黃書葵

（深圳市赤灣商業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518000）

近年來，城市地鐵交通快速發(fā)展，成為人們的主要交通方式之一。然而，在地鐵工程建設(shè)過程中，臨近地鐵軌道的基坑開挖工程成為一個(gè)重要的問題。基坑開挖活動(dòng)可能對(duì)地鐵軌道的安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生一定的影響，因此，需要進(jìn)行全面的影響分析和評(píng)估，以確保地鐵的正常運(yùn)行和乘客的安全。常見的技術(shù)方法主要有三維數(shù)字建模應(yīng)力分析法、自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)法、地下水位監(jiān)測(cè)等，幾種方法在功能、目的及應(yīng)用場(chǎng)景等方面都存在一定共性、異性，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，但是鮮有學(xué)者進(jìn)行方法對(duì)比和綜合性應(yīng)用研究。因此，本文以實(shí)際工程為例，結(jié)合應(yīng)用三維數(shù)字建模應(yīng)力分析法和自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)法，討論2 種方法的區(qū)別和關(guān)聯(lián)性，并分析基坑開挖對(duì)臨近地鐵軌道安全運(yùn)營(yíng)的影響。通過構(gòu)建基坑開挖的數(shù)學(xué)模型，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土體的變形和位移情況，可定量評(píng)估土體的應(yīng)力分布和變形情況，從而為地鐵工程的規(guī)劃和施工提供科學(xué)依據(jù)[1-2]。

1 工程概況

1.1 新建基坑及區(qū)間隧道概況

擬建工程為S 市某大型擬建建筑工程項(xiàng)目，項(xiàng)目與軌道交通設(shè)施間距在50 m 地鐵保護(hù)區(qū)之內(nèi)，基坑的開挖卸載、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形均有可能對(duì)鄰近的軌道交通設(shè)施產(chǎn)生不利影響，因此需依據(jù)本項(xiàng)目的工程條件、基坑支護(hù)設(shè)計(jì)，分析評(píng)估該項(xiàng)目基坑工程施工對(duì)相鄰軌道交通設(shè)施的影響?；优c地鐵的剖面如圖1所示。

圖1 新建基坑與地鐵隧道側(cè)剖面關(guān)系示意圖

1.2 巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)勘察報(bào)告提供的巖土層基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、原位試驗(yàn)成果，結(jié)合相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，提出本項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)主要巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)和計(jì)算分析采用的土工參數(shù)，具體如表1 所示。

表1 主要巖土層物理力學(xué)參數(shù)表

1.3 方法分析與比較

本文主要從基坑開挖三維數(shù)字建模和地鐵隧道自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)2 個(gè)方向進(jìn)行研究分析，2 種方法的區(qū)別和聯(lián)系如下。

1.3.1 區(qū)別

在原理上，數(shù)字建模分析是基于數(shù)學(xué)模型的工程方法，通過輸入結(jié)構(gòu)或隧道的幾何形狀和材料參數(shù)等數(shù)據(jù)來建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行應(yīng)力和變形分布情況分析；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分析是基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和分析的技術(shù)手段，通過傳感器獲取隧道內(nèi)部和周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)它進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。在目的和應(yīng)用上，數(shù)字建模應(yīng)力分析主要用于預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提供設(shè)計(jì)和施工方案，并進(jìn)行安全評(píng)估；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分析主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道的變形、應(yīng)力、振動(dòng)等情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，并采取相應(yīng)的措施。

1.3.2 關(guān)聯(lián)性

在目標(biāo)上，數(shù)字建模分析和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分析旨在提高工程的安全性和可靠性，保障結(jié)構(gòu)和隧道的穩(wěn)定運(yùn)行。此外2 種方法互相補(bǔ)充，數(shù)字建模應(yīng)力分析可以在設(shè)計(jì)和施工階段對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析和優(yōu)化，為自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分析提供有力的數(shù)據(jù)支持。而自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分析可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道的狀況，為數(shù)字建模應(yīng)力分析提供實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證和反饋。

