軟土地層地鐵深基坑施工智能化監測技術研究

王 媛

(天津渤海職業技術學院 天津市 300400)

0 引言

隨著城市規模迅速發展，城市交通運輸壓力不斷增加，軌道交通可大大緩解地面交通壓力[1]，但地鐵車站軟土地層深基坑的建設過程中存在諸多風險。例如在深基坑開挖及主體結構施工過程中，止水帷幕及周圍土體會由于基坑內外應力的重分布而導致變形，若變形過大將會對主體結構和基坑的穩定性產生較大影響，進而危及周圍建(構)筑物、地下管線的安全，而在軟土地層中，深基坑土方開挖對周邊環境影響更為嚴重。針對該情況，通常的做法是通過監測設備對整個施工過程進行監測，及時反饋周圍環境的實際狀態，及時預警，控制風險，從而確保結構安全、經濟、可靠和施工的順利進行[2]。

目前國內的地鐵基坑施工監測大部分仍舊采取人工監測的方式[3-5]，其采集、整理、分析數據所花費的時間是“漫長”的，且數據整理的準確性需要多重復核才能得到有效保證，不僅耗費人力而且容易出錯，從而造成不必要的經濟、社會不良影響。近年來，部分學者致力于發展地基沉降預測公式系統的準確性與先瞻性[6]，部分學者基于現場實時監測技術進行方式、技術、效率等方面的改進。葛紀坤等[7]進行了將地面三維激光掃描技術應用于基坑監測的嘗試。周二眾等[8]建立了深基坑智能預警系統并應用于實際工程，取得了較好的監測效果。龐紅軍等[9]在無支撐結構且通視良好的深基坑內采用自動化監測方式替代人工監測，提高了監測效率。譚偉[10]采用AutoMos自動化監測系統對地鐵車站基坑圍護結構位移及重點建筑物沉降進行了有效監測。智能化監測系統的使用，可以加強施工安全管理，實時知曉各環節的監測情況，并及時反饋監測結論，消除初期隱患，保證工程安全進行。現有研究多注重于沉降公式預測、自動化監測系統構建、新式監測技術方面，對施工過程智能監測系統的實現闡述較為粗略，故對施工過程中智能監測系統的搭建與使用進行了系統性研究，力求對實際施工過程中智能監測預警的使用起到一定參考意義。

基于天津地鐵6號線某軟土地層深基坑施工項目，進行智能化監測方案設計并現場實施，監測數據結果表明，智能化監測實際效果良好，預警響應迅速，工程安全性有所提高，對相似工程監控預警有一定借鑒意義。

1 深基坑智能監測的必要性

軟土地層地鐵深基坑由于其開挖深度大，支護難度高，周圍環境復雜，常常伴隨著諸多風險。基坑事故類型通常可分為支護結構破壞、土體結構破壞及因基坑開挖引起的周圍環境破壞。據基坑事故原因統計，勘察失誤引起的基坑事故約占7%～8%，設計考慮不周引起的事故約占40%，施工引起的事故約占40%，業主或監理管理不善、監測不到位、對水的認識不足等綜合因素約占12%～13%[11]。因監測直接影響造成的事故占比不大，但一般基坑事故均帶有連鎖性，及時監控預警將會是設計施工疏忽后最后的安全保障。以北京某地鐵基坑事故為例[12]，明挖法施工的車站基坑主要采用樁錨支撐或樁支撐支護體系，基坑東北角鋼支撐斜撐連同鋼腰梁突然墜落砸下，造成下方支撐墜落，造成人員傷亡。后續調查發現事故發生前兩日監測沉降數據激增、斜撐軸力急劇減小、基坑水平位移速率較大，此三種預警指標均已提示風險信息。但因現場人員未及時發現監測數據異常并進行預警緊急處理而最終導致了此次事故的發生。

同人工監測相比，智能監測具有計算迅速、監測連續、監測時間間距可控、預警反饋及時等優點。智能監測一體化系統的使用，將大大降低監測人員重復工作頻率，從某種程度上降低因人員疏忽而導致的預警不及時或預警誤判。對于穩定性差的軟土地基而言，深基坑一體化智能監測系統的設計與使用是十分有必要的。

2 深基坑智能化監測項目及目的

2.1 深基坑智能監測項目

該站點為375.5m喇叭口異型車站，深基坑風險比一般車站風險大，站主體采用明挖順做法施工，圍護結構采用800mm厚鋼筋混凝土連續墻+內支撐的形式。車站主體長375.5m，基坑形狀呈喇叭口，車站標準段總寬度為21.1m，基坑深為17.03m；小里程盾構井段寬25.7m，基坑深18.66m；大里程盾構井段寬48.77m，基坑深19.66m。

地質情況從上往下依次為回填土、粉質黏土、粉細砂、黏土、粉細砂；開挖面以下為圓礫層。回填土層厚1.0～2.8m，粉質黏土層厚0～2.6m，粉細砂層厚3.0～9.3m，黏土層厚1.8～6.5m，粉細砂層厚1.7～3.5m。基坑以黏土、粉細砂土質為主，基坑底板位于黏土及粉細砂層，基底以下為粉細砂及圓礫層。

