酈 亮，謝長嶺，馮立力，彭自強

(1.寧波市軌道交通集團有限公司，浙江 寧波 315101； 2.浙江華展工程研究設(shè)計院有限公司，浙江 寧波 315000；3.基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測與評估國家地方聯(lián)合工程研究(江西飛尚科技有限公司)，江西 南昌 330200)

現(xiàn)行基坑內(nèi)部水平位移監(jiān)測主要有傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方法和在線監(jiān)測方式。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測存在監(jiān)測頻率有限、工作效率低、受氣候和時間限制、無法實現(xiàn)全天候?qū)崟r測量等不足；自動化在線監(jiān)測能實時采集數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)并實時預警[1-2]。為了研究自動化測斜技術(shù)在地鐵基坑墻體深層水平位移監(jiān)測中的效果與可行性，現(xiàn)以某地鐵基坑圍護連續(xù)墻變形監(jiān)測為依托，通過與傳統(tǒng)人工測斜監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行對比分析，了解基坑墻體深層水平位移的變形規(guī)律，評價固定式測斜自動化監(jiān)測技術(shù)應用在地鐵基坑墻體深層水平位移監(jiān)測中的效果與可行性，對固定式測斜自動化監(jiān)測技術(shù)和傳統(tǒng)人工測斜監(jiān)測技術(shù)應用在地鐵基坑墻體深層水平位移監(jiān)測中的表現(xiàn)效果與規(guī)律進行對比分析評價。

1 工程背景

寧波市軌道交通4號線白鶴站車站主體基坑寬19.7～24.5 m，長約346.17 m。東端頭井基坑深為18.93 m，類矩形盾構(gòu)接收井處基坑深為19.89 m，單圓盾構(gòu)接收井處基坑深為19.79 m，寬9.9～10.1 m；標準段基坑深16.70～17.01 m，寬5.8 m。采用局部蓋挖順作法施工，圍護型式為地下連續(xù)墻圍，83351部隊招待所房屋前采用厚1 000 mm的地下連續(xù)墻，其余均采用厚800 mm的地下連續(xù)墻。沿基坑深度布置1道鋼筋混凝土支撐+4道鋼支撐，端頭井加深段增設(shè)1道鋼支撐?；娱_挖斷面如圖1所示。

圖1 基坑開挖橫截面Fig.1 Cross-section drawing of foundation pit excavation

2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 測點布設(shè)及傳感器選擇

在白鶴站車站主體基坑北側(cè)中部選取地連墻(WN-45)作為試驗段，該區(qū)域周邊環(huán)境簡單，無暗浜等不良地質(zhì)，受施工機械影響較小，是較為理想的監(jiān)測段[3-4]。在WN-45中布設(shè)人工監(jiān)測點CX8和自動化監(jiān)測點孔1。監(jiān)測點布置如圖2所示，自動化監(jiān)測中圍護墻深層水平位移監(jiān)測采用導輪式固定測斜儀，人工監(jiān)測采用手持式導輪式測斜儀，地下連續(xù)墻編號WN-45(CX8)，深度為36 m，觀測垂線上測點的間距為1 m，布設(shè)測點35個，人工監(jiān)測測量間距為0.5 m，傳感器選擇見表1。

圖2 深層水平位移測點布設(shè)立面Fig.2 Deployment elevation of deep horizontal displacement measuring points

表1 設(shè)備技術(shù)指標Tab.1 Technical index of the equipment

2.2 采集傳輸系統(tǒng)

現(xiàn)場導輪式固定測斜儀安裝采用串聯(lián)連接形式。完成導輪式固定測斜儀安裝測點布設(shè)后，需要安裝無線節(jié)點、中繼節(jié)點和無線網(wǎng)關(guān)，使定時采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS傳輸至云平臺，然后使用計算機或手機登錄相應賬號實時查看每個測點的深層水平位移值。數(shù)據(jù)采集時間為30 min。無線節(jié)點定時喚醒后采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)中，網(wǎng)關(guān)通過GPRS把數(shù)據(jù)無線傳輸至云平臺進行存儲和分析，然后就可以在云端查看鋼支撐軸力的實時連續(xù)數(shù)據(jù)。

2.3 監(jiān)測周期及頻率

項目監(jiān)測周期約為6個月，自基坑土方開挖開始至支撐拆除完成。采集頻率見表2。

表2 采集頻率Tab.2 Acquisition frequency

其中，固定式測斜自動化監(jiān)測為全天候?qū)崟r自動化采集。

3 監(jiān)測結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 孔1自動化與孔CX8人工監(jiān)測測斜分析

3.1.1 孔1自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

孔1在Y方向不同深度的位移變化趨勢如圖3所示，孔1在Y方向不同深度位移變化箱型如圖4所示。

圖3 Y方向位移變化趨勢Fig.3 Change trend of displacement in Y direction

圖4 Y方向位移箱型Fig.4 Displacement box diagram in Y direction

從圖4中可以看出，孔1-1—孔1-13單個測點數(shù)據(jù)全為負值、孔1-13—孔1-17監(jiān)測數(shù)據(jù)有正有負、孔1-17—孔1-33數(shù)據(jù)全為正。單個傳感器從孔口到孔底呈現(xiàn)先為負、再負正，再全為正的整體規(guī)律，說明單個測點監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性。即單個傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，確保了單個測點累加后累計位移的有效性。

