健康監測在高速公路電力隧道施工中的應用

席三平，張 建

(1.中鐵一局集團有限公司,廣東 深圳 518109; 2.北京城建華晟交通建設有限公司,北京 100000)

0 引言

電力隧道是可以容納較多數量電纜、有供安裝和巡視的通道,是一種埋置于地層內的工程結構物。電力隧道施工的主要方法有明挖法、暗挖法、頂管法、盾構法等,根據DL/T 5484—2013電力電纜隧道設計規程[1]要求,在明挖隧道、頂管工作井、盾構工作井的開挖過程中涉及到基坑開挖時需要進行基坑支護、監測等工作,本文工程采用明挖與盾構法,根據設計要求對基坑進行監測。

自動化監測技術是20世紀60年代發展起來的一種全新的監測技術,它是隨著計算機技術、網絡通訊技術的發展而發展起來的。

自動化監測的三種形式:第一種是數據處理自動化,俗稱“后自動化”;第二種是實現數據采集自動化,俗稱“前自動化”;第三種是實現在線自動采集數據,離線資料分析,俗稱“全自動化”。在土木工程領域中,自動化健康監測技術應用始于橋梁結構,并逐步向著基坑、隧道、建筑、地災等領域推廣,目前已涵蓋結構壽命預測、損傷識別鑒定與監測、損傷定位及趨勢分析等眾多領域[2]。

1 基坑監測

1.1 基坑監測背景及現狀

隨著國民經濟的快速發展,高層建筑、軌道交通和城市地下空間等領域有了更廣闊的發展空間,國內基坑工程的數量得到迅猛增加,施工技術不斷成熟使得開挖深度不斷加深,帶來機遇的同時,也面臨著挑戰。基坑具有很強的區域性、綜合性和工程差異性,導致基坑坍塌的形式多種多樣,具體表現為支護結構失穩、滲流引起土體破壞以及基坑周圍地面變形過大等[3-4]。基坑坍塌造成的危害包括兩個方面:一方面是基坑支護結構本體破壞,威脅施工人員人身安全;另—方面,基坑工程事故可能導致基坑周邊建(構)筑物及地下市政管線的損壞,嚴重時還會造成火災、爆炸、有毒有害物質泄漏,給人民生命財產造成嚴重威脅[5]。

近年來,隨著物聯網技術、5G通訊的普及與飛速發展,自動化監測技術被廣泛應用于土木工程基礎建設,國內一些學者對基坑健康監測進行了深入研究。池瑋波等[6]闡述了人工檢測在基坑工程中所面臨的四大問題,即空間限制、時間限制、對象限制以及數據限制,突出健康監測在惡劣氣候和復雜環境下實施的優勢。郭雷剛等[7]以基坑工程為例,介紹健康監測系統框架的搭建,證明系統對保障施工作業安全、做到及時預警的有效性和實用性。由此可見,對于基坑工程建立一套行之有效的健康監測系統很有必要。

1.2 基坑監測主要內容

根據GB 50497—2019建筑基坑工程監測技術標準[8],基坑項目監測主要包括周邊環境監測、基坑圍護監測以及基坑巡視檢查。具體內容如表1所示。

表1 基坑監測內容

2 工程概況

某電力隧道工程施工項目,位于深圳市龍華區、龍崗區,線路起始于觀天路北側的濟海變電站,工程全長為6 800.209 m(包括豎井結構),采用明挖法和盾構法相結合的施工方法,隧道掘進范圍內的工程地質及水文情況見表2。

表2 土層描述

電力隧道因J7豎井地理位置特殊,豎井場地現狀為菜地,場地未平整,周邊樹木較多,基坑東側有高壓燃氣管線;南側有沈海高速公路邊坡;西側有通訊電塔、居民小區。豎井屬于深基坑,開挖尺寸為62 m×11 m×27 m,地質復雜內有孤石,破除孤石產生的應力對圍護樁擾動較大,人工監測不能滿足施工要求,需及時有效地反饋監測數據;基坑東側有φ820高壓燃氣,埋深2.5 m,管底距離隧道頂21.82 m,盾構下穿高壓燃氣危險系數高,需能夠及時準確地反映監測數據,指導掘進;基坑南側有沈海高速公路邊坡,坡高10.2 m坡度比2∶1,距離基坑圍護樁僅5 m,高速公路上車流量大動態荷載不定。邊坡上樹木密集能見度低,人工監測難度大,人力物力浪費;人工監測對人員的技術要求非常嚴格及人工成本費日益增高,增加運營成本。

3 監測系統的框架搭建

監測系統由硬件系統、軟件系統和運用層三部分組成,三者密不可分,通過各個層相互協調,實現系統的各種功能,其具體模塊組成如圖1所示。

3.1 硬件系統及測點布設

3.1.1 監測項目

基坑施工是一個動態過程,與之有關的穩定和環境影響也在動態變化中。因此,在施工過程中,必須對圍護結構及周邊環境進行三維空間全方位、全過程的監測。本基坑工程監測方案考慮的監測因素主要分為沉降、傾斜及支撐軸力三大部分,具體監測設備見表3。

