微波雷達在基坑變形監測中的運用

李 斌, 鄧樹密, 任 刃

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川成都 610072)

隨著我國地鐵交通的快速發展，大型基坑不斷涌現，這對基坑的安全施工和安全運營提出了更高要求，特別是對施工工程中的高精度監測要求更加突出。傳統變形監測技術雖有廣泛的運用，但在應用中也存在較大的局限性，例如：全站儀工作強度較高，效率低，GPS的測量精度低，且穩定性有待提高 。同時光學測量技術在光照較差或惡劣天氣條件下，光學系統的測試效率會受到重大影響[1-4]。本文結合成都軌道交通某線中的一座明挖車站基坑施工過程中自動變形監測工程實例，對基于微波雷達對基坑側壁水平變形監測進行了研究和探討。

1 工程實例

1.1 工程概況

成都軌道交通某線線路全長43.186km，均為地下線，共設地下車站12座，其中換乘站10座，預留站1座，最大站間距: 5.84km，最小站間距: 1.461km，平均站間距為3.578km，同時設停車場1座，主變電所2座，其中一座明挖車站采用地下二層15.6m島式站臺，車站總長429.9m，標準段總寬27. 4m，車站基坑深22.7m，車站結構頂板覆土5.08m。根據成都軌道交通對該條線網的總體籌劃，該車站大里程接盾構區間(始發)，小里程端為明挖區間，主體結構為地下二層島式框架結構，采用明挖法施工，采用放坡+土釘墻進行支護，采用地面截排水+坑底積水明排進行降水[5]。基坑現場開挖見圖1。

圖1 基坑現場開挖

1.2 地質情況

根據地勘報告，該站HLCZ-014鉆孔柱狀圖13～19軸區域依次揭示為：雜填土(3.0m)、粉質黏土(4.7m)、全風化泥巖(0.5m)、(2m)強風化泥巖(6.7m)、強風化砂巖(1.5m)和強風化泥巖(4.3m)。該區域整體地層巖性較差。已開挖基坑巖性基本為雜填土和粉質黏土，見圖2。

圖2 基坑開挖地質

2 微波雷達變形測試原理

基于線性調頻連續波技術和相位干涉原理的測量設備。首先發射器調制一組線性調頻連續波正交同相(I/Q)信號，然后主信號由發射天線向被測目標方向發射，剩余信號作為本振信號，經被測目標反射，反射信號被接收天線接收，并與本振信號混頻、濾波、采樣后得到包含距離信息和變形信息的差頻信號，通過對差頻信號進行快速傅里葉變換后可得差頻，依據差頻和被測目標距離的關系可得到目標距離，通過差頻定位到相位譜中的相位，多個掃頻的相位進行干涉計算可得被測目標的變形信息。通過兩次發射相位差來測量振動位移，如圖3所示。

圖3 測試原理

雷達工作波長λ；第一次目標測量相位φ1；第二次測量相位φ2；兩次測量間目標在雷達視線上的位移量d。假設雷達發射信號頻率、初始相位分別為f0、φ0，則發射信號VT、回波信號VR分別可以表示為：

VT(t)=Acos(2πf0t+φ0)

(1)

VR(t)=Acos(2πf0t+φ0-φ)

(2)

式中：A為發射信號的幅度;η為回波信號幅度的衰減系數;φ為回波信號與發射信號間的相位差。

相位差φ與發射信號頻率f0和回波信號時間延遲T相關：φ=2πf0T；而回波信號時間延遲T與目標離雷達的距離L的關系滿足下式：

T=2L/c

(3)

式中：c為微波信號的傳播速度。則相位差φ與距離L的關系又可以表示為：

φ=4πf0L/c

(4)

由于相位測量存在一個周期性的模糊問題，即總的相位φ為φ=N× 2π+φ，而在實際相位測量時，不能得到圖1中相位差φ的整周期部分N×2π，只能得到相位差φ的余數部分φ=φ-N×2π。然而，這并不影響目標位移的測量。將相位差φ=N× 2π+φ代入式(4) 可得：

N× 2π+φ=4πf0L/c

(5)

進而，距離L可以表示為：

L=φc/4πf0+Nc/2f

(6)

又有λ=c/f0，式(6) 進一步表示為：

L=λφ/4π+λN/2

(7)

當目標發生移動、且移動量小于微波周期半長度λ/2時，可以認為相位差φ的距離整周期部分保持不變，距離L的變化量僅體現在式(7) 的第一項中，對式(7) 差分，可以得到目標位移表達式

ΔL=λΔφ/4π

(8)

同時，將相位差φ=N×2π+φ代入式(2) ，回波信號也可以表示為：

VR(t)=Acos(2πf0t+φ0-φ)

(9)

因此，在進行實際測量時，通過測量回波信號與發射信號間相位差余數部分φ的變化量，即可得到目標的位移量。顯然，此類相位解調的方法都只適合測量相對位移量ΔL而非絕對距離L。

3 監測方案

監測要求應滿足GB50911-2013《城市軌道交通工程監測技術規范》、GB50497-2009《建筑基坑工程監測技術規范》和成都軌道交通集團公司等相關文件的規定，本工程監測方法及精度要求如表1所示。

表1 基坑變形監測

4 監測結果及原因分析

為了分析基坑支護結構樁頂的水平位移，對基坑的CX6～CX8安裝了3個雷達反射體進行監測。現場測試軟件顯示如圖4所示。通過對2d(48h)不間斷連續監測變形，測試圖見圖5。

圖5 現場測試

由圖6可知：CX8測點應變在一天48h內(2020年8月18～2020年8月19)，在運行條件下的最大撓度7.74mm，超過安全預警值，表明基坑在外部作用下結構位移處于發展狀態。

圖6 CX8水平位移隨時間變化曲線(2020年8月18～2020年8月19)

出現監測數據變化的主要原因有：

(1)根據土體測斜孔取芯情況，基坑開挖施工的巖土全風化巖呈土狀，強風化巖呈碎塊狀，軟硬不均，巖土呈弱～中等膨脹性，且水解黏性土作用沿裂隙面形成灰白色黏土“軟弱帶”，導致該區域地質整體情況較差、自穩性較差。

(2)監測期降雨較多，地表水滲入膨脹性土體，圍護結構土體側壓力增大。土方開挖后，土體應力釋放和二次重分布劇烈。加之，該區段基坑目前開挖深度在第二道錨索位置，開挖、噴錨及錨索工序時間較長，圍護樁缺乏有效約束而出現變形。

建議處理措施有：

(1)建議以樁體水平位移監測值和土體水平位移監測值指導施工，繼續開挖，若后期變形數據過大，再放坡卸載。

(2)對變形較大區段，在距圍護樁1.5m處進行挖槽取土，成槽后及時回填砂卵石，釋放樁背土壓力，形成土壓力緩沖層。

(3)對已完第一道錨索補張拉。

(4)加強基坑內外截、排水及防洪排澇措施，做好坑壁排水和泥巖面及時封閉，增加一排深層排水孔布置，降低地下水位影響。

(5)分臺階開挖，縮短單次開挖軸線長度，加強工序銜接，縮短錨索施工周期，及時張拉。

5 結論

微波雷達對結構位移的監測室非接觸、高精度、全方位的特點，能夠對結構的微小變形進行測量，相對其他監測手段，野外勞動強度低、效率高，不受氣象條件影響，且操作簡等優點，值得大力推廣運用。