健康监测在高速公路电力隧道施工中的应用

席三平，张 建

(1.中铁一局集团有限公司,广东 深圳 518109; 2.北京城建华晟交通建设有限公司,北京 100000)

0 引言

电力隧道是可以容纳较多数量电缆、有供安装和巡视的通道,是一种埋置于地层内的工程结构物。电力隧道施工的主要方法有明挖法、暗挖法、顶管法、盾构法等,根据DL/T 5484—2013电力电缆隧道设计规程[1]要求,在明挖隧道、顶管工作井、盾构工作井的开挖过程中涉及到基坑开挖时需要进行基坑支护、监测等工作,本文工程采用明挖与盾构法,根据设计要求对基坑进行监测。

自动化监测技术是20世纪60年代发展起来的一种全新的监测技术,它是随着计算机技术、网络通讯技术的发展而发展起来的。

自动化监测的三种形式:第一种是数据处理自动化,俗称“后自动化”;第二种是实现数据采集自动化,俗称“前自动化”;第三种是实现在线自动采集数据,离线资料分析,俗称“全自动化”。在土木工程领域中,自动化健康监测技术应用始于桥梁结构,并逐步向着基坑、隧道、建筑、地灾等领域推广,目前已涵盖结构寿命预测、损伤识别鉴定与监测、损伤定位及趋势分析等众多领域[2]。

1 基坑监测

1.1 基坑监测背景及现状

随着国民经济的快速发展,高层建筑、轨道交通和城市地下空间等领域有了更广阔的发展空间,国内基坑工程的数量得到迅猛增加,施工技术不断成熟使得开挖深度不断加深,带来机遇的同时,也面临着挑战。基坑具有很强的区域性、综合性和工程差异性,导致基坑坍塌的形式多种多样,具体表现为支护结构失稳、渗流引起土体破坏以及基坑周围地面变形过大等[3-4]。基坑坍塌造成的危害包括两个方面:一方面是基坑支护结构本体破坏,威胁施工人员人身安全;另—方面,基坑工程事故可能导致基坑周边建(构)筑物及地下市政管线的损坏,严重时还会造成火灾、爆炸、有毒有害物质泄漏,给人民生命财产造成严重威胁[5]。

近年来,随着物联网技术、5G通讯的普及与飞速发展,自动化监测技术被广泛应用于土木工程基础建设,国内一些学者对基坑健康监测进行了深入研究。池玮波等[6]阐述了人工检测在基坑工程中所面临的四大问题,即空间限制、时间限制、对象限制以及数据限制,突出健康监测在恶劣气候和复杂环境下实施的优势。郭雷刚等[7]以基坑工程为例,介绍健康监测系统框架的搭建,证明系统对保障施工作业安全、做到及时预警的有效性和实用性。由此可见,对于基坑工程建立一套行之有效的健康监测系统很有必要。

1.2 基坑监测主要内容

根据GB 50497—2019建筑基坑工程监测技术标准[8],基坑项目监测主要包括周边环境监测、基坑围护监测以及基坑巡视检查。具体内容如表1所示。

表1 基坑监测内容

2 工程概况

某电力隧道工程施工项目,位于深圳市龙华区、龙岗区,线路起始于观天路北侧的济海变电站,工程全长为6 800.209 m(包括竖井结构),采用明挖法和盾构法相结合的施工方法,隧道掘进范围内的工程地质及水文情况见表2。

表2 土层描述

电力隧道因J7竖井地理位置特殊,竖井场地现状为菜地,场地未平整,周边树木较多,基坑东侧有高压燃气管线;南侧有沈海高速公路边坡;西侧有通讯电塔、居民小区。竖井属于深基坑,开挖尺寸为62 m×11 m×27 m,地质复杂内有孤石,破除孤石产生的应力对围护桩扰动较大,人工监测不能满足施工要求,需及时有效地反馈监测数据;基坑东侧有φ820高压燃气,埋深2.5 m,管底距离隧道顶21.82 m,盾构下穿高压燃气危险系数高,需能够及时准确地反映监测数据,指导掘进;基坑南侧有沈海高速公路边坡,坡高10.2 m坡度比2∶1,距离基坑围护桩仅5 m,高速公路上车流量大动态荷载不定。边坡上树木密集能见度低,人工监测难度大,人力物力浪费;人工监测对人员的技术要求非常严格及人工成本费日益增高,增加运营成本。

