魏會(huì)龍,劉川煒,勞麗燕,張 強(qiáng)

(1.深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院,廣東 深圳 518060;2.深圳市地質(zhì)局,廣東 深圳 518023;3.深圳地質(zhì)建設(shè)工程公司,廣東 深圳 518023)

0 引言

盾構(gòu)法因其具有掘進(jìn)速度快、效率高、對(duì)圍巖擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于地鐵盾構(gòu)施工中。由于盾構(gòu)過程中具有太多的偶然性和突發(fā)性,傳統(tǒng)監(jiān)測手段單一且易干擾,預(yù)警預(yù)報(bào)通道不暢,很多工程事故來不及預(yù)警就發(fā)生了［1］。因此,全面推廣動(dòng)態(tài)、連續(xù)、在線、少干擾、難失效的自動(dòng)化監(jiān)測勢在必行。

目前,關(guān)于地鐵盾構(gòu)施工中自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù),國內(nèi)外學(xué)者基于工程實(shí)例開展了大量研究［2-5］。徐玉健等［6］以天津地鐵下穿既有地鐵為例,融合兩種監(jiān)測手段,對(duì)既有地鐵隧道進(jìn)行變形監(jiān)測,對(duì)比分析兩套監(jiān)測系統(tǒng)的觀測精度和穩(wěn)定性。徐燕等［7］利用數(shù)據(jù)自動(dòng)采集技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)無線通信技術(shù)及數(shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)軟弱破碎圍巖隧道支護(hù)體系受力的自動(dòng)化監(jiān)測。毛亞軍等［8］依托長沙地鐵5號(hào)線某區(qū)間隧道盾構(gòu)工程,介紹了現(xiàn)場采用的變形云監(jiān)測技術(shù)及變形控制措施,并通過分析建筑物沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)評(píng)估了工程的變形控制效果。趙偉等［9］結(jié)合深圳地鐵9號(hào)線大劇院站—鹿丹村區(qū)間盾構(gòu)下穿建筑物,對(duì)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,總結(jié)了針對(duì)盾構(gòu)下穿建筑群時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)實(shí)施要點(diǎn)。謝雄耀等［10］基于濟(jì)南軌道交通R3線某區(qū)間隧道下穿老舊建筑物群,開發(fā)了自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警平臺(tái),保證了盾構(gòu)下穿期間建筑物的安全。

本文針對(duì)深圳地鐵10號(hào)線隧道下穿建筑物的工程案例,分析了盾構(gòu)下穿的風(fēng)險(xiǎn),總結(jié)了施工過程中的變形自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù),對(duì)施工過程中的建筑物變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 盾構(gòu)隧道與建筑物位置關(guān)系

深圳市城市軌道交通10號(hào)線工程1011標(biāo)段福田口岸站—福民站區(qū)間隧道下穿某小區(qū)2棟建筑物。其中,33棟下穿隧道里程為ZDK2+242.198—ZDK2+228.689,34棟下穿隧道里程為ZDK2+204.673—ZDK2+182.158。盾構(gòu)區(qū)間下穿該小區(qū)段線路中心線距離為9.06～10.17m,隧道埋深為20～21.8m,其中33棟與區(qū)間結(jié)構(gòu)凈距1.34m,34棟與區(qū)間結(jié)構(gòu)凈距2.367m。隧道與建筑物剖面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 隧道與建筑物剖面位置Fig.1 Sectional position relationship between tunnel and building

盾構(gòu)下穿建筑物為8層的混凝土框架結(jié)構(gòu),建筑高度約25m,長條形分布。兩棟建筑物基礎(chǔ)均采用D480錘擊沉管灌注樁,樁長16m,鋼筋籠長8m,樁底絕對(duì)標(biāo)高-14.000m,無地下室及錨索類圍護(hù)結(jié)構(gòu)。在盾構(gòu)下穿期間,需對(duì)該建筑物進(jìn)行全面、系統(tǒng)、實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測,防止地面及建筑物等出現(xiàn)變形破壞。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察資料,區(qū)間隧道范圍的地層變化較大,從上至下主要為填土、淤泥質(zhì)黏性土和含淤泥質(zhì)砂、粉質(zhì)黏土、砂土、圓礫土、卵石土、砂質(zhì)黏性土及花崗巖。洞身范圍內(nèi)地層主要有粗砂、卵石土、全風(fēng)化花崗巖、砂土狀/塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖,局部為淤泥質(zhì)黏性土、中砂、礫砂、圓礫土。

