激光收敛计原理及工程应用.pdf

激光收敛计原理及工程应用刘玉勇詹显军姚晓明（中铁西南科学研究院有限公司成都６１１７３１）・设备／仪器・摘要针对目前地铁基坑水平位移监测中所采用的主要测试方法进行了现状分析，提出了适用于基坑围护桩变形的快速量测系统，即激光收敛计监测，采用激光收发一体模块量测两个测点间的距离，评价岩土工程围岩结构稳定程度。该监测方法在地铁工程中得到了推广和应用，取得快速、准确的成效，为地铁施工决策提供了可靠的技术支撑。关键词地铁工程激光收敛计水平位移快速量测中图分类号ＴＨ７文献标识码Ｂ———文章编号１００９４５３９（２０１５）增１０３２３０５ＬａｓｅｒＣｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅＭｅｔｅｒＰｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＬｉｕＹｕｙｏｎｇ。ＺｈａｎＸｉａｎｊｕｎ，ＹａｏＸｉａｏｍｉｎｇ（ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ。Ｃｈｅｎｇｄｕ６１１７３１，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｄｏｐｔｅｄｉｎｐｒｅｓｅｎｔｓｕｂｗａｙ，ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｍａｉｎｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｓｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｒａｐｉｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔｒｅｔａｉｎｉｎｇｐｉｌｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｎａｍｅｌｙｔｈｅｌａｓｅｒｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．ＴｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｗｏｐｏｉｎｔｓｉｓｍｅａｓＬｆｆｅｄｗｉｔｈｌａｓｅｒｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｍｏｄｕｌｅ，ａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｓｍａｄｅｆｏｒｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒ－ｉｎｇ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｐｒｏｍｏｔｅｄａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｅｄｉｎｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄａｃｈｉｅｖｅｄｒａｐｉｄａｎｄａｃｃｕｒａｔｅ—ｒｅｓｕｉｔ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓａｒｅｌｉａｂｌｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｔｈｅｓｕｂｗａｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｓｕｂｗａｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｌａｓｅｒｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｍｅｔｅｒ；ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ；ｒａｐｉｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ１引言近年来，轨道交通建设规模空前，而轨道交通的车站或部分区间以明挖工法为主，利用大量的围护桩作为基坑支护结构之一，在施工过程中，围护桩变形监测是基坑安全的重要手段，目前轨道交通基坑围护桩变形监测主要用测斜仪量测桩体相对于桩底的相对位移变形、用全站仪量测桩顶的绝对位移变形和用机械式收敛计来量测桩顶问的相对位移变形。