软土地层地铁深基坑施工智能化监测技术研究

2022-10-25王媛

北方交通 2022年10期

王媛

(天津渤海职业技术学院天津市 300400)

0 引言

随着城市规模迅速发展，城市交通运输压力不断增加，轨道交通可大大缓解地面交通压力[1]，但地铁车站软土地层深基坑的建设过程中存在诸多风险。例如在深基坑开挖及主体结构施工过程中，止水帷幕及周围土体会由于基坑内外应力的重分布而导致变形，若变形过大将会对主体结构和基坑的稳定性产生较大影响，进而危及周围建(构)筑物、地下管线的安全，而在软土地层中，深基坑土方开挖对周边环境影响更为严重。针对该情况，通常的做法是通过监测设备对整个施工过程进行监测，及时反馈周围环境的实际状态，及时预警，控制风险，从而确保结构安全、经济、可靠和施工的顺利进行[2]。

目前国内的地铁基坑施工监测大部分仍旧采取人工监测的方式[3-5]，其采集、整理、分析数据所花费的时间是“漫长”的，且数据整理的准确性需要多重复核才能得到有效保证，不仅耗费人力而且容易出错，从而造成不必要的经济、社会不良影响。近年来，部分学者致力于发展地基沉降预测公式系统的准确性与先瞻性[6]，部分学者基于现场实时监测技术进行方式、技术、效率等方面的改进。葛纪坤等[7]进行了将地面三维激光扫描技术应用于基坑监测的尝试。周二众等[8]建立了深基坑智能预警系统并应用于实际工程，取得了较好的监测效果。庞红军等[9]在无支撑结构且通视良好的深基坑内采用自动化监测方式替代人工监测，提高了监测效率。谭伟[10]采用AutoMos自动化监测系统对地铁车站基坑围护结构位移及重点建筑物沉降进行了有效监测。智能化监测系统的使用，可以加强施工安全管理，实时知晓各环节的监测情况，并及时反馈监测结论，消除初期隐患，保证工程安全进行。现有研究多注重于沉降公式预测、自动化监测系统构建、新式监测技术方面，对施工过程智能监测系统的实现阐述较为粗略，故对施工过程中智能监测系统的搭建与使用进行了系统性研究，力求对实际施工过程中智能监测预警的使用起到一定参考意义。

基于天津地铁6号线某软土地层深基坑施工项目，进行智能化监测方案设计并现场实施，监测数据结果表明，智能化监测实际效果良好，预警响应迅速，工程安全性有所提高，对相似工程监控预警有一定借鉴意义。

1 深基坑智能监测的必要性

软土地层地铁深基坑由于其开挖深度大，支护难度高，周围环境复杂，常常伴随着诸多风险。基坑事故类型通常可分为支护结构破坏、土体结构破坏及因基坑开挖引起的周围环境破坏。据基坑事故原因统计，勘察失误引起的基坑事故约占7%～8%，设计考虑不周引起的事故约占40%，施工引起的事故约占40%，业主或监理管理不善、监测不到位、对水的认识不足等综合因素约占12%～13%[11]。因监测直接影响造成的事故占比不大，但一般基坑事故均带有连锁性，及时监控预警将会是设计施工疏忽后最后的安全保障。以北京某地铁基坑事故为例[12]，明挖法施工的车站基坑主要采用桩锚支撑或桩支撑支护体系，基坑东北角钢支撑斜撑连同钢腰梁突然坠落砸下，造成下方支撑坠落，造成人员伤亡。后续调查发现事故发生前两日监测沉降数据激增、斜撑轴力急剧减小、基坑水平位移速率较大，此三种预警指标均已提示风险信息。但因现场人员未及时发现监测数据异常并进行预警紧急处理而最终导致了此次事故的发生。

同人工监测相比，智能监测具有计算迅速、监测连续、监测时间间距可控、预警反馈及时等优点。智能监测一体化系统的使用，将大大降低监测人员重复工作频率，从某种程度上降低因人员疏忽而导致的预警不及时或预警误判。对于稳定性差的软土地基而言，深基坑一体化智能监测系统的设计与使用是十分有必要的。

