強(qiáng)近接既有線的深大地鐵基坑施工變形監(jiān)測(cè)分析

朱金衛(wèi)， 鄧樹密

(中國水利水電第十工程局有限公司, 四川成都 610072)

強(qiáng)近接既有線的深大地鐵基坑施工具有體量大、超深開挖、開挖凈寬窄、工序穿插復(fù)雜的特點(diǎn)，對(duì)既有結(jié)構(gòu)的保護(hù)尤為重要。提高在荷載-環(huán)境耦合作用下新建及既有運(yùn)營車站變形監(jiān)測(cè)能力是急需解決的問題。傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)雖有廣泛的運(yùn)用，但在應(yīng)用中也存在較大的局限性，如受環(huán)境影響大，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工存在干擾等。計(jì)算機(jī)視覺智能測(cè)量系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及智能識(shí)別算法將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為變形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)物的超高精度非接觸式實(shí)時(shí)測(cè)量[1-3]，微波雷達(dá)變形測(cè)試具有遠(yuǎn)距離、非接觸、高精度等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。本文結(jié)合錦城廣場(chǎng)P+R 地下停車場(chǎng)項(xiàng)目基坑施工過程中自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)工程實(shí)例，基于計(jì)算機(jī)圖像視覺和微波雷達(dá)對(duì)基坑沉降和水平位移監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究和探討，提出了精細(xì)化的監(jiān)測(cè)方案。

1 計(jì)算機(jī)視覺和微波雷達(dá)形變監(jiān)測(cè)

本次采用的是基于微波雷達(dá)和機(jī)器視覺智能基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括微波雷達(dá)測(cè)量子系統(tǒng)和機(jī)器視覺測(cè)量子系統(tǒng)組成。微波雷達(dá)子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸向位移(可分解到面內(nèi)水平和豎向位移)，同時(shí)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及豎向位移采用機(jī)器視覺子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該微波雷達(dá)子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、無線遠(yuǎn)程傳輸模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和云臺(tái)顯示模塊。該機(jī)器視覺子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、無線遠(yuǎn)程傳輸模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和云臺(tái)顯示模塊。計(jì)算機(jī)圖像視覺和微波雷達(dá)具有遠(yuǎn)距離、非接觸、高精度、省時(shí)省力、多點(diǎn)監(jiān)測(cè)等眾多優(yōu)點(diǎn)，有效解決基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)量時(shí)測(cè)試精度低和效率低等難題，對(duì)于基坑危險(xiǎn)部位能夠做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、及時(shí)預(yù)警功能?，F(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)視覺采集模塊包括設(shè)置于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上的靶標(biāo)及觀測(cè)靶標(biāo)的目攝像機(jī)，攝像機(jī)內(nèi)置自動(dòng)識(shí)別程序及解算算法程序，智能攝像機(jī)識(shí)別并觀測(cè)設(shè)置于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上的靶標(biāo)，攝像機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控靶標(biāo)的水平位移和豎向位移并解算出靶標(biāo)的水平位移和豎向位移數(shù)據(jù)。圖像視覺的位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)系統(tǒng)原理示意

微波雷達(dá)是基于線性調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)和干涉測(cè)量技術(shù)測(cè)量設(shè)備。線性調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)是用于縮短識(shí)別2個(gè)目標(biāo)物所需的最小徑向距離，提高雷達(dá)的距離向分辨率。干涉測(cè)量技術(shù)可以精確地測(cè)量出地表某一點(diǎn)的三維位置及其微小的變化，通過測(cè)量目標(biāo)物反射回的電磁波的相位差來進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形的觀測(cè)，依據(jù)差頻和被測(cè)目標(biāo)距離的關(guān)系進(jìn)行干涉計(jì)算可得被測(cè)目標(biāo)的變形信息，通過2次發(fā)射相位差來測(cè)量振動(dòng)位移，如圖2所示。

圖2 測(cè)試原理

2 工程實(shí)例及監(jiān)測(cè)分析

2.1 工程概況

成都錦城廣場(chǎng)站位于環(huán)球中心對(duì)面，天府大道東側(cè)、錦悅東路南側(cè)、繞城高速北側(cè)，高速收費(fèi)站西側(cè)，是成都軌道交通18號(hào)、16號(hào)、29號(hào)線3線換乘站，3站兩兩相交，呈三角形布置。18號(hào)線為南北走向，站臺(tái)位于地下4層；16號(hào)線位于18號(hào)線東側(cè)，為西南—東北走向，站臺(tái)層為地下3層；29號(hào)線位于18號(hào)線東側(cè)、16號(hào)線北側(cè)，為西北—東南走向，站臺(tái)層位于地下5層。18號(hào)線車站已經(jīng)運(yùn)行通車，本監(jiān)測(cè)體系涉及范圍為三角換乘大廳，具體范圍如圖3所示。采用基于微波雷達(dá)和圖像視覺的遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控。

