基于測量機器人的深基坑維護結構側向變形監測研究

景海軍

(中鐵十八局集團第二工程有限公司,河北 唐山 064000)

軟土深基坑施工時,常會對周圍建筑物造成很大影響,導致其不均勻沉降甚至開裂,影響正常使用,給基坑圍護結構設計和施工帶來很大困難。由于受到場地的限制,基坑外沒有足夠的開挖空間用于放坡[1],傳統的基坑施工技術難以適應日益嚴格的基坑周邊環境要求。與傳統的測量方法相比,深基坑墻體結構的動態控制費時費力、效率低下,因此,使用測量機器人進行動態、高效、高精度的控制變得尤為重要。測量機器人已成功應用于高鐵、大壩等工程測量和監測領域,并可以實現對活躍地鐵隧道的自動監測,具有優良的測量條件和開闊的視野。通過軟件,獨立式全站儀可以實現測量機器人的功能。在相對惡劣的環境下,可開發一些監測軟件并將其應用到自動監測機器人中,但在深基坑測量中,這類機器人暫時不能進行精準測量[2]。有研究通過FLAC3D構建基坑降水開挖模型,分析圍護解耦股變形程度和基坑位移變化情況[3];還有研究結合DGM(1,1)變權模型和緩沖算子,利用工程所得的監測數據,建立變權離散灰色模型,并對不同的擬合進行開挖精準預測[4]。但是這兩種監控方法未考慮基坑的復雜性,監測結果與實際情況相差較大[5-6]?？紤]到大地機器人在監測方面的優勢,本文在大地機器人作為附加監測工具的基礎上,提出一種開挖圍欄變形監測系統。

1 工程概況

以某城市地鐵線路為例,該線路位于一條主干線和公交車站的交匯處,公交車站位于某公園規劃的中心區域,南北走向?？拷罔F隧道的公交車站位于道路中心區域,且呈從東向西排列。深基坑示意圖見圖1。

圖1 深基坑示意圖

由圖1可知,該深基坑由6道混凝土層組成,圍護結構采用厚1.5 m、深45 m的連續墻作為支撐,其中有1道混凝土支撐層和4道混凝土支撐層,支撐面積分別為1000 mm×800 mm、1500 mm×1200 mm。第五道混凝土支撐層為鋼管撐,其支撐面積為800 mm×20 mm;混凝土支撐層的第2、3、6道混凝土支撐層中裝有鋼管撐,其支撐面積均為600 mm×15 mm。

2 深基坑圍護結構側向變形的機器人監控方案

2.1 測點布置及精度要求

深基坑監控項目及監控位置布置如表1所示。由表1可知,如監控點與施工方位相同,可同時埋設或借用;如在不同位置,各處分別埋設[7]。

表1 深基坑監控項目及機器人監控位置布置

2.2 基于測量機器人的檢測系統構成

基于地球機器人的隧道圍欄自動監控系統硬件部分包括自動全站儀、1～2 m長的通信電纜(帶藍牙設備的全站儀可使用藍牙通信)和控制器(筆記本電腦、PDA、智能手機等)。系統軟件是整個系統的核心。其中,數據采集部分包括儀器初始化、點學習、觀測點組設置、測量公差等參數設置、自動測量等功能;數據管理采用數據庫管理,自動生成亂碼報告,并以圖形方式顯示位移曲線及每個監控點等[8-9]。

2.3 監測系統軟件

相比菜單界面,按鍵界面更一目了然,測量、定向、數據采集、數據分析、頁面切換等主要監控功能都在主界面,可觸摸。有一個額外的界面使用屬性頁來響應命令,數據處理的結果顯示在圖形和文本報告中。電腦與全站儀通過RS232串口連接,目前電腦也可使用USB接口。

2.4 監控內容及方法

通過機器人監測方法模擬的深基坑復雜環境,可將模擬數據以數字形式呈現,由此監控側向樁頂水平位移和地表沉降深度。

1)側向樁頂水平位移監控?；A開挖深度2倍以上,設置機器人觀測站、觀察墩或專門觀察標志。根據基坑周圍環境,現場布置3～4個工作基準,由測繪院提供的2～3個GPS點組成水平位移基準網絡。用高精度全站儀進行測量,測量角度誤差1″,測距精度2 mm+2 ppm[10]。利用下式可估計相鄰點的導線中值誤差:

(1)

(2)

結合式(2)確定相鄰節點間的相對位置誤差,選擇全站儀表測量方式,對側向樁頂水平位移監控[11]。

2)地表沉降深度監測。根據基坑周圍環境,首先設置監控點;然后鋪兩層水平網(從第一個控制點開始),觀察每個沉降點的高度;最后設定監測“四定”要求,分別是平臺固定、設備固定、人員固定和位置固定,通過鋪設控制線路,確定每種設備位置,并使用紅色涂料作標記。地面沉降觀測點示意圖見圖2。

圖2 地表沉降觀測點埋設示意圖

由圖2可知,建筑影響區以外相對穩定的區域設置基準點,基坑應至少布設3個機器人監測基準點,并深埋設點,且易于從基準點引導到監控點。

3 監測網的布置

3.1 變形監測點的設置和保護

根據工程開挖監測過程要求,所選的檢測點一般在等高線頂部及開挖的墻角上。將所檢測的設備安裝在所選的控制點上,可用于全站儀器自動瞄準及策略標志,出于經濟因素,所使用的儀器通常為小棱鏡L。監測點間距通常為10～20 m,各點深度方向相鄰點之間的距離為1.5～2.0 m。圖3中的D2-1、D2-2、D2-3、D2-4為第二節的4段。觀察點安裝在底座上時,可用專用螺絲固定,底座四周有螺紋,也可加保護蓋。測量棱鏡后,用保護罩蓋住,以保護螺絲不受損壞。例如,在已建成的建筑物或構筑物上,它們通常位于3～5之間,形成一個角網格。監測點還要用測量棱鏡進一步設置,常用標準圓棱鏡。