2 三維數(shù)字建模分析

2.1 分析計(jì)算方法

擬建項(xiàng)目的基坑工程與地鐵結(jié)構(gòu)的布置特征具有典型的三維特征，綜合考慮地鐵結(jié)構(gòu)和基坑的結(jié)構(gòu)形式，參照已有文獻(xiàn)中的處理方法，本文采用三維分析方法。為真實(shí)準(zhǔn)確地模擬基坑開挖對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響，需要對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)開挖施工及后期鄰近基坑的開挖過程進(jìn)行全過程施工模擬。首先根據(jù)基坑工程范圍、尺寸與既有地鐵結(jié)構(gòu)平面關(guān)系，建立數(shù)值計(jì)算模型；對(duì)巖土體進(jìn)行物理力學(xué)參數(shù)的賦值，分析巖土體中地應(yīng)力分布特點(diǎn)，模擬巖土體的初始地應(yīng)力場(chǎng)分布情況；對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的開挖施工過程進(jìn)行模擬，確定后續(xù)基坑開挖前圍巖和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，以此作為基礎(chǔ)，再模擬擬建工程施工過程，研究施工過程中地鐵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形情況，進(jìn)而對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全進(jìn)行評(píng)判[3]。

2.2 應(yīng)力分析

三維數(shù)字建模上，本文采用Midas/GTS 有限元計(jì)算軟件，該軟件具有先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算能力和圖形化界面，可以模擬復(fù)雜的土體和結(jié)構(gòu)行為，并進(jìn)行穩(wěn)定性、變形、應(yīng)力等綜合分析。初始地應(yīng)力場(chǎng)的擬合采用側(cè)邊加載擬合法，即模型中所有材料均采用線彈性本構(gòu)模型，在模型右側(cè)及底部施加法向位移約束，在模型左側(cè)邊界上施加法向應(yīng)力，計(jì)算后模型的應(yīng)力達(dá)到平衡后即為模擬的初始應(yīng)力場(chǎng)。施加法向應(yīng)力等于左側(cè)邊界上各點(diǎn)的自重應(yīng)力乘以一個(gè)側(cè)壓力系數(shù)，一般淺層地層水平側(cè)壓力系數(shù)為0.4～0.8。擬合后得到的初始總地應(yīng)力場(chǎng)分布如圖2 所示[4].

圖2 場(chǎng)地X 向和豎向總應(yīng)力云圖

然后進(jìn)行地鐵施工應(yīng)力場(chǎng)分析，通過應(yīng)力分布可間接反映出道路路基開挖施工前整體場(chǎng)地的應(yīng)力狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)提供佐證。并進(jìn)行后期用地整平及規(guī)劃支路回填施工工況應(yīng)力場(chǎng)，反映出整體場(chǎng)地的應(yīng)力狀態(tài)，從而發(fā)現(xiàn)應(yīng)力分布規(guī)律，為結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)提供佐證。

2.3 位移分析

評(píng)價(jià)基坑施工對(duì)地鐵隧道的影響的主要指標(biāo)為結(jié)構(gòu)的水平位移及豎向位移，也最能反映項(xiàng)目施工對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響程度。模型計(jì)算可以直觀讀取基坑結(jié)構(gòu)及地鐵結(jié)構(gòu)的位移值，從而定量評(píng)判地鐵結(jié)構(gòu)的安全性，最后計(jì)算得出基坑開挖造成S 市地鐵2 號(hào)線出入段線的最大水平變形為0. 28 mm 及豎向隆起為0.72 mm。

3 地鐵自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)分析

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)實(shí)施是通過安全智能監(jiān)測(cè)與預(yù)警一體化云平臺(tái)，遠(yuǎn)程向測(cè)量機(jī)器人發(fā)送測(cè)量指令完成一系列測(cè)量動(dòng)作并得到數(shù)據(jù)。整個(gè)過程，測(cè)量機(jī)器人與通信工控系統(tǒng)用專用電纜連接，使它同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備供電及測(cè)量數(shù)據(jù)及測(cè)量指令在預(yù)警平臺(tái)的接收發(fā)模式。

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

對(duì)本段監(jiān)測(cè)區(qū)間左右線各設(shè)計(jì)46 個(gè)斷面，每個(gè)斷面各布設(shè)6 個(gè)三維變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，6 個(gè)點(diǎn)分別位于隧道底兩側(cè)（2 點(diǎn)）、隧道中腰線（2 點(diǎn)）、隧道頂部（1 點(diǎn)），監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用以L 形小棱鏡為主的元器件，布點(diǎn)時(shí)用沖擊鉆打孔及對(duì)應(yīng)膨脹螺絲安裝固定。