軟土層在圍護(hù)樁或地下連續(xù)墻成孔成槽過程中容易縮孔和坍塌,施工過程中地下水位下降過多會(huì)造成地面沉降?；◢弾r殘積層遇水浸泡時(shí)易軟化變形,強(qiáng)度、承載力驟減,造成圍巖失穩(wěn)。

1.3 盾構(gòu)下穿風(fēng)險(xiǎn)分析

盾構(gòu)下穿建(構(gòu))筑物時(shí),建筑物地基土體原有的穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞,會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降、傾斜、開裂或倒塌等風(fēng)險(xiǎn)。綜合分析,為保證盾構(gòu)過程中周邊環(huán)境的穩(wěn)定性,需對(duì)地鐵下穿盾構(gòu)隧道施工現(xiàn)場周邊建筑物沉降、傾斜進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測。

2 自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警

2.1 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

2.1.1系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)主要分為硬件設(shè)施、軟件支撐、平臺(tái)層、應(yīng)用層和呈現(xiàn)層5個(gè)部分,系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 System architecture

1)硬件設(shè)施 作為整個(gè)系統(tǒng)最底層基礎(chǔ)資源,提供網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、運(yùn)行環(huán)境等保障。

2)軟件支撐 系統(tǒng)建設(shè)的軟件框架支撐,平臺(tái)應(yīng)用基于這部分軟件構(gòu)建上層高級(jí)應(yīng)用服務(wù)。

3)平臺(tái)層 可利用Eureka,Zookeeper等服務(wù)治理框架,快速構(gòu)建微服務(wù)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能力的彈性擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)能力的輸出。

4)應(yīng)用層 基于底層服務(wù)能力,實(shí)現(xiàn)各領(lǐng)域業(yè)務(wù),深度思考設(shè)計(jì)的業(yè)務(wù)應(yīng)用,也是底座支撐能力的體現(xiàn)。

5)呈現(xiàn)層 整個(gè)系統(tǒng)能力輸出的體現(xiàn),主要包括外部能力輸出與內(nèi)部應(yīng)用。外部系統(tǒng)則為外部與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的系統(tǒng);內(nèi)部應(yīng)用則是系統(tǒng)內(nèi)部的終端體現(xiàn),保證業(yè)務(wù)功能的完整性、操作使用的友好性、功能多元性等。

2.1.2服務(wù)框架

系統(tǒng)開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)、3S、大數(shù)據(jù)與云計(jì)算及人工智能等前沿技術(shù),設(shè)計(jì)中采用SOA架構(gòu),具體實(shí)現(xiàn)采用了Spring MVC框架。

SOA架構(gòu)是一種粗線條、松耦合服務(wù)架構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)各功能模塊及相關(guān)服務(wù)的管理,將平臺(tái)服務(wù)之間調(diào)用的復(fù)雜關(guān)系理順,最終提供一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),如圖3所示。SOA架構(gòu)的使用使得平臺(tái)的各模塊和各項(xiàng)服務(wù)更加獨(dú)立,耦合度更松,更利于平臺(tái)的開發(fā)和維護(hù)。

圖3 SOA數(shù)據(jù)總線Fig.3 SOA data bus

MVC設(shè)計(jì)模式是把1個(gè)應(yīng)用分為3個(gè)層：模型層(model)、視圖層(view)及控制層(controller)。模型層表示數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)邏輯,視圖層提供顯示和用戶輸入,控制層負(fù)責(zé)派遣用戶請(qǐng)求和控制流程。

MVC模式的使用提高了平臺(tái)的靈活性和復(fù)用性,實(shí)現(xiàn)了模型和視圖的分離。MVC設(shè)計(jì)模式可以提高開發(fā)效率,增強(qiáng)程序的可維護(hù)性和拓展性,模型與視圖分離降低了功能模塊之間的耦合度。在MVC的框架上采用Spring MVC,如圖4所示。

圖4 Spring MVC架構(gòu)Fig.4 Spring MVC architecture

2.1.3監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、傳輸及應(yīng)用

監(jiān)測數(shù)據(jù)由部署在監(jiān)測現(xiàn)場的傳感器采集獲得,經(jīng)過MCU模塊進(jìn)行基本的轉(zhuǎn)換處理與數(shù)據(jù)封裝后,由傳輸模塊通過TCP/IP,HTTP(HTTPS)等協(xié)議發(fā)送到指定服務(wù)端平臺(tái),服務(wù)端通過前端接收程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行解析和預(yù)處理后,存入數(shù)據(jù)庫保存。

在系統(tǒng)運(yùn)行中,業(yè)務(wù)邏輯層根據(jù)web端的應(yīng)用服務(wù)請(qǐng)求,將數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、處理后返回給web端,從而實(shí)現(xiàn)基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化及數(shù)據(jù)分析(見圖5)。

