立体监测系统在地铁基础托换中的应用研究

郑 磊 韩 勇

(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)

·测量·

立体监测系统在地铁基础托换中的应用研究

郑 磊 韩 勇

(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)

结合天津地铁Z1线-3层既有柱托换项目，对8个既有柱托换过程中的监测系统进行了设计，提出并实施了具有自校验功能的托换梁施工全自动立体监测系统，取得了较为理想的成果。

自校验，自动监测系统，城市地铁，基础托换

0 引言

城市地铁施工中，地铁隧道下穿地面建筑物，若地面建筑物规模较大，或建筑物基础承受荷载较大，且地面有便利施工条件，一般采用地面基础加固或桩基托换[1-3]。我国的基础托换技术虽然起步晚，但是随着大规模建设事业的发展，基础托换技术正处于方兴未艾和蓬勃发展的时期[4,5]。

由于传统的监测方法存在着数据分散、效率低和滞后性等问题[6,7]，给实际工程施工埋下了许多安全隐患，因此急需研发一种在基础托换施工中可自动监测的系统。本文拟结合天津文化中心交通枢纽工程地铁Z1线-3层既有柱托换项目，对8个既有柱托换过程中的自动采集及监测系统进行了设计及实施，取得了较为理想的成果，确保了此项工程安全顺利的进行，值得在以后类似工程中推广应用。

1 工程概况

本文依托工程为天津文化中心交通枢纽工程，该工程中的地铁Z1线为地下3层结构，开挖深度约26 m，采用盖挖法施工；M10为地下2层结构，开挖深度约15 m，从平面位置上看，地铁Z1线与M10号线在-2层具有换乘节点。由于地铁Z1线与M10线换乘节点位置处的既有钢管柱影响后续盾构区间的施工，因此需要对其托换切除。为保障施工安全、测试设计和施工效果，施工过程中需采用自动监测手段进行全程不间断应力应变监控。

2 立体监测系统

由于传统的监测方法存在着数据分散、效率低和滞后性等问题，给实际工程施工埋下了安全隐患，本项研究提出了新型自动监测系统，实现了对整个施工监测过程的全自动采集、分析及预警，保证了监测的实时性、连续性和有效性。该监测系统的具体组成如图1，图2所示。

在实施时应根据具体工程的实际情况，采用大型通用有限元软件对整个施工过程进行全过程模拟分析，并根据一些既有工程的经验，得到结构应力较大的部位及各施工阶段的理论参考值和警戒值。

基础托换施工中需要对结构的多项数据进行监测，将所有测点监测设备的信号线接入到系统的自动化数据采集模块，可通过计算机对该系统进行数据扫描时间间隔的设置，该系统将根据设置对所有接入的监测数据进行自动采集并存储。

自动采集模块将采集到的监测数据转入到数据分析模块，系统自动与有限元软件分析模块中得到的对应施工阶段中各测点的理论值及警戒值进行对比，进而对各测点监测值是否超限进行判断；若实测值小于警戒值，则可继续进行下一步施工；若实测值超过了警戒值，则系统自动转入警报模块。

在因某测点实测值超过警戒值而停止施工后，为了保证建筑物和施工过程的安全性，则需要根据当前施工阶段的实测值对原方案进行调整，并对新的方案重新进行有限元软件建模分析，将分析结果输入到有限元软件分析模块，从而监测系统开始进行新一轮的自动监测工作。