表3 監測因素及監測設備

3.1.2 測點布設

1)燃氣管道沉降測點:分別在基坑周邊燃氣管道中部、陽角處布設測點,每處1個,選取1個基點水箱設置在穩定點,采用封閉連通管測量,共計28個。

2)支撐軸力測點:測點布設選擇在兩支點間1/3部位或混凝土支撐的端頭,每層支撐的軸力監測點位不少于3個,共計布設3層,共計55支。

3)傾斜測點:基坑圍護頂傾斜監測點位布置在基坑周邊圍護頂上,沿著四周中部布設;周邊建構筑物傾斜根據項目具體情況布設,共計40個。

3.1.3 工藝原理

1)靜力水準儀:設備檢測→安裝橋架→抄平放線、記錄點位→安裝靜力水準儀支架→安裝保護罩→安裝儲液罐支架→鋪設水路→氣路鋪設→設備調試→聯網測試→投入使用。

2)盒式測斜儀:設備檢測→安裝盒式測斜儀→設備檢測→線纜固定→聯網測試→投入使用。

3)振弦式鋼筋計:設備檢測→安裝振弦式鋼筋計→設備檢測→線纜固定→聯網測試→投入使用。

基坑結構如圖2所示。

通過硬件傳感器采集到的信號,需經數據采集和無線傳輸模塊上傳后,方可在監測平臺上對數據進行可視化展示和處理分析,把握基坑整體的受力狀態以及對基坑未來破壞趨勢做出判斷。

3.2 軟件系統搭建

本基坑工程采用“知物云”在線健康監測系統,包含工程項目管理、數據呈現與處理、閾值確定與分級預警等。

3.2.1 工程項目管理

工程項目管理模塊是為了保證同一單位應對不同的工程項目時,業主可以了解所需要監測的項目的安全狀況,做到無縫切換要求,而將所有工程項目匯總在統一平臺下進行管理。此外,對即將開展的項目工程和已完成的監測項目,在管理中可以做到實時增添與刪除,實現高效管控。

3.2.2 數據呈現與處理

對硬件采集和傳輸過來的大量原始數據資料,通過“知物云”平臺對數據進行深一步的處理和分析,實現對數據查詢、存儲、可視化等結構化處理。通過數據庫操作實現數據的提取和處理,是對原始數據進行處理和分析的關鍵。

數據呈現與處理主要包括對數據進行過濾、二次處理等,并用原始數據或曲線等進行展示,然后多終端進行原始數據或者以曲線的形式等進行展示,打印相關表、數據等,部分展示圖如圖3—圖6所示。

圍護墻頂部水平位移在施工過程中,監測數據結果在±2 mm左右上下波動,整體變化呈現穩定發展趨勢,滿足設計施工要求;深基坑支撐軸力隨著支撐架設的不斷完善,最終的曲線結果趨于穩定。

知物云監測平臺搭載人工數據上傳功能,可以對檢測數據進行處理分析,如圖7所示。

通過曲線變化不難看出,在基坑施工過程中,通過采用圍護結構和內支撐的支護形式,曲線整體呈現出“組合式”位移曲線發展變化,形成兩頭小中間大的“弓形”曲線,滿足圍護結構深層水平位移理論[9]。

3.2.3 閾值設定與預警

預警值的確定設置是一個非常嚴謹、嚴肅的過程,綜合考慮設計院提供的控制值、理論計算、施工監控得到的信息、實際測試數據等多方因素。分級預警設定可以實時掌控工程的風險程度,以及排查數據中斷和設備故障問題,系統搭載短信和郵件告警兩種方式,從而保障工程的施工安全。

4 結語

電力隧道基坑工程采用自動化監測技術,實現了對基坑“遠程”“實時在線”“非接觸”的監測,是將傳統的檢測手段邁向與人工智能、物聯網、大數據相結合的一次有利實踐。自動化監測技術不僅解決了施工過程中遇到的通勤限制和施工作業環境影響問題,驗證了健康監測的可行性以及監測數據的準確性,而且監測框架的搭建也使得施工更加有序高效,無需耗費大量人力物力資源且避免了人工檢測后期對海量數據進行匯總分析。但由于基坑自動化監測還處于發展階段,在應對監測精度問題上仍有較大挑戰,仍需人工檢測的扶持,“知物云”監測平臺的引入,實現了對人工數據上傳,將二者有機的結合在一起,取長補短,共同保障施工作業安全。相信在相關監測規范的出臺以及一次次的實際工程檢驗下,自動化監測將向著更加規范與高效的方向不斷發展。