3 监测系统的框架搭建

监测系统由硬件系统、软件系统和运用层三部分组成,三者密不可分,通过各个层相互协调,实现系统的各种功能,其具体模块组成如图1所示。

3.1 硬件系统及测点布设

3.1.1 监测项目

基坑施工是一个动态过程,与之有关的稳定和环境影响也在动态变化中。因此,在施工过程中,必须对围护结构及周边环境进行三维空间全方位、全过程的监测。本基坑工程监测方案考虑的监测因素主要分为沉降、倾斜及支撑轴力三大部分,具体监测设备见表3。

表3 监测因素及监测设备

3.1.2 测点布设

1)燃气管道沉降测点:分别在基坑周边燃气管道中部、阳角处布设测点,每处1个,选取1个基点水箱设置在稳定点,采用封闭连通管测量,共计28个。

2)支撑轴力测点:测点布设选择在两支点间1/3部位或混凝土支撑的端头,每层支撑的轴力监测点位不少于3个,共计布设3层,共计55支。

3)倾斜测点:基坑围护顶倾斜监测点位布置在基坑周边围护顶上,沿着四周中部布设;周边建构筑物倾斜根据项目具体情况布设,共计40个。

3.1.3 工艺原理

1)静力水准仪:设备检测→安装桥架→抄平放线、记录点位→安装静力水准仪支架→安装保护罩→安装储液罐支架→铺设水路→气路铺设→设备调试→联网测试→投入使用。

2)盒式测斜仪:设备检测→安装盒式测斜仪→设备检测→线缆固定→联网测试→投入使用。

3)振弦式钢筋计:设备检测→安装振弦式钢筋计→设备检测→线缆固定→联网测试→投入使用。

基坑结构如图2所示。

通过硬件传感器采集到的信号,需经数据采集和无线传输模块上传后,方可在监测平台上对数据进行可视化展示和处理分析,把握基坑整体的受力状态以及对基坑未来破坏趋势做出判断。

3.2 软件系统搭建

本基坑工程采用“知物云”在线健康监测系统,包含工程项目管理、数据呈现与处理、阈值确定与分级预警等。

3.2.1 工程项目管理

工程项目管理模块是为了保证同一单位应对不同的工程项目时,业主可以了解所需要监测的项目的安全状况,做到无缝切换要求,而将所有工程项目汇总在统一平台下进行管理。此外,对即将开展的项目工程和已完成的监测项目,在管理中可以做到实时增添与删除,实现高效管控。

3.2.2 数据呈现与处理

对硬件采集和传输过来的大量原始数据资料,通过“知物云”平台对数据进行深一步的处理和分析,实现对数据查询、存储、可视化等结构化处理。通过数据库操作实现数据的提取和处理,是对原始数据进行处理和分析的关键。

数据呈现与处理主要包括对数据进行过滤、二次处理等,并用原始数据或曲线等进行展示,然后多终端进行原始数据或者以曲线的形式等进行展示,打印相关表、数据等,部分展示图如图3—图6所示。

围护墙顶部水平位移在施工过程中,监测数据结果在±2 mm左右上下波动,整体变化呈现稳定发展趋势,满足设计施工要求;深基坑支撑轴力随着支撑架设的不断完善,最终的曲线结果趋于稳定。

知物云监测平台搭载人工数据上传功能,可以对检测数据进行处理分析,如图7所示。

通过曲线变化不难看出,在基坑施工过程中,通过采用围护结构和内支撑的支护形式,曲线整体呈现出“组合式”位移曲线发展变化,形成两头小中间大的“弓形”曲线,满足围护结构深层水平位移理论[9]。

3.2.3 阈值设定与预警

预警值的确定设置是一个非常严谨、严肃的过程,综合考虑设计院提供的控制值、理论计算、施工监控得到的信息、实际测试数据等多方因素。分级预警设定可以实时掌控工程的风险程度,以及排查数据中断和设备故障问题,系统搭载短信和邮件告警两种方式,从而保障工程的施工安全。

4 结语

电力隧道基坑工程采用自动化监测技术,实现了对基坑“远程”“实时在线”“非接触”的监测,是将传统的检测手段迈向与人工智能、物联网、大数据相结合的一次有利实践。自动化监测技术不仅解决了施工过程中遇到的通勤限制和施工作业环境影响问题,验证了健康监测的可行性以及监测数据的准确性,而且监测框架的搭建也使得施工更加有序高效,无需耗费大量人力物力资源且避免了人工检测后期对海量数据进行汇总分析。但由于基坑自动化监测还处于发展阶段,在应对监测精度问题上仍有较大挑战,仍需人工检测的扶持,“知物云”监测平台的引入,实现了对人工数据上传,将二者有机的结合在一起,取长补短,共同保障施工作业安全。相信在相关监测规范的出台以及一次次的实际工程检验下,自动化监测将向着更加规范与高效的方向不断发展。