3.2 儀器位置及通信控制系統(tǒng)安裝

隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由測(cè)量機(jī)器人即帶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)（或者磁驅(qū)）的全站儀，供電系統(tǒng)，通信工控系統(tǒng)，變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)（控制點(diǎn)）、公共點(diǎn)、變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，安全智能監(jiān)測(cè)與預(yù)警一體化云平臺(tái)（ 以下簡(jiǎn)稱“WebMos 平臺(tái)”），監(jiān)測(cè)軟件云端服務(wù)器，共6 個(gè)部分構(gòu)成。布設(shè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)本隧道處于洞通未鋪軌狀態(tài)，隧道內(nèi)全站儀采用專用支架固定在隧道內(nèi)一側(cè)的側(cè)壁上，支架處于監(jiān)測(cè)點(diǎn)通視良好區(qū)域，全站儀支架附近安裝工控箱，工控箱內(nèi)包含供電電源、全站儀遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)組件及通信設(shè)備。支架附近用膨脹螺絲固定一個(gè)電箱，里面包含自動(dòng)化通信模塊系統(tǒng)；在建隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)信號(hào)系統(tǒng)由光纖加無線發(fā)射裝置組成，光纖沿隧道側(cè)壁，將光纖一端接入控制箱，另一端光纖拉到盾構(gòu)井的出口保證有通信信號(hào)，在此處安裝一個(gè)無線信號(hào)引入裝置連接光纖端[5-6]。儀器位置及實(shí)施監(jiān)測(cè)示意圖如圖3 所示。

圖3 儀器位置及實(shí)施監(jiān)測(cè)示意圖

3.3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)實(shí)施時(shí)通過安全智能監(jiān)測(cè)與WebMos平臺(tái)，遠(yuǎn)程向測(cè)量機(jī)器人發(fā)送測(cè)量指令完成一系列測(cè)量動(dòng)作并得到數(shù)據(jù)。測(cè)量機(jī)器人、監(jiān)測(cè)點(diǎn)及通信工控系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后進(jìn)入WebMos 平臺(tái)，找到對(duì)應(yīng)操作學(xué)習(xí)測(cè)量界面，測(cè)量機(jī)器人在人工測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)（控制點(diǎn)）定向的基礎(chǔ)上進(jìn)行云端自動(dòng)化的定向?qū)W習(xí)測(cè)量。定向完成后按WebMos 設(shè)定的測(cè)量程序進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐個(gè)點(diǎn)位的學(xué)習(xí)測(cè)量，測(cè)量完成后保存所有測(cè)量數(shù)據(jù)并傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)軟件云端服務(wù)器上；然后WebMos 平臺(tái)通過定向后形成的方位角、平距、斜距自動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與分析，給出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)系（平面及高程）及點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的角度距離關(guān)系，經(jīng)過多次測(cè)量平差形成監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位初始值。最后通過設(shè)置WebMos 平臺(tái)在特定的時(shí)間啟動(dòng)測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行無間斷的連續(xù)測(cè)量；通過與點(diǎn)位初始值的比對(duì)，形成并繪制點(diǎn)位變形時(shí)的曲線圖。每次測(cè)量時(shí)，遵循先控制點(diǎn)（基準(zhǔn)點(diǎn)）后監(jiān)測(cè)點(diǎn)，按后方交會(huì)方法計(jì)算出儀器坐標(biāo)和高程，然后再觀測(cè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

新建建筑工程基坑開挖對(duì)地鐵出入段產(chǎn)生的直接影響主要體現(xiàn)在橫向、縱向、高程3 個(gè)方面，間接的變化有經(jīng)向收斂、隧道橢圓度變化。通過一周的觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)，得到高程位移累積變形值為2.1 mm，橫向位移累積變形值為1.5 mm，縱向位移累積變形值為1.2 mm；隧道道床沉降差累積變形值為-0.5 mm；道結(jié)構(gòu)橫向收斂值為-0.9 mm。可以得出，隧道結(jié)構(gòu)自動(dòng)監(jiān)測(cè)變形值變化較小，未超報(bào)警值，仍處于安全可控狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文應(yīng)用2 種方法對(duì)臨近地鐵軌道安全運(yùn)營(yíng)影響進(jìn)行分析，通過以上應(yīng)用可以看出，三維數(shù)字建模應(yīng)力分析法主要適用于工程設(shè)計(jì)和施工階段，可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的應(yīng)力分析和評(píng)估；自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)法適用于結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，主要用于工程的運(yùn)行和維護(hù)階段。在方法復(fù)雜性方面，三維數(shù)字建模應(yīng)力分析法需要構(gòu)建復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行大量的計(jì)算和分析，對(duì)計(jì)算能力和數(shù)據(jù)處理能力有一定要求；自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)法則相對(duì)簡(jiǎn)單，通過傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析和處理，適用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，同行從業(yè)者可以根據(jù)工程目的和要求進(jìn)行選擇。