孔1 在Y方向每個測點的累計位移變化趨勢如圖5所示，從圖5中可知，每個孔的累計位移值趨勢均相近，累計位移變化值大多數(shù)均為非負數(shù)，即每個測點的累計位移在不斷增大，除了極少數(shù)時間段外，累計位移變化率均小于2 mm/d，大多數(shù)時間段累計位移變化率在1 mm/d。累計位移變化率在2018年10月19日—10月25日增大后有趨于平穩(wěn)；2018年11月2日—11月6日累計變化率有所增大，并大于1 mm，然后又開始減??；2018年11月15日—11月20日累計位移增大并大于1 mm，之后又趨于穩(wěn)定。2018年12月1日—2019年1月5日，累計位移變化率大于1 mm/d；從2019年1月5日后，位移變化率逐漸趨于穩(wěn)定，最后接近0。每個測點累計位移箱線如圖6所示，從圖6中可以看出，最終孔1-17位移變化最大，孔1-32及孔1-33位移變化最小，根據(jù)箱型圖的1/4分位點、1/2分位點3/4分位點可以看出地下連續(xù)墻隨著開挖的變化趨勢，即隨著基坑開挖，連續(xù)墻最大水平位移點在不斷下移，最終在開挖面達到最大(此時開挖面的數(shù)據(jù)分布最為發(fā)散)[5]。

圖5 Y方向累計位移變化趨勢Fig.5 Variation Trend of accumulated displacement in Y direction

圖6 Y方向累計位移箱型Fig.6 Box diagram of cumulative displacement in Y direction

3.1.2 孔1與孔CX8數(shù)據(jù)分析

本次自動化固定測斜儀深層水平位移監(jiān)測的可行性驗證中設(shè)置了人工測斜孔進行對比[6-7]。自動化測斜孔孔1對應的人工測斜孔為CX8，人工監(jiān)測孔內(nèi)傳感器按0.5 m間距計算，自動化監(jiān)測孔1內(nèi)傳感器按1 m間距布設(shè)計算，為了計算的一致性與對比的參考性，將人工孔CX8按1 m取值進行累計計算。人工孔CX8傳感器間距為0.5 m，將人工孔CX8按1 m取值進行累計計算，按1m取值計算后，自動化監(jiān)測和人工監(jiān)測最終累計位移曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測累計深度位移曲線相似，均在-16～-18 m處出現(xiàn)最大水平位移，人工測斜監(jiān)測最大水平位移為53.6 mm，孔口-1 m處水平位移為1.53 mm，孔底-33 m水平位移為-3.2 mm，自動化測斜監(jiān)測最終最大水平位移為64.5 mm，孔口-1 m處水平位移為5.9 mm，孔底-33 m水平位移為-3.25 mm，人工監(jiān)測測斜孔CX8與孔1數(shù)據(jù)散點如圖8所示，從圖8中可以看出，孔CX8與孔1相關(guān)性高[6]，相關(guān)系數(shù)R2為0.914 1。

圖7 自動化人工測斜對比Fig.7 Comparison of automatic manual inclinometer

圖8 自動化人工測斜關(guān)聯(lián)Fig.8 Automatic manual slope measurement correlation

3.2 現(xiàn)場工況匹配

自動化測斜孔孔1布設(shè)間距1 m，能較好地反映地下連續(xù)墻水平位移變化，因此對孔1及其附近人工測孔CX8進行施工工況匹配分析，根據(jù)每層鋼支撐的支撐時間，進行5次工況匹配分析。

3.2.1 第1次支撐后開挖水平位移變化

自動化測斜孔孔1和人工測斜孔CX8在2018年10月23—27日各測點的累計水平位移曲線如圖9所示。從圖9中可以看出，自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測表現(xiàn)出相同變化規(guī)律。在2018年10月23—27日各測點累計位移日變化率均為正值，在10月23—24日日變化量最大，最大變化率為2 mm/d，到10月25日后，變化率變小并小于1 mm。自動化監(jiān)測最大累計位移為8.1 mm，人工監(jiān)測最大累計位移為9 mm，均在-9 m左右深度。自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測均在10月24日變化率最大，并在-9 m處左右達到最大累計位移。這與第1次開挖后支撐工況相匹配。

圖9 第1次支撐后孔1與孔CX8累計位移變化Fig.9 Cumulative displacement changes of hole 1 and CX8 at the first steel support