圖3 基準點和監測點分布圖

3.2 測站點的設置

測站點通常選在通視條件好、受施工干擾小的區域,如圖2中的S1、Si位置。由于平臺設計的限制,如果全站儀可以與每個觀察棱鏡進行通信,那么全站儀每次安裝時不會完全在同一個地方,則不需要匹配點、三腳架用于設置儀器。

4 監控結果與分析

4.1 樁體水平位移分析

對地鐵車站的基坑斷面進行了研究,并布置了兩個測量孔(C1、D2)。D2測量孔因施工原因,下測點被遮擋,監測數據無法獲取。西面的監測數據較完整,故選擇西面的C1測點。深基坑圍護結構側向變形中樁身水平位移監測是安全監控的主要內容,也是確定施工安全的重要指標。深基坑關鍵施工段中C1處樁體在不同施工周期下的水平位移變化情況見表2。

表2 樁體水平位移變化情況

從表2可知,施工周期為1 d時,在突發性卸載過程中,基坑土體呈現向基坑內發展,各點水平位移增加。由于樁頂位移較大,施加第一層鋼支撐后很難恢復。單支或多支護結構在進行土方開挖時,會產生單一支承結構變形,基礎開挖和鋼支撐的應用使圍護樁側向移動,圍護樁的位移有增大的趨勢。當開挖施工周期為10 d時,施加第二次鋼支護后,樁開始向坑中水平位移最大的部位下移。當施工周期為10～95 d,由于開挖面長時間暴露,導致樁身區段的樁體向坑內發展的水平位移明顯增大。施工周期為95～220 d時,加上第一層鋼支撐和圍護樁的協同作用,樁頂的水平位移變化逐漸趨于穩定。

根據不同施工周期下的C1處樁體水平位移變化規律,分別使用三種監測方法,對比分析樁體水平位移變化情況,結果見圖4。

圖4 三種方法樁體水平位移變化情況對比分析

由圖4可知,使用基于流固耦合效應的監控方法在1～5 d施工周期內與實際水平位移變化相差較小,其中施工周期為5 d時,水平變化位移相差最大,為1 mm;在5～35 d施工周期內與實際水平位移變化相差較大,其中施工周期為5 d時相差最大,為4 mm;在35～70 d施工周期內水平位移變化逐漸與實際情況相符,其中施工周期為70 d時相差最小,為2 mm;在70～220 d施工周期內水平位移變化逐漸趨于平穩,但與實際數據不一致。

使用基于粒子群優化的監控方法,在1～35 d施工周期內與實際水平位移變化相差較小,在35～70 d施工周期內與實際水平位移變化相差較大,最大相差3.5 mm;在70～220 d施工周期內水平位移變化逐漸趨于平穩,但與實際數據不一致。

通過上述分析結果可知,使用基于機器人監測系統軟件數值模擬的監控方法,監控樁體水平位移的結果是精準的。

4.2 深基坑地表沉降分析

由于深基坑圍護結構西側地表的測點遭到破壞,因此主要研究基坑東側的地表土體的豎向沉降數據。深基坑地表在不同施工周期下的沉降變化情況如表3所示。

表3 深基坑地表沉降深度/mm

從表3可知,施工周期為1 d時,沉降形狀類似于勺形,沉降量不大。施工周期為5～20 d時,加了第一道鋼支撐,由于土方不斷開挖,此時地表點的位移沉降量逐漸增加,施工周期為35 d時,地表的豎向沉降開始增大。施工周期為70～95 d時,由于土方不斷開挖,地表點的位移沉降量逐漸增加。施工周期為150～220 d時,隨著監測點與基坑距離不斷增加,沉降量趨于穩定。

基于不同施工周期下的深基坑地表沉降深度,分別使用三種監測方法,對比分析深基坑地表沉降深度變化情況,對比結果見圖5。

圖5 深基坑地表沉降深度變化情況對比分析

由圖5可知,使用基于流固耦合效應的監控方法,在1～35 d施工周期內與實際水平位移變化情況相差較小,在35～220 d施工周期內與實際水平位移變化情況相差較大,最大相差5 mm;使用基于粒子群優化的監控方法,在1～5 d、20～95 d施工周期內與實際水平位移變化情況相差較小,其余周期內與實際水平位移變化情況相差較大,最大相差3 mm;使用基于機器人監測系統軟件數值模擬的監控方法,在施工周期內與實際數據基本一致,只有在施工周期為20 d時,水平變化位移與實際位移值相差最大,為0.6 mm。

通過上述分析結果可知,使用基于機器人監測系統軟件數值模擬的監控方法,監控深基坑地表沉降深度變化結果是精準的。

5 結束語

采用測量機器人對深基坑圍護結構側向變形的安全監控進行研究,提高了基坑監測的及時性,有利于形成自動化、一體化的監測、分析、反饋和變形預測系統,確保地基數據提供及時、準確、可靠。本研究中的監測系統可以將測量機器人的自動監測應用于工作環境復雜的深基坑自動監控,更好地減小誤差。