圖3 監(jiān)測(cè)體系涉及范圍——三角換乘大廳

2.2 監(jiān)測(cè)方案

在本項(xiàng)目中，為準(zhǔn)確獲取基坑開挖過程中，采用機(jī)器視覺測(cè)量的技術(shù)既有結(jié)構(gòu)支護(hù)的位移變化情況(圖4～圖6)。通過對(duì)圖像的處理分析，計(jì)算得出各期位移量、位移速率和累計(jì)位移量。根據(jù)獲取的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如果基坑變形情況超過預(yù)警值，系統(tǒng)將會(huì)預(yù)警。工程監(jiān)測(cè)方法及精度要求如表1所示。

表1 基坑變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置一

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置二

圖6 設(shè)備布置

為準(zhǔn)確分析并預(yù)測(cè)基坑后續(xù)施工的安全影響，本次計(jì)算根據(jù)錦城廣成換乘中心大型車站基坑開挖運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D對(duì)此基坑開挖過程、鋼管斜支撐施工、進(jìn)行模擬。采用平面應(yīng)變假設(shè)的二維數(shù)值模擬分析所需時(shí)間少、對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求小、可在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)多種施工方法、施工工序、施工速度、支護(hù)參數(shù)、支護(hù)時(shí)間以及結(jié)構(gòu)的安全性等合理高效優(yōu)點(diǎn)。土體采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)。該土體本構(gòu)可模擬初次加載—卸載—再加載之間的剛度差別(圖7)。

圖7 綜合換乘車站群建模

建設(shè)場(chǎng)地表層為第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)，其下為全新統(tǒng)沖積(Q4al)黏土、粉土，在下面為沖積(Q3fgl+al)砂土及卵石土，下伏基巖為白堊系灌口組(K2g)泥巖。計(jì)算模型地層土體物理力學(xué)參數(shù)選取見表2。數(shù)值模擬中，結(jié)構(gòu)體系與地層參數(shù)選取根據(jù)錦城廣場(chǎng)綜合換乘服務(wù)中心的詳細(xì)勘察階段巖土工程勘察設(shè)計(jì)參數(shù)建議值，計(jì)算模型結(jié)構(gòu)體系物理力學(xué)參數(shù)選取見表3。

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)體系物理力學(xué)參數(shù)

錦城廣場(chǎng)綜合換乘服務(wù)中心三角換乘區(qū)域施工過程中，土體開挖會(huì)造成18號(hào)線既有車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的側(cè)移變形。三角區(qū)從北向南開挖土方時(shí)，18號(hào)線既有車站結(jié)構(gòu)水平變形集中區(qū)域逐漸從29號(hào)線區(qū)域擴(kuò)展到三角區(qū)域，主要位于基坑開挖位置上方。無斜向鋼支撐情況下既有車站結(jié)構(gòu)變形集中區(qū)域擴(kuò)展速度越大，且分布的范圍較廣，風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域較多。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理，獲得整個(gè)過程既有車站的水平變形和豎向變形總量如表4所示。通過計(jì)算得到既有車站豎向變形和水平變形主要分布特征如圖8、圖9所示。

圖8 既有18號(hào)線的豎向變形計(jì)算結(jié)果

圖9 既有18號(hào)線的水平變形計(jì)算結(jié)果

表4 18號(hào)線既有車站結(jié)構(gòu)最大水平和豎向變形總量 單位：mm

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為了分析基坑開挖會(huì)造成18號(hào)線既有車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向沉降和水平位移，對(duì)基坑測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試軟件顯示如圖10、圖11所示。通過對(duì)不間斷連續(xù)監(jiān)測(cè)變形，分析基坑開挖的安全性(表5)。 由表5可知：微波雷達(dá)和圖像視覺測(cè)試點(diǎn)，最大沉降和最大水平位移測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值未超過安全預(yù)警值(6 mm)，同時(shí)與理論計(jì)算值基本一致，表明基坑在外部作用下結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)微波雷達(dá)變形測(cè)試

圖11 現(xiàn)場(chǎng)圖像視覺變形測(cè)試

表5 18號(hào)線既有車站結(jié)構(gòu)最大水平和豎向變形總量 單位：mm

4 結(jié)論

本工程監(jiān)測(cè)體系采用微波雷達(dá)儀和圖像視覺測(cè)量為主要測(cè)量設(shè)備，配備相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、通信設(shè)備組成地面測(cè)量網(wǎng)，測(cè)量的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程云服務(wù)器，使用電腦即可任意地點(diǎn)、時(shí)間查看數(shù)據(jù)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從調(diào)式安裝運(yùn)行，并以該時(shí)刻各變形點(diǎn)的觀測(cè)值為初始值，全天 24 h無人值守、實(shí)時(shí)同步地獲取了大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本監(jiān)測(cè)體系實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)近接大型基坑施工中既有車站連續(xù)變形監(jiān)測(cè)及預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)物的超高精度非接觸式實(shí)時(shí)測(cè)量。該系統(tǒng)同樣適用于大型工程項(xiàng)目，尤其是難以采用接觸式監(jiān)測(cè)的工程中。