3.2.2 第2次支撐后開挖水平位移變化

自動化測斜孔孔1和人工測斜孔CX8在2018年11月2—6日各測點的累計水平位移深度曲線如圖10所示。從圖10中可以看出，自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測每天變化規(guī)律相同。在2018年11月2—6日施工期間，在11月4—5日變化量最大，最大變化率為2.5 mm/d，至11月5日后，變化率變小并小于1 mm。自動化監(jiān)測最大累計位移為19.29 mm，人工監(jiān)測最大累計位移為16.58 mm，均在-10～-11 m深度。自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測均在11月5日變化率最大，并在-10～-11 m處達到最大累計位移。這與第2次開挖后支撐工況相匹配。

圖10 第2次支撐后孔1與孔CX8累計位移變化Fig.10 Cumulative displacement changes of hole 1 and CX8 at the second steel support

3.2.3 第3次支撐后開挖水平位移變化

自動化測斜孔孔1和人工測斜孔CX8在2018年11月15—19日各測點的累計水平位移深度曲線如圖11所示。從圖11可以看出，自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測每天變化規(guī)律相同。2018年11月15—19日施工期間，11月17—18日日變化量最大，最大變化率為2.8 mm/d，至11月18日后，變化率變小并小于1 mm。自動化監(jiān)測最大累計位移為32.5 mm，人工監(jiān)測最大累計位移為29.97 mm，最大累計位移均在深度-12～-13 m。自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測均在11月18日變化率最大，并在深度-12～-13 m處達到最大累計位移。這與第3次開挖后支撐工況相匹配。

圖11 第3次支撐后孔1與孔CX8累計位移變化Fig.11 Cumulative displacement changes of hole 1 and CX8 at the third steel support

3.2.4 第4次支撐后開挖水平位移變化

自動化測斜孔孔1和人工測斜孔CX8在2018年12月19—23日各測點的累計水平位移深度曲線如圖12所示。從圖12可以看出，自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測每天變化規(guī)律相同。在2018年12月19—23日施工期間，12月20—21日日變化量最大，最大變化率為3 mm/d，至12月21日后，變化率變小并小于1 mm。自動化監(jiān)測最大累計位移為52 mm，人工監(jiān)測最大累計位移為45.6 mm，最大累計位移均在深度-15～-16 m。自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測均在11月18日變化率最大，并在深度-15～-16 m處達到最大累計位移。這與第4次開挖后支撐工況相匹配。

圖12 第4次支撐后孔1與孔CX8累計位移變化Fig.12 Cumulative displacement changes of hole 1 and CX8 at the fourth steel support

3.2.5 第5次支撐后開挖水平位移變化

基坑底板澆筑后各測點累計位移變化如圖13所示。

圖13 孔1與CX8最終累計位移變化Fig.13 Final cumulative displacement variation of hole 1 and CX8

從圖13中可以看出，自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測累計深度位移曲線相似，均在深度-16～-18 m處出現(xiàn)最大水平位移，人工測斜監(jiān)測最大水平位移為54 mm，自動化監(jiān)測最大水平位移為64.5 mm，最大水平位移相差10 mm，相對誤差為15.5%。因為人工孔CX8是測量地下連續(xù)墻變形，而孔1是監(jiān)測附近軟土變形，導致最終最大水平累計位移有所不同，這也與結(jié)構(gòu)物的變形情況類似。人工監(jiān)測及自動化監(jiān)測測斜最終累計位移變化曲線均呈“啤酒肚”形，最終累計位移深度曲線形成中間大、上下兩端小的特點，均在最終開挖面(-17 m左右)處達到最大水平位移，這與實際受力、工況相匹配。

自動化監(jiān)測孔1與人工監(jiān)測孔CX8線性擬合關(guān)系好，擬合系數(shù)為0.912。自動化監(jiān)測和人工監(jiān)測均能很好地反映了基坑地下連續(xù)墻水平位移變化趨勢，說明人工測斜和自動化固定測斜儀在基坑深層水平位移監(jiān)測中的可行性，由于孔CX8和孔1呈線性關(guān)系，且相關(guān)性好，整體趨勢相似，說明了自動化監(jiān)測能代替人工監(jiān)測進行基坑連續(xù)墻位移監(jiān)測。

4 結(jié)論

(1)通過對孔單個測點數(shù)據(jù)分析，單個傳感器從孔口到到孔底呈現(xiàn)先負、再負正、再全為正的整體規(guī)律，說明單個測點監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性；對測點累計位移分析，地下連續(xù)墻最大水平位移一直在開挖面附近達到最大，最終在深度-17 m處達到最大。

(2)人工監(jiān)測和自動化監(jiān)測深層水平累計位移曲線均能及時、準確地反映各種工況條件下引起的基坑水平位移，說明自動化監(jiān)測能較好地反映深層水平位移的變形情況，進而驗證了固定測斜儀在基坑深層水平位移監(jiān)測中的可行性。

(3)自動化測斜和人工測斜最終深度水平位移曲線均呈“啤酒肚”形，最終形成中間大、上下兩端小的特點，即傳感器間距為1 m的自動化測斜儀深層水平位移監(jiān)測與人工0.5 m間距的測斜儀深層水平位移監(jiān)測規(guī)律類似。