鄧 賀 鑫

(中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司, 天津 300350)

隨著基坑天然氣管道的開(kāi)挖,將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的垂直位移現(xiàn)象,不均勻的垂直位移將會(huì)導(dǎo)致地下基坑開(kāi)裂,造成較為嚴(yán)重的破壞,處于異常變化狀態(tài)的垂直位移在較大程度上暗示著綜合破壞現(xiàn)象的發(fā)展.而垂直位移監(jiān)測(cè)主要是利用觀測(cè)裝置對(duì)基坑中具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行位移量的測(cè)量,分析測(cè)量的數(shù)據(jù)能夠有效預(yù)測(cè)開(kāi)裂等基坑險(xiǎn)情,進(jìn)而采取一定的措施避免險(xiǎn)情的發(fā)生及進(jìn)一步擴(kuò)大.目前的研究對(duì)于位移點(diǎn)的測(cè)量精準(zhǔn)度較低,無(wú)法進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)操作.

文獻(xiàn)[1]采用B/S結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)平臺(tái),提升整體監(jiān)測(cè)的運(yùn)行效率,綜合管理與分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),及時(shí)預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)信息,有效監(jiān)測(cè)位移潛在風(fēng)險(xiǎn).文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)不同的光線布設(shè)方法監(jiān)測(cè)位移數(shù)據(jù),根據(jù)開(kāi)挖面的雙軸線應(yīng)變進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算,但計(jì)算精準(zhǔn)程度較差.由此,傳統(tǒng)方法研究無(wú)法同時(shí)在較長(zhǎng)位移距離的不同位置進(jìn)行監(jiān)測(cè),同步監(jiān)測(cè)效果較差.為此,針對(duì)以上問(wèn)題,本文構(gòu)建出一種新式深基坑鄰近天然氣長(zhǎng)輸管道垂直位移監(jiān)測(cè)方法.

本文在有效布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置后進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)處理,提升整體監(jiān)測(cè)的效率,精準(zhǔn)獲取相應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),構(gòu)建數(shù)值模擬分析模型,能夠同時(shí)進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)操作,在不同的基坑環(huán)境下實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè),應(yīng)用范圍較廣.

1 工程概況

本文研究區(qū)域主要位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)黃土塬,地形較開(kāi)闊、平坦,場(chǎng)地內(nèi)高差小于1.0 m,中部和西側(cè)為挖方區(qū),除西側(cè)外其他區(qū)域填土較厚,最大達(dá)8.80 m,無(wú)斷層構(gòu)造,整體穩(wěn)定性較好,且未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模不良地質(zhì)現(xiàn)象,有利于進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)研究.場(chǎng)地內(nèi)黃土層厚度分布不均,馬蘭黃土為自重濕陷性黃土黃土地基濕陷等級(jí)為中等級(jí),進(jìn)出站閥組區(qū)一共設(shè)置4個(gè)勘察點(diǎn)及兩個(gè)剖面,該區(qū)域局部為填方區(qū),填方深度在5～7 m,地基承載力特征值不小于140 kPa[3-4].管道結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 工程管道結(jié)構(gòu)Figure 1 Engineering pipeline structure

2 深基坑開(kāi)挖下位移監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)位置布置

深基坑開(kāi)挖下鄰近天然氣長(zhǎng)輸管道垂直位移主要分為三個(gè)不同的層次區(qū)域,在幾何水準(zhǔn)布局系統(tǒng)中分析基坑的具體結(jié)構(gòu),并將結(jié)構(gòu)圖像繪制在監(jiān)測(cè)圖中.在靜力水準(zhǔn)布局系統(tǒng)中,按照基坑內(nèi)部管道連接的方向判斷監(jiān)測(cè)位置點(diǎn)的確定條件,在不同的水平壓力測(cè)量線中分別設(shè)置相應(yīng)的水壓監(jiān)測(cè)裝置,時(shí)刻監(jiān)測(cè)管道周?chē)乃鳡顟B(tài).測(cè)量不同管道間的高度與相隔距離,將測(cè)量的數(shù)據(jù)作為監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)存儲(chǔ)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,通過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)比分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù),附加處理基坑內(nèi)部埋設(shè)管道的分布范圍[5-6].以監(jiān)測(cè)的基坑開(kāi)挖深度情況為數(shù)據(jù)對(duì)比條件,構(gòu)建水準(zhǔn)測(cè)線空間,將需進(jìn)行對(duì)比的數(shù)據(jù)收錄至測(cè)線空間中,調(diào)配測(cè)量準(zhǔn)則,設(shè)置測(cè)量準(zhǔn)則參數(shù)方程式:

(1)

其中:s(t)為測(cè)量準(zhǔn)則參數(shù);E為開(kāi)挖深度;Wr為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基準(zhǔn)點(diǎn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù);r為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置確定條件數(shù)值.

根據(jù)測(cè)量準(zhǔn)則精準(zhǔn)布置監(jiān)測(cè)的區(qū)域,在基坑內(nèi)部縱向廊道中設(shè)置7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),控制監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的距離相同,標(biāo)記監(jiān)測(cè)位置,同時(shí)完善測(cè)線空間[7-8].

2.2 垂直位移監(jiān)測(cè)分析

集中分析滲透性較強(qiáng)的基坑周?chē)拇怪蔽灰茢?shù)據(jù),根據(jù)基坑周?chē)馏w的應(yīng)力參數(shù)判斷不同基坑開(kāi)挖深度對(duì)位移距離的影響,將影響參數(shù)錄入位移分析系統(tǒng)中,檢測(cè)影響參數(shù)與位移距離之間的關(guān)系,在基坑中心結(jié)構(gòu)處監(jiān)測(cè)的位移為28.17 mm,該數(shù)值與分析標(biāo)準(zhǔn)差距較大,需進(jìn)一步處理位移數(shù)據(jù)收集空間的收集參數(shù),當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)程與管道鋪設(shè)工程進(jìn)度不一致時(shí),將會(huì)產(chǎn)生較大的位移變化,在具體分析的過(guò)程中需管理進(jìn)度數(shù)據(jù),確保兩者處于大致相同的區(qū)間內(nèi),并構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理方程:

(2)

其中:Rs表示為管理進(jìn)度參數(shù);fn表示為位移與影響參數(shù)關(guān)系數(shù)值;L表示為監(jiān)測(cè)位移數(shù)值;Kl為開(kāi)挖進(jìn)度;Ks為管道鋪設(shè)進(jìn)度.垂直位移監(jiān)測(cè)計(jì)算過(guò)程如圖2所示.

圖2 垂直位移監(jiān)測(cè)計(jì)算過(guò)程Figure 2 Calculation process of vertical displacement monitoring

根據(jù)圖2可知,共布置了7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),在垂直地區(qū)設(shè)定角度偏移值,根據(jù)偏移角度得到偏移量,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)[9-10].

3 天然氣長(zhǎng)輸管道異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)檢測(cè)

3.1 天然氣長(zhǎng)輸管道異常數(shù)據(jù)定性檢測(cè)

在實(shí)現(xiàn)位移監(jiān)測(cè)后,針對(duì)異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,根據(jù)深基坑內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)判斷垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化位置,通過(guò)變化位置分析測(cè)量數(shù)值的穩(wěn)定性范圍.由于深基坑位于透水性較強(qiáng)的巖層中,當(dāng)巖層傾向于下游時(shí),傾斜角處于固定的數(shù)值區(qū)間內(nèi),分析此時(shí)的基坑巖層頂托力,設(shè)置相應(yīng)的水流上升線,控制基坑內(nèi)部水體上升處于可控范圍內(nèi).從深基坑的內(nèi)部靜力水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)值分析出基坑內(nèi)部存在沉降變形現(xiàn)象,需設(shè)置相應(yīng)的形變控制參數(shù)對(duì)該現(xiàn)象加以調(diào)整,構(gòu)建形變控制方程式:

(3)

其中:D為形變控制參數(shù);J為沉降變形數(shù)值;c為形變曲線[11].