（１）利用测斜仪量测是基于桩底不动的假设原理来实现的，严格来说，不能完全反应桩体的变形，加之测试误差较大。—收稿日期：２０１５０２一１２基金项目：成都市金牛区科技创新种子资金项目（基坑围护桩变形快速量测系统研究）（２０１３－Ｙ００８．ＫＪ００１）（２）利用全站仪量测是基于基点（不动点），采用视准线法或小角度法来量测的，但是往往现场受各种因素影响基准点绝对不动也不可能，若基点选在过远地方，测试视线就受影响。所以要想精确的测出变形有很多困难。（３）机械式收敛计，即钢尺、张紧设备、百分表是传统的仪器，其测试原理是以张紧的钢尺、重锤、弹簧作为传递位移的媒介，用百分表作为位移的读数装置。这不可避免地带来了２种缺陷，其一钢尺的温度误差大而随着净空加大而线形增加，现场虽然做了温度修正但效果不佳；其次由于钢尺作量测时干扰正常施工和影响量测人员安全。从以上目前行业测试现状分析，真正能直接反映基坑变形的物理量就是桩顶水平位移（收敛），即基坑两边桩顶点的水平位移。大家都急切有一种铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５ｌ增１）３２３万方数据万方数据・设备／仪器・３工程应用３．１情况介绍（１）根据中铁隧道局科研所的监测数据（在１１月１ｌＥｔ之前）：由基坑本身的变形监测来看，北“”端西侧Ｚ２６桩体发生踢脚变形异常现象，北端东侧Ｙ２０桩体未发生变形异常，相隔２５ｍ左右的南端ｚ８和Ｙ６号桩基本无变化；由基坑周边环境的变形监测来看，北端西侧Ｚ２６桩处的地表下沉点最大有１６．８２ｍｍ的沉降和基坑西侧Ｊ他＃号楼紧邻基坑处最大沉降有１０．１５ｍｍ。当时基坑大变形处开挖至地面以下１３ｍ处，第一、二、三和四道（临撑）横撑均已施加，基坑内设有集水井，集水井内水已排干，此外Ｚ２６桩体侧基坑壁有渗水，第三道支撑位置有喷混凝土表面有裂纹产生，未见明显发展。（２）基坑的测试项目有地表沉降、桩顶水平位移（全站仪）、桩体水平位移（测斜）和建筑物沉降。为了进行监测数据对比和分析，在１１月１１Ｅｌ之后（未开挖状态下，１１月１１Ｅｔ至１１月１８Ｅｔ），增加了基坑收敛测点，并采用激光位移计的方法进行监测。测试项目有桩体水平位移（测斜）、桩顶水平位移（收敛）和坑底水平位移（收敛），测点布置见图４。图４Ｚ２６和Ｙ２０号桩处基坑收敛平面图３．２监测数据对比分析３．２．１１１月１１日之前根据中铁隧道局科研所提供数据，中铁西南院进行数据图形处理，形成桩体水平位移曲线图（１１月１１Ｅｔ之前）。（１）北端Ｚ２６和Ｙ２０号桩体水平位移（见图５）桩体水平位移变化情况表明，在１０月３０日桩体水平位移发生突变，以后持续增大，１１月１１日Ｚ２６桩体地面下１６．５ｍ处向基坑内位移１０４．１８ｍｍ，钐｝道建笥技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＹ２０桩体地面下１６．０ｍ处向基坑内位移３８．１２ｍｍ；Ｚ２６桩顶向基坑外侧变形２３．５６ｍｍ，Ｙ２０桩顶向基坑外侧变形６．５５ｍｍ。（２）南端Ｚ８和Ｙ６号桩体水平位移（见图６）习‘三。－４．。０｝－６．。０罢：冀…田位移／ｍｍ重量曼萎墨星暑寻昌。寻｛Ⅲｏ深度／ｍ深度／ｍａ．Ｚ２６号桩ｂ．Ｙ２０号桩图５Ｚ２６和Ｙ２０号桩体水平位移曲线（１１月１１日之前彰专Ｉｌｌ；苌慝，ｎ１ａＺ８号桩ｂ．Ｙ６号桩图６ｚＢ和Ｙ６号桩体水平位移曲线（１１月１１日之前）从测试数据曲线表明基本无变化。（３）支撑轴力测试情况从第四道撑轴力测试情况来看目前无明显变化，稳定在６００ｋＮ左右。３．２．２１１月１１日之后（Ｉ）桩体水平位移（测斜）从测试情况表明，Ｚ２６号桩底向基坑内侧８ｄ累计变化８．７９ｍｍ，Ｙ２６号桩底向基坑内侧８ｄ累计变化１．９２ｍｍ（见图７）。２０１５Ｉ增１）３２５ⅢⅢ州州＝手圳划蛳州州州圳川ｍ州小万方数据・设备／仪器・深度／ｍａ．Ｚ６号桩圈制／日期２０ｉ２／１１／１３（１０：００：００）２０１卫Ｉ１／１４（９：００：００１２０１２一】Ｉ一１舢１６：０ｔ／：０（Ｉ２０Ｉ２一ｌＩ一】５（９：００：００）２０Ｉ—２１ｌ一１５（２０：００：００２０１２－１１一Ｉ酎１０００：００２０１２－１“１一ｊ１７：３０：００２０１—２－１１１７ｒ１０：００：００２０１２－１—１１７ｒ１７：３０：０（Ｉ２０１２一】ｌ一１８¨０：００：００∥◆震薷落｛７一隧ｊ攥毯蠡｜｜薹薹茎薹薹薹薹薹图７２２６和Ｙ２０号桩体