圖5 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、傳輸及應(yīng)用Fig.5 Monitoring data acquisition,transmission and application

2.2 監(jiān)測點(diǎn)及傳感器布設(shè)

本項(xiàng)目在既有施工監(jiān)測及第三方監(jiān)測的基礎(chǔ)上,根據(jù)監(jiān)測對(duì)象與隧道的關(guān)系、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、場地巖土體情況及基礎(chǔ)形式,選取33棟、34棟建筑物作為重點(diǎn)監(jiān)測對(duì)象開展自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測。

根據(jù)選取的監(jiān)測對(duì)象及監(jiān)測內(nèi)容,選取風(fēng)險(xiǎn)較高處或具有代表性意義的監(jiān)測點(diǎn),結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備安裝條件,合理布設(shè)監(jiān)測設(shè)備。

1)沉降 布設(shè)于建筑物墻角、中間部位或其他有代表性的部位。

2)傾斜 布設(shè)于反映建筑物變形特征的關(guān)鍵部位和受施工影響的敏感部位。

項(xiàng)目共布設(shè)10套建筑物沉降監(jiān)測點(diǎn),2套傾斜監(jiān)測點(diǎn),1套地面沉降監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測點(diǎn)平面布置如圖6所示。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)平面布置Fig.6 Layout plan of monitoring points

2.3 監(jiān)測頻率及監(jiān)測預(yù)警

2.3.1監(jiān)測頻率

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,監(jiān)測頻率如下：現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集頻率為30min/次。在特殊情況(如暴雨、臺(tái)風(fēng)天氣等)或盾構(gòu)下穿建筑物時(shí),監(jiān)測頻率可隨時(shí)調(diào)整,最快監(jiān)測頻率為10min/次。

2.3.2監(jiān)測預(yù)警值

根據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》,結(jié)合工程安全等級(jí)、施工設(shè)計(jì)、監(jiān)測及勘察相關(guān)資料,根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)際情況,采取三級(jí)預(yù)警機(jī)制,監(jiān)測預(yù)警及報(bào)警值如表1所示。

表1 監(jiān)測預(yù)警和報(bào)警值Table 1 Monitoring of early warning and alarm values

2.3.3預(yù)警方式

1)設(shè)備閾值預(yù)警 當(dāng)監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)設(shè)的預(yù)警和報(bào)警值時(shí),觸發(fā)系統(tǒng)發(fā)送預(yù)警信息。

2)AI模型預(yù)警 利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,實(shí)現(xiàn)有監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí);實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過調(diào)用該訓(xùn)練模型,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分類判斷,得出預(yù)警等級(jí)。

2.3.4預(yù)警響應(yīng)

1)三級(jí)黃色預(yù)警 當(dāng)測值達(dá)到三級(jí)預(yù)警值時(shí),監(jiān)測單位分析預(yù)警原因,關(guān)注數(shù)據(jù)變化趨勢,并通知施工單位加強(qiáng)巡查。

2)二級(jí)預(yù)警 當(dāng)測值均達(dá)到二級(jí)預(yù)警值時(shí),應(yīng)進(jìn)行二級(jí)預(yù)警,即向施工、監(jiān)理等相關(guān)單位報(bào)告,并分析其原因,建議采取措施。

3)一級(jí)預(yù)警 當(dāng)測值達(dá)到一級(jí)預(yù)警值時(shí),且變化速率加快,應(yīng)進(jìn)行一級(jí)報(bào)警,即向業(yè)主、施工、監(jiān)理等相關(guān)部門報(bào)告,提請(qǐng)相關(guān)單位做好應(yīng)急措施,并組織專家及各單位現(xiàn)場核實(shí)和研判預(yù)警產(chǎn)生原因,制定預(yù)警處置方案。

3 建筑物變形分析

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

1)傾角監(jiān)測數(shù)據(jù)

由33棟傾角QX01監(jiān)測數(shù)據(jù)(見圖7)、傾角QX02監(jiān)測數(shù)據(jù)(見圖8)可知,7月13日盾構(gòu)隧道左線開始下穿33棟后,x,y兩個(gè)方向上傾角累計(jì)變化均呈緩慢增加趨勢,傾角累計(jì)變化變化范圍為-0.05°～0.05°,均在允許變化范圍內(nèi)。