2.2 深基坑智能監測目的

在基坑施工過程中，為了全面了解地層、地下水、圍護結構和支撐體系的變形狀態，以及由于施工對周邊既有建筑物和管線產生的影響，需進行精確的監控量測，從而達到以下目的：

(1)通過實際監測數據與預測數據的比較，綜合判斷施工工法與施工步序是否滿足變形控制需求，為信息化施工提供數據支持。

(2)通過監測圍護體系的變形和受力情況，了解其變化規律，使整個基坑在開挖期間始終處于安全運營狀態。

(3)通過監測基坑內外水位變化，控制基坑工程施工降水對周圍地下水位下降的影響范圍和程度。

(4)通過跟蹤監測，確保基坑始終處于安全、平穩狀態。

為提高實時監控效率與預警精確性，設計采用水位計、振弦式軸力計、振弦式鋼筋計三種監測儀器與智能監控終端相結合，從而實現智能監測的目的。主要使用儀器及其監控項目如表1所示。所設計智能監測各組成模塊如圖1所示。

表1 監測項目及儀器

圖1 智能監測模塊示意圖

3 深基坑監測設備及其工作原理

(1)振弦式軸力計

供試品種為云煙87。于龍陵縣臘勐鎮大埡口村開展試驗，該地海拔1 950 m，沙壤土，肥力中等，地勢平坦，排灌方便。栽培管理按《保山市烤煙綜合標準》規范實施。

振弦式軸力計是一種振弦式載重傳感器，具有分辨力高、抗干擾性能強等特點，軸力計對集中載荷反應靈敏、測值可靠，能長期測量基礎對上部結構的反力以及對鋼支撐軸力和靜壓試驗時的載荷。當出現溫度信號不穩定的情況時，可將任何一接線端頭部分露出的屏蔽線與溫度負端連接。傳感器線纜及其對應功能如表2所示。

表2 傳感器電纜對應功能

(2)振弦式鋼筋計

振弦式鋼筋計主要用于測量混凝土內部結構的鋼筋應力，其主要由線圈、鋼弦和受力鋼體組成。當發生應力時，振弦式鋼筋計的受力鋼體產生應變并傳遞給鋼弦，使鋼弦受力發生變化，從而改變鋼弦的固有頻率，測量儀表輸出脈沖信號通過線圈激振鋼弦并檢測出線圈所感應信號的頻率，經換算得到被測結構物的負載力。

振弦式鋼筋計智能信息采集的方式與振弦式軸力計相同，通過鋼筋計內部輸出信號電纜連接智能信息采集電纜，實現信息的采集分析。

(3)投入式水位計

投入式水位計用于監測測量基坑外部水位高度，利用所測液體靜壓與水位高度成比例的原理，采用隔離型擴散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器制作而成，將壓力轉換為電信號，再經過溫度補償和線性修正，轉化成標準信號，從而實現測量數據的輸出。

(4)多通道智能采集終端

采用ZS-SIMP-300智能型多功能數據采集模塊，其由高性能低功耗32位ARM內核微處理器為核心,將電源、測量、傳輸、存儲等集成在一個模塊里,可自動采集振弦、差阻、電流電壓、數字量類傳感器信號,具有故障診斷、定時測量、自動休眠、測量數據存儲等功能。通過采集終端對數據進行采集匯總處理，輔以智能監控系統，可實現一體化智能監控及預警。

4 深基坑智能監測系統及監測效果

通過各監測設備信息連接電纜輸出至智能采集終端，通過信息顯示系統進行項目管理、系統設置與自動監測，通過分析器進行實時監控、提前預警與數據報表輸出。

4.1 智能化監測系統

智能信息采集終端將不間斷采集的數據上傳至監測系統，可通過系統查看各工程任意時間段的監測數據，并自動生成該時間段曲線圖，采集頻率(5min至24h)可通過監測系統任意設定，可自動生成監測日報，以標準的報告模板導出數據。

監測系統可進行聯合預警機制動態分析已有數據，通過大數據的挖掘和融合利用算法預測未來數據變化趨勢及變化量。通過關聯多個監測項，設置預警閥值，設置觸發關系，從而實現聯動預警，預警方式主要為短信預警、電話語音預警及系統預警。

4.2 監測結果

三觀測點鋼支撐軸力12日監測結果如圖2所示。各監測點均未觸發最小警戒值1870.6kN。

圖2 鋼支撐軸力監測結果

某一監測點混凝土支撐軸力12日監測結果如圖3所示，9月23日軸力值為3742kN，超出預設預警值1517kN，預警系統向監測人員發出預警通知，項目相關人員對此位置進行了加固處理并進行檢查，后期加大監測頻率，保證了此位置的安全。

圖3 混凝土層軸力監測結果

部分水位監測結果如圖4所示，水位均未超過預警值-0.8m。

圖4 水位監測結果

5 結論

(1)軟土地層深基坑施工過程具有較多風險，及時監測預警對于施工安全保障而言是十分重要的，同人工監測相比，智能監測具有計算迅速、監測連續、監測時間間距可控、預警反饋及時等優點。

(2)在此次軟土地層深基坑施工過程中，該智能化監測系統的應用，及時發現并預警了基坑開挖過程中的重大風險，起到了及時預防工程破壞事故、環境事故發生的重要作用。

(3)在實際工程中，智能化監測技術的應用，可以真正做到信息化施工，用信息化來指導安全施工生產。

(4)本工程的智能化監測技術應用可以為后續的研究提供參考。