按照控制后的深基坑結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析處理,調(diào)整管道間的鋪設(shè)距離,由于深基坑的左側(cè)區(qū)域相對(duì)較深,在相同的開(kāi)挖深度截?cái)嗝嫔?管道自然承重力較弱,基坑內(nèi)部壓力增大,管道位移現(xiàn)象較為明顯.通過(guò)對(duì)比不同開(kāi)挖深度的位移數(shù)據(jù),推測(cè)施工區(qū)域的垂直位移成因,根據(jù)成因進(jìn)一步分析位移過(guò)程中所受的彈性形變程度,減少對(duì)基坑的結(jié)構(gòu)破壞,有效完善定性分析研究[12].

3.2 天然氣長(zhǎng)輸管道異常數(shù)據(jù)定量檢測(cè)

為有效實(shí)現(xiàn)異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,進(jìn)行定量分析研究.基坑內(nèi)部混凝土的壓縮量處于8.17～11.26 mm之間,根據(jù)該數(shù)值判斷基坑混凝土狀態(tài)是否處于可監(jiān)測(cè)范圍內(nèi),在確定監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)后執(zhí)行定量分析指令[13-14].控制基坑內(nèi)部的混凝土豎直向下應(yīng)變數(shù)值處于平穩(wěn)變化中,管道垂直位移與混凝土變化量趨勢(shì)相同,需同步化處理趨勢(shì)數(shù)據(jù),構(gòu)建統(tǒng)計(jì)模型分析管道位移所受的不同因素的影響程度.充分考慮基坑內(nèi)部巖層受水壓及溫度等因素影響的程度大小,總結(jié)因素影響規(guī)律,將規(guī)律數(shù)值錄入主導(dǎo)因子調(diào)節(jié)系統(tǒng)中.選取基坑監(jiān)測(cè)中心點(diǎn)進(jìn)行管道垂直位移的模型分析操作,構(gòu)建定量分析模型:

(4)

其中:Fr(qr)為定量分析參數(shù);I(l)為基坑內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù);l為模型內(nèi)管道位移距離參數(shù);?為影響程度數(shù)值;lK為應(yīng)變數(shù)值.匹配定量分析的數(shù)值,研究不同影響因素下的管道垂直位移距離,完成定量分析.

4 天然氣長(zhǎng)輸管道垂直位移數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值分析模擬

根據(jù)數(shù)據(jù)檢測(cè)分析結(jié)果構(gòu)建數(shù)值分析模擬平臺(tái),首先對(duì)深基坑開(kāi)挖階段的管道垂直位移數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元計(jì)算分析,其次分析基坑內(nèi)部的穩(wěn)定性參數(shù),進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算.深基坑開(kāi)挖下鄰近天然氣長(zhǎng)輸管道有限元模型如圖3所示.

圖3 深基坑開(kāi)挖下天然氣長(zhǎng)輸管道支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型Figure 3 Finite element model of supporting structure of natural gas long transmission pipeline under deep foundation pit excavation

為有效減少計(jì)算過(guò)程中的邊界效應(yīng)影響,通常情況下,數(shù)值分析構(gòu)建的基坑土體模型的截?cái)嗝娴拈L(zhǎng)度為實(shí)際長(zhǎng)度的4倍,選用混凝土支撐裝置加固基坑結(jié)構(gòu),固定數(shù)值模擬模型的邊界,將收集的異常與正常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)錄入數(shù)值模擬系統(tǒng)中等待平臺(tái)響應(yīng).分析模擬后的數(shù)據(jù),統(tǒng)一輸出模擬參數(shù),設(shè)置數(shù)據(jù)參數(shù)輸出公式:

(5)

其中:Gw(n)為輸出的參數(shù)數(shù)據(jù);vs為數(shù)值模擬平臺(tái)響應(yīng)速率;vd為固定數(shù)值參數(shù);n為輸出數(shù)據(jù)代表量.深基坑開(kāi)挖下天然氣長(zhǎng)輸管道滲流結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4所示.

