基于测量机器人的地铁施工中深基坑变形监测方法

刘宗运

（中国建筑材料工业地质勘查中心江苏总队）

1 引言

目前深基坑变形监测存在监测效率低、易受外部因素干扰、监测精度低等问题，无法满足地铁深基坑施工要求。而测量机器人集成了高精度的测角和测距系统，无论是监测精度还是监测工作效率，都比传统监测方式高，将其应用于地铁深基坑施工作业中对提高施工安全性具有重要意义。

2 工程实例

2.1 工程概况

某地铁基坑施工项目东西长为3500m，南北长为90m～270m，该项目包括A、B、C、D四个区块，其中D区块D1、D2基坑分布于隧道路线中线两侧位置。D2基坑与地铁隧道线之间的距离为170m，基坑最大开挖深度为5m，D2基坑与地铁线距离较远，对地铁建设工程影响较小；D1基坑处于地铁隧道线上方位置，故对地铁隧道建设工程影响较大。为保证地铁建设工作顺利开展，对D1基坑顶部水平位移（JC）、道路沉降监测（DC）、支撑应力监测（ZC）、立柱竖向位移（LZ）、管线沉降监测（1-1）。

该工程采用从上至下的开挖方式，由于受施工空间和地质条件的限制，基坑开挖施工采用分段和分层方法，每段开挖长度不超过30m，分层开发深度不超过2m。详细施工工序如表1所示。

表1 基坑施工工序

2.2 监测点位布设

基准点布设于基坑监测范围50环之外，D1基坑监测区域外两侧共布设8 个基准点；上行线和下行线分别布设8 个基准点。基准点采用大棱镜，利用螺栓将其固定于隧道侧壁，为基准点监测数据准确性，需要定期对基准点进行调整[1]。

基坑监测区域内每隔6m（5环）设置一个监测断面，基坑每个监测断面均布设4个监测点；基坑下行线和上行线分别设置32 个监测断面，监测点数共128 个；基坑水平直径腰点位置设置2 个小棱镜，用于监测基坑水平和竖向位移；基坑底部左右两侧分别设置1个小棱镜，用于监测基坑沉降；立柱沉降和水平位移小棱镜设置20个；支撑应力小棱镜设置63个；管线沉降小棱镜设置15个。

2.3 监测实施

基坑变形监测数据由自动化数据采集系统实现，测量作业采用两台徕卡TM60精密监测机器人，以便于变形监测观测，在基坑混凝土支撑上设置对中观测墩，并安装观测仪器。基坑围护结构变形监测采用滑动式测斜仪进行观测，每个斜侧孔位均安装一台自动测斜仪。基坑坑外水位和支撑轴力采用无线通信传感器收集数据，每个混凝土支撑应力监测断面设置4个钢筋计。本次基坑监测项目传感器较多，为便于收集数据，在基坑四周安装4个数据采集箱[2]。

3 监测数据分析

3.1 基坑水平位移监测分析

基坑顶部水平位移监测曲线分析，随着地铁基坑施工工作的开展，坡顶产生的向内水平位移增大，其中基坑北侧和南侧水平位移呈中轴线两侧水平位移减小，中轴线位置水平位移增大的变化趋势。通过分析北侧和南侧基坑水平位移发现，基坑北侧水平位移大于南侧位移，该情况可能是受施工现场地层分布和施工顺序影响[3]。基坑施工过程中首先从北侧开始施工逐渐向南侧基坑分段移动，因此基坑北侧位移变化时间较早，此外北侧围护结构放置时间较长，因此北侧围护结构位移量更大。基坑北侧位置JC3 监测点水平位移最大，水平位移量为8.9mm，南侧位置JC15监测点水平位移最大，水平位移量为6.4mm，基坑南侧和北侧水平位移量均未超过预警值25mm，位移情况满足施工要求。

基坑东侧和西侧坑顶水平位移情况与南侧和北侧变化基本一致。随着基坑施工工作的开展，东侧和西侧围护结构变形位移量逐渐增大，位移变化直至工序六开展中期阶段位移变化逐渐平稳。由于受地层分布和基坑开挖施工等因素影响，基坑西侧位置位移水平大于东侧位置[4]。基坑西侧坑顶最大水平位移量为JC20 和JC21，水平位移量均为8.2mm；东侧坑顶最大水平位移为JC7，水平位移量为7.1mm，东侧和西侧基坑坑顶最大水平位移量均未超过警戒值25nn，满足基坑施工要求。

