混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的鋼筋應(yīng)力，其主要由線圈、鋼弦和受力鋼體組成。當(dāng)發(fā)生應(yīng)力時(shí)，振弦式鋼筋計(jì)的受力鋼體產(chǎn)生應(yīng)變并傳遞給鋼弦，使鋼弦受力發(fā)生變化，從而改變鋼弦的固有頻率，測(cè)量?jī)x表輸出脈沖信號(hào)通過線圈激振鋼弦并檢測(cè)出線圈所感應(yīng)信號(hào)的頻率，經(jīng)換算得到被測(cè)結(jié)構(gòu)物的負(fù)載力。

振弦式鋼筋計(jì)智能信息采集的方式與振弦式軸力計(jì)相同，通過鋼筋計(jì)內(nèi)部輸出信號(hào)電纜連接智能信息采集電纜，實(shí)現(xiàn)信息的采集分析。

(3)投入式水位計(jì)

投入式水位計(jì)用于監(jiān)測(cè)測(cè)量基坑外部水位高度，利用所測(cè)液體靜壓與水位高度成比例的原理，采用隔離型擴(kuò)散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器制作而成，將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的輸出。

(4)多通道智能采集終端

采用ZS-SIMP-300智能型多功能數(shù)據(jù)采集模塊，其由高性能低功耗32位ARM內(nèi)核微處理器為核心,將電源、測(cè)量、傳輸、存儲(chǔ)等集成在一個(gè)模塊里,可自動(dòng)采集振弦、差阻、電流電壓、數(shù)字量類傳感器信號(hào),具有故障診斷、定時(shí)測(cè)量、自動(dòng)休眠、測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。通過采集終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集匯總處理，輔以智能監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)一體化智能監(jiān)控及預(yù)警。

4 深基坑智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)效果

通過各監(jiān)測(cè)設(shè)備信息連接電纜輸出至智能采集終端，通過信息顯示系統(tǒng)進(jìn)行項(xiàng)目管理、系統(tǒng)設(shè)置與自動(dòng)監(jiān)測(cè)，通過分析器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、提前預(yù)警與數(shù)據(jù)報(bào)表輸出。

4.1 智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

智能信息采集終端將不間斷采集的數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可通過系統(tǒng)查看各工程任意時(shí)間段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)生成該時(shí)間段曲線圖，采集頻率(5min至24h)可通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)任意設(shè)定，可自動(dòng)生成監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)，以標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)告模板導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可進(jìn)行聯(lián)合預(yù)警機(jī)制動(dòng)態(tài)分析已有數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)的挖掘和融合利用算法預(yù)測(cè)未來數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)及變化量。通過關(guān)聯(lián)多個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)，設(shè)置預(yù)警閥值，設(shè)置觸發(fā)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)預(yù)警，預(yù)警方式主要為短信預(yù)警、電話語音預(yù)警及系統(tǒng)預(yù)警。

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

三觀測(cè)點(diǎn)鋼支撐軸力12日監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均未觸發(fā)最小警戒值1870.6kN。

圖2 鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果

某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)混凝土支撐軸力12日監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示，9月23日軸力值為3742kN，超出預(yù)設(shè)預(yù)警值1517kN，預(yù)警系統(tǒng)向監(jiān)測(cè)人員發(fā)出預(yù)警通知，項(xiàng)目相關(guān)人員對(duì)此位置進(jìn)行了加固處理并進(jìn)行檢查，后期加大監(jiān)測(cè)頻率，保證了此位置的安全。

圖3 混凝土層軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果

部分水位監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示，水位均未超過預(yù)警值-0.8m。

圖4 水位監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

(1)軟土地層深基坑施工過程具有較多風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警對(duì)于施工安全保障而言是十分重要的，同人工監(jiān)測(cè)相比，智能監(jiān)測(cè)具有計(jì)算迅速、監(jiān)測(cè)連續(xù)、監(jiān)測(cè)時(shí)間間距可控、預(yù)警反饋及時(shí)等優(yōu)點(diǎn)。

(2)在此次軟土地層深基坑施工過程中，該智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)警了基坑開挖過程中的重大風(fēng)險(xiǎn)，起到了及時(shí)預(yù)防工程破壞事故、環(huán)境事故發(fā)生的重要作用。

(3)在實(shí)際工程中，智能化監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，可以真正做到信息化施工，用信息化來指導(dǎo)安全施工生產(chǎn)。

(4)本工程的智能化監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用可以為后續(xù)的研究提供參考。