圖4 深基坑開(kāi)挖下天然氣長(zhǎng)輸管道滲流結(jié)構(gòu)有限元模型Figure 4 Finite element model of seepage structure of long natural gas transmission pipeline under deep foundation pit excavation

根據(jù)計(jì)算的模擬數(shù)值分析得出,該研究區(qū)域的地層滲透性較強(qiáng),管道垂直位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠在不同的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換,有效提升數(shù)值模擬的精準(zhǔn)度,為了確保模擬的數(shù)值與實(shí)際施工中的數(shù)據(jù)保持一致,在數(shù)值模擬的過(guò)程中交替進(jìn)行開(kāi)挖操作,調(diào)整施工程序,進(jìn)一步強(qiáng)化基坑開(kāi)挖操作,挖掘更深層次的位移數(shù)據(jù),提升數(shù)值模擬分析的可靠性[15].

4.2 基坑滲透和沉降模擬

由于基坑開(kāi)挖時(shí)的土體卸荷將會(huì)影響土體水壓平衡,本文根據(jù)模擬的數(shù)值結(jié)果進(jìn)一步分析基坑滲透程度以及沉降狀態(tài),并進(jìn)行基坑沉降模擬,確?；觾?nèi)部土體的孔隙水壓處于相同的平衡區(qū)間內(nèi).深基坑在開(kāi)挖后會(huì)生成滲透場(chǎng),測(cè)量此時(shí)的矢量數(shù)據(jù),對(duì)比滲透場(chǎng)內(nèi)外側(cè)的孔隙水壓,分析得出基坑兩側(cè)的滲透主要呈現(xiàn)為水平方向趨勢(shì),隨基坑開(kāi)挖深度的不斷加深,滲透的力度逐漸減小,模擬的土體模型邊界與實(shí)際開(kāi)挖邊界一致,能夠有效處理分布在中心區(qū)域的位移數(shù)據(jù).天然氣初始孔隙水壓力云圖如圖5所示.

圖5 天然氣初始孔隙水壓力云圖Figure 5 Cloud diagram of the initial pore water pressure of natural gas

選擇沉降監(jiān)測(cè)最大值參數(shù),模擬不同施工狀態(tài)下的基坑環(huán)境,繪制基坑內(nèi)部沉降圖像,分析沉降參數(shù)與設(shè)置的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間的差異,對(duì)比分析在滲透作用較強(qiáng)的條件下的沉降位移散點(diǎn)分布范圍,分析可知,滲透條件下的模擬模型沉降數(shù)值大于實(shí)際測(cè)量的沉降數(shù)值,設(shè)置對(duì)比參數(shù)調(diào)整差異數(shù)值,并構(gòu)建參數(shù)調(diào)整公式:

Ta=Tb+Tc-e2

(6)

其中:Ta表示為參數(shù)調(diào)整數(shù)值;Tb表示差異參數(shù);Tc表示為位移散點(diǎn)分布范圍參數(shù).根據(jù)上述調(diào)整參數(shù)完成基坑滲透與沉降模擬研究.

5 實(shí)例研究

為驗(yàn)證本文提出的深基坑開(kāi)挖下鄰近天然氣長(zhǎng)輸管道垂直位移監(jiān)測(cè)方法的實(shí)際應(yīng)用效果,選用黃土高原丘陵溝壑區(qū)黃土塬長(zhǎng)輸管道進(jìn)行實(shí)例研究.該區(qū)域深基坑挖掘共花費(fèi)3個(gè)月,采用的施工方法為明挖順做法施工,在挖掘的過(guò)程中啟用監(jiān)測(cè)設(shè)備,時(shí)刻監(jiān)測(cè)施工設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)狀況,確定深基坑開(kāi)挖過(guò)程中周邊土體產(chǎn)生的形變參數(shù)和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù).深基坑開(kāi)挖施工步驟如下:在基坑挖掘至1.2 m時(shí),引入第一道鋼筋混凝土,支撐基坑周邊結(jié)構(gòu);挖掘至8.0 m,澆筑第二道混凝土;挖掘至15.0m,澆筑第三道混凝土;挖掘至20 m后,進(jìn)行底板施工.根據(jù)使用管道結(jié)構(gòu)布置監(jiān)控點(diǎn),如圖6所示.