圖7 傾角QX01監(jiān)測曲線Fig.7 Monitoring curve of angle QX01

圖8 傾角QX02監(jiān)測曲線Fig.8 Monitoring curve of angle QX02

由34棟傾角QX03監(jiān)測數(shù)據(jù)(見圖9)、傾角QX04監(jiān)測數(shù)據(jù)(見圖10)可知,7月17日盾構(gòu)隧道左線開始下穿34棟后,7月18日x,y兩個(gè)方向上傾角累計(jì)變化均呈緩慢增加趨勢,傾角累計(jì)變化變化范圍為0.05°～0.06°,均在允許變化范圍內(nèi)。

圖9 傾角QX03監(jiān)測曲線Fig.9 Monitoring curve of angle QX03

圖10 傾角QX04監(jiān)測曲線Fig.10 Monitoring curve of angle QX04

2)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

從33棟沉降累計(jì)變化監(jiān)測曲線(見圖11)總體來看,33棟建筑物沉降大體上處于穩(wěn)定變化狀態(tài),累計(jì)沉降總體變化不大,累計(jì)變化最大值為0.24mm,均在允許變化范圍內(nèi)。

圖11 33棟沉降監(jiān)測曲線Fig.11 Settlement monitoring curve of No.33 building

7月17日盾構(gòu)隧道左線開始下穿34棟,盾構(gòu)下穿期間CJ06與CJ10測點(diǎn)沉降累計(jì)變化緩慢增加與7月20日CJ06、7月21日CJ10測點(diǎn)沉降累計(jì)變化超過報(bào)警值(30mm),觸發(fā)預(yù)警平臺(tái)一級(jí)報(bào)警,沉降累計(jì)變化監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示,監(jiān)測曲線如圖12所示。同時(shí),建筑物馬賽克瓷磚外墻存在脫落現(xiàn)象。

表2 沉降累計(jì)變化Table 2 Cumulative changes of settlement

圖12 34棟沉降監(jiān)測曲線Fig.12 Settlement monitoring curve of No.34 building

3.2 變形控制措施

觸發(fā)警情后,預(yù)警平臺(tái)通過短信、網(wǎng)絡(luò)等方式自動(dòng)給相關(guān)單位發(fā)送報(bào)警信息,收到報(bào)警短信后,立即通知業(yè)主及施工單位。施工單位立即開展監(jiān)測,監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,人工建筑物沉降監(jiān)測JGC34-4,JGC34-5,JGC34-6,JGC34-13,JGC34-14,JGC34-15測點(diǎn)累計(jì)沉降值分別為-17.4,-21.1,-15.6,-16.5,-24.9,-27mm。自動(dòng)化監(jiān)測的數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測吻合,真實(shí)反映了建筑物變形情況,實(shí)現(xiàn)了快速、及時(shí)、多通道的信息發(fā)布和預(yù)警處置。

同時(shí),施工單位組織專家現(xiàn)場研判,根據(jù)地層及出土渣樣查看,渣土含砂量大,且左線盾構(gòu)穿越該小區(qū)時(shí),由于地質(zhì)條件發(fā)生變化,花崗巖巖面在隧道范圍內(nèi)逐步升高,最終導(dǎo)致左線盾構(gòu)穿越建筑物沉降量超預(yù)警值和控制值。

專家研判后,施工單位采取加強(qiáng)渣土改良、加大同步注漿和及時(shí)二次注漿、采用后退式注漿機(jī)鉆孔注漿加固地層及啟動(dòng)注入盾殼膨潤土等措施。因處置及時(shí),34棟沉降量已經(jīng)穩(wěn)定,房屋無明顯裂縫,處于安全可控狀態(tài)。后期將繼續(xù)對(duì)相關(guān)建筑物監(jiān)測,根據(jù)監(jiān)測情況采取進(jìn)一步注漿措施控制沉降。

4 結(jié)語

1)利用SOA架構(gòu),建立自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)期間建筑物動(dòng)態(tài)、連續(xù)、在線的監(jiān)測及管理,有效保障了盾構(gòu)施工期間的安全性和建筑物的穩(wěn)定性,顯著提高了工程建設(shè)應(yīng)急處置能力。

2)盾構(gòu)隧道左線下穿時(shí),34棟累計(jì)沉降超過30mm(控制值)。自動(dòng)化監(jiān)測與第三方人工監(jiān)測相輔相成,現(xiàn)場通過加強(qiáng)渣土改良、加大同步注漿和及時(shí)二次注漿加固地層,有效控制了施工期間建筑物變形。

3)項(xiàng)目采用多層級(jí)預(yù)警預(yù)報(bào)自動(dòng)化監(jiān)測管理體系并成功預(yù)警,有效控制了盾構(gòu)下穿施工的風(fēng)險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)了快速、及時(shí)信息發(fā)布和預(yù)警處置。