3.2 地表沉降监测分析

基坑施工工作开展后，受被动和主动土层压力相互作用的影响，基坑围护结构呈现向基坑内位移的情况，导致基坑周围土体也出现位移，其中基坑北侧和东侧位置沉降变化较大。随着基坑开挖工作的开展，基坑北侧地表沉降变化量大于东侧，由于北侧为施工车辆通行主要道路，受到外部因素影响，基坑北侧沉降变化量较大。从北侧地表沉降变化来看，基坑北侧地表沉降中轴线沉降变化量较大，两侧位移沉降变化较小，呈现抛物线型规律；基坑东侧地表沉降呈现DC6～DC10逐渐减小的变化趋势，东侧地表沉降变化呈现由北向南逐渐减小的趋势。基坑北侧和东侧在施工工序六阶段均逐渐趋于平稳[5]。

3.3 管线变形监测分析

基坑外管线变形监测分析，基坑外围护结构管线监测点4-2位置存在较大位移变化量，位移量逐渐向中轴线两侧位置减小。管线工序四、五、六阶段2-2 监测点管线沉降位移和水平位移曲面呈现抛物线型，中轴线位置管线位移变化量较大，两侧位置位移变化量逐渐减小，该变化情况比较符合基坑沉降管线变形和空间效应形式。

随着基坑开挖施工工作的开展，管线竖向和水平位移变化量逐渐增大，其中工序五阶段管线位移变化量较大，该施工阶段为基坑最后开挖阶段，由于基坑深度较大，支护措施不够完善，在前几阶段基坑开发施工过程中，基坑产生较大位移变化，因此导致管线出现较大位移变化。施工工序三阶段管线竖向变形变化量较大，该阶段基坑开挖施工地层主要为淤泥和填石，开挖施工作业和降水处理措施对周围土地扰动影响较大，因此导致管线监测点3-2、4-2、5-2出现较大的竖向位移变化。从以上监测结果来看，管线竖向和水平位移变化均小于警戒值120mm，但是部分区域管线沉降变化量大于20mm，在基坑开挖施工过程中需要对管线位移变化进行重点监控，避免管线破坏给施工单位带来巨大经济损失。

3.4 支柱变形及支撑应力监测分析

随着基坑开发施工工作的开展，支柱位移变化量逐渐增大，至工序六阶段位移变化逐渐稳定。由于受工序三阶段淤泥和填石岩土层体质影响，工序三阶段基坑竖向位移变化量最大。从图中可以看出，基坑支柱竖向位移变化量较大的监测点为LZ8，位移变化监测量为5.2mm，该变化小于警戒值25mm，满足施工要求。

基坑开挖施工过程中，基坑围护结构逐渐向基坑内位移，该位移变化产生的压应力对基坑支撑造成了挤压，导致基坑内支撑应力处于动态变化状态。表2所示基坑支撑应力监测结果，从表中可以看出，随着基坑开挖施工的开展，基坑支撑轴应力呈现逐渐增大的变化趋势。基坑底板施工阶段，基坑第一层内支撑西北侧位置ZC1-1 支撑应力变化较大，西北侧支柱最大应力变化最大的监测点位ZC1-2，其支撑应力为-10930.60kN。基坑第三层支撑中心位置和东南位置支撑轴应力变化较大，该位置应力变化最大的监测点为ZC8-3，该支撑轴应力为-8808.93kN，基坑中心轴支柱最大应力变化监测点位ZC19-3，该支撑轴应力为-8827.56kN，从以上监测结果来看，所有支撑轴应力变化均小于预警值-13000kn，满足基坑施工要求。

表2 基坑支撑应力监测结果 kN

4 结语

综上所述，本文以某地铁基坑施工工程为例，利用测量机器人对基坑施工过程中引起的管线位移、水平位移、支柱应力和变形、地表沉降在空间与时间上的变化规律进行监测。并与实际工程监测预警值进行对比分析，验证分析结果的合理性。基坑施工过程中，随着开挖作业的开展，基坑支柱应力和基坑变形逐渐增大，在空间上基坑围护结构地表沉降、水平位移、管线位移呈现中轴线位移变形变化量大，两侧位移变化量小的趋势。