圖6 管道結(jié)構(gòu)布置監(jiān)控點(diǎn)Figure 6 Monitoring points of pipe structure layout

在布置監(jiān)測(cè)位置后,進(jìn)一步分析監(jiān)測(cè)的垂直位移數(shù)據(jù),選擇基坑中靠近西北側(cè)的5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為位移監(jiān)測(cè)分析的任務(wù)點(diǎn),根據(jù)位移的時(shí)間變化規(guī)律獲取相應(yīng)的位移距離參數(shù),在位移較大的區(qū)域設(shè)置混凝土支護(hù)作為保護(hù)裝置,由于基坑北側(cè)的位移距離明顯大于北側(cè)的位移距離,為此,在進(jìn)行分析的同時(shí)需充分考慮不同區(qū)域的地形特征,避免因無(wú)關(guān)參數(shù)對(duì)整體分析的影響.根據(jù)上述監(jiān)控結(jié)果分析垂直位移如圖7所示.

圖7 垂直位移監(jiān)測(cè)結(jié)果Figure 7 Results of vertical displacement monitoring

觀察圖7可知,監(jiān)測(cè)點(diǎn)5的垂直位移最低,沉降值最大,由此證明深基坑底部的位置很容易出現(xiàn)超載,支護(hù)結(jié)構(gòu)也十分復(fù)雜,對(duì)土體兩側(cè)變化會(huì)產(chǎn)生影響,監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的垂直位移量最小,由此證明在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易出現(xiàn)垂直沉降.分析襯砌收斂云圖、豎向位移云圖和形變?cè)茍D可知,顯示結(jié)果與監(jiān)控結(jié)果基本一致,因此,本文提出的監(jiān)測(cè)方法具有較高的可靠性.

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的監(jiān)測(cè)方法實(shí)際應(yīng)用效果,選用本文提出的方法與傳統(tǒng)的基于光纖傳感技術(shù)的樁體位移監(jiān)測(cè)方法和基于遙感技術(shù)的管道位移監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比,得到的結(jié)果如表1所示.

表1 監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of the monitoring results

根據(jù)表1可知,傳統(tǒng)的光纖傳感技術(shù)和遙感技術(shù)采用的監(jiān)測(cè)方法多為“點(diǎn)監(jiān)測(cè)”,因此只能根據(jù)天然氣管道局部變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)能力較差,且在監(jiān)測(cè)過(guò)程中需要安裝多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn).而本文提出的檢測(cè)方法能夠通過(guò)“面監(jiān)測(cè)”實(shí)現(xiàn)區(qū)域分析,監(jiān)測(cè)技術(shù)更加先進(jìn),應(yīng)用更為廣泛.

6 結(jié) 論

本文深入分析深基坑鄰近天然氣長(zhǎng)輸管道垂直位移監(jiān)測(cè)方法,并得出如下結(jié)論:

1)本文模擬的數(shù)值結(jié)果數(shù)據(jù)與實(shí)際開(kāi)挖工程測(cè)量的數(shù)據(jù)大致相同,能夠在相應(yīng)位移距離的不同位置進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)操作,有效提升監(jiān)測(cè)效率,避免監(jiān)測(cè)數(shù)值差異,較大程度上增強(qiáng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性.

2)集中分析不同開(kāi)挖狀態(tài)下的管道垂直位移情況,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)間的有效流通,控制土體模型提取參數(shù)處于可操作范圍內(nèi),強(qiáng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)值分析能力,提高監(jiān)測(cè)安全性.

綜上,本文研究的監(jiān)測(cè)效果較佳,但在實(shí)際操作的過(guò)程中仍存在著一些不足:

1)深基坑沉降的結(jié)果與位移結(jié)果的對(duì)比操作需在相同的挖掘場(chǎng)景下同時(shí)進(jìn)行,為此,在后續(xù)操作的過(guò)程中需保持挖掘程序的一致,有效確保監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度.

2)在分析的同時(shí)充分考慮土體狀態(tài)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響,避免干擾數(shù)據(jù)的侵入.