3 实际工程监测方案

3.1 监测内容

根据设计单位提供的《施工图设计Z1号线文化中心站托换梁施工监测及检测要求》，本次监测的主要内容如下：

1)托换梁及相关结构应力监测；

2)托换梁挠度监测；

3)被托换柱及邻近柱的沉降监测；

4)托换梁上部结构变形监测；

5)梁、柱接头的滑移监测；

6)托换梁梁端的扭转变形监测；

7)托换梁及相关板结构裂缝监测。

3.2 监测方法与设备

1)托换梁及相关结构应力监测。

a.监测仪器。

托换梁应力监测仪器采用φ32钢弦式钢筋应力计(如图3所示)，Z1线-3层侧墙和M10线底板则采用φ28钢弦式钢筋应力计。

b.采集仪器。

数据采集采用Geologger DT80G型数据采集器，在埋设电测传感器就近处要设数据采集器，数据采集器外用金属箱加以保护。

2)托换梁挠度监测。

a.监测仪器。

采用电水平尺(EL Beam)，电水平尺是美国生产的精密测倾(角)仪器。根据现场的实际情况，监测点的布置图大致如图4所示。

b.采集及处理系统。

电水平尺的采集采用CR1000数据采集器。CR1000可以通过外围设备扩展从而形成一个数据采集系统，很多CR1000系统可以构建一个网络。

3)被托换柱及邻近柱的沉降监测。

对于被托换柱及邻近柱的沉降监测与托换梁上部结构的沉降监测，采用美国Trimple公司DiNi03型电子水准仪。

4)梁、柱接头的滑移监测。

采用钢弦式位错计进行测试，将位错计安装于柱与托换梁可能发生的最大滑动位移处。一端固定在柱体接头处，另一端固定在托换梁板上，导线引出做好保护。

5)托换梁梁端的扭转变形监测。

监测点布置在托换梁的梁端，用钢弦式位错计将梁端与侧方地下连续墙墙壁进行固定，测试方法与4)“梁、柱接头的滑移监测”相同。

6)托换梁跨中钢筋应变监测。

监测点位于托换梁跨中断面处，监测钢筋与振弦式钢筋应力计所测钢筋相邻如图5所示。

点焊式应变计含有一根安装于金属管内的绷紧的钢弦，该金属管固定于一个金属端点，金属端点焊接到量测的结构物体上。

4 监测结果分析

由于此工程监测测点过多，受篇幅的限制，此处仅列出部分测点的部分监测数据，来说明此监测系统在实际工程中的高效性和准确性。

4.1 托换梁挠度监测数据分析

利用电水平尺监测托换梁1-4的挠度变化情况可知，在整个监测期内，托换梁1-4的挠度监测值总体趋于稳定；监测期内，挠度监测数据在[-8 mm,8 mm]区间内波动，沉降量最大值为0.80 mm，最小值为-1.39 mm，符合控制值为8 mm的监测控制标准，监测期内工程稳定安全。

将立柱切割前后挠度值进行对比，并根据同一天不同测点的挠度值绘出挠度趋势线如图6所示。

根据挠度对比图，托换梁在托换后有明显的下挠趋势，并且下挠后的挠度值在控制值范围内，说明切割立柱后托换梁承担了原本立柱所承担的竖向力，达到托换的目的。

4.2 托换梁应力监测数据分析

利用φ32钢弦式钢筋应力计监测托换梁1-4的应力变化情况，根据THL1-4应力监测数据可知，监测期内，托换梁1-4受施工流程中诸多因素影响，应力值会出现小幅度波动，但应力总体趋于平稳；监测期内，各个应力计的监测数据在[-100 με,100 με]区间内稳定波动，梁呈现上部受压，下部受拉的应力状态，拉应力最大值为40 με，压应力最大值为-22 με，符合控制值为100 με的监测控制标准，监测期内工程稳定安全。

5 结语

本文结合天津文化中心交通枢纽工程地铁Z1线-3层既有柱托换项目，对8个既有柱托换过程中的自动监测系统进行了设计及实施，取得了较为理想的成果，确保了此项工程安全顺利的进行，本文主要结论如下所述：

1)研发了“基础托换施工全过程自动采集及监测系统”，实现了对整个施工监测过程的全自动采集、分析及预警，保证了监测的实时性、连续性和有效性。

2)提出并实施了“具有自校验功能的托换梁施工立体监测体系”。基于对托换梁工程的数值分析结果，确定了重点监测项目，在整个监测过程中实现了在梁—板交界面、梁—柱交界点变形的相互校验以及梁中间截面处应力应变的相互校验。

3)该自动监测系统成功的应用到了天津文化中心交通枢纽工程地铁Z1线-3层既有柱托换项目中，监测结果显示此监测系统是一种高精度的、高效率的、先进的监测系统，值得在类似工程中得到进一步的推广应用。

[1] 谷伟平，李国雄.广州市地铁一号线基础托换工程的理论分析与设计[J].岩土工程学报，2000(1)：53-54.

[2] 杨再道.大轴力桩基托换施工安全监测的研究[D].北京：铁道部科学研究院，2003.

[3] 柯在田，高 岩，张澍曾.深圳地铁大轴力桩基托换模型试验研究[J].中国铁道科学，2003(5)：26-27.

[4] 张 原，黄小许，李国雄，等.广州地铁一号线楼房桩基托换工程施工[J].施工技术，1998(9)：71-72.

[5] 黄 欣.北京地铁10号线黄庄站—科南路站桩基托换施工技术[J].铁道标准设计，2009(9)：105-107.

[6] 丁赛华，叶建忠.基础托换技术在地铁建设中的应用[J].城市轨道交通研究,2010(7)：19-22.

[7] 王明波.地铁车站桩基托换施工及监控量测技术[J].河北交通科技,2006(3)：34-35.

Automatic 3D monitoring system of foundation underpinning used in metro

ZHENG Lei HAN Yong

(TianjinMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute，Tianjin300051，China)

Combining with the 3 layers existing column underpinning project of Tianjin Metro Line Z1, this paper made design to the monitoring system in 8 existing column underpinning process, proposed and implemented underpinning column construction automatic three dimensional monitoring system with self checking function, achieved ideal results.

self check, automatic monitoring system, urban subway, foundation underpinning

1009-6825(2014)35-0218-03

2014-09-28

郑 磊(1983- )，男，工程师； 韩 勇(1962- )，男，高级工程师

TU398

A