2 深基坑智能化监测项目及目的

2.1 深基坑智能监测项目

该站点为375.5m喇叭口异型车站，深基坑风险比一般车站风险大，站主体采用明挖顺做法施工，围护结构采用800mm厚钢筋混凝土连续墙+内支撑的形式。车站主体长375.5m，基坑形状呈喇叭口，车站标准段总宽度为21.1m，基坑深为17.03m；小里程盾构井段宽25.7m，基坑深18.66m；大里程盾构井段宽48.77m，基坑深19.66m。

地质情况从上往下依次为回填土、粉质黏土、粉细砂、黏土、粉细砂；开挖面以下为圆砾层。回填土层厚1.0～2.8m，粉质黏土层厚0～2.6m，粉细砂层厚3.0～9.3m，黏土层厚1.8～6.5m，粉细砂层厚1.7～3.5m。基坑以黏土、粉细砂土质为主，基坑底板位于黏土及粉细砂层，基底以下为粉细砂及圆砾层。

2.2 深基坑智能监测目的

在基坑施工过程中，为了全面了解地层、地下水、围护结构和支撑体系的变形状态，以及由于施工对周边既有建筑物和管线产生的影响，需进行精确的监控量测，从而达到以下目的：

(1)通过实际监测数据与预测数据的比较，综合判断施工工法与施工步序是否满足变形控制需求，为信息化施工提供数据支持。

(2)通过监测围护体系的变形和受力情况，了解其变化规律，使整个基坑在开挖期间始终处于安全运营状态。

(3)通过监测基坑内外水位变化，控制基坑工程施工降水对周围地下水位下降的影响范围和程度。

(4)通过跟踪监测，确保基坑始终处于安全、平稳状态。

为提高实时监控效率与预警精确性，设计采用水位计、振弦式轴力计、振弦式钢筋计三种监测仪器与智能监控终端相结合，从而实现智能监测的目的。主要使用仪器及其监控项目如表1所示。所设计智能监测各组成模块如图1所示。

表1 监测项目及仪器

图1 智能监测模块示意图

3 深基坑监测设备及其工作原理

(1)振弦式轴力计

供试品种为云烟87。于龙陵县腊勐镇大垭口村开展试验，该地海拔1 950 m，沙壤土，肥力中等，地势平坦，排灌方便。栽培管理按《保山市烤烟综合标准》规范实施。

振弦式轴力计是一种振弦式载重传感器，具有分辨力高、抗干扰性能强等特点，轴力计对集中载荷反应灵敏、测值可靠，能长期测量基础对上部结构的反力以及对钢支撑轴力和静压试验时的载荷。当出现温度信号不稳定的情况时，可将任何一接线端头部分露出的屏蔽线与温度负端连接。传感器线缆及其对应功能如表2所示。

表2 传感器电缆对应功能

(2)振弦式钢筋计

振弦式钢筋计主要用于测量混凝土内部结构的钢筋应力，其主要由线圈、钢弦和受力钢体组成。当发生应力时，振弦式钢筋计的受力钢体产生应变并传递给钢弦，使钢弦受力发生变化，从而改变钢弦的固有频率，测量仪表输出脉冲信号通过线圈激振钢弦并检测出线圈所感应信号的频率，经换算得到被测结构物的负载力。

振弦式钢筋计智能信息采集的方式与振弦式轴力计相同，通过钢筋计内部输出信号电缆连接智能信息采集电缆，实现信息的采集分析。

(3)投入式水位计

投入式水位计用于监测测量基坑外部水位高度，利用所测液体静压与水位高度成比例的原理，采用隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器制作而成，将压力转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准信号，从而实现测量数据的输出。

(4)多通道智能采集终端

采用ZS-SIMP-300智能型多功能数据采集模块，其由高性能低功耗32位ARM内核微处理器为核心,将电源、测量、传输、存储等集成在一个模块里,可自动采集振弦、差阻、电流电压、数字量类传感器信号,具有故障诊断、定时测量、自动休眠、测量数据存储等功能。通过采集终端对数据进行采集汇总处理，辅以智能监控系统，可实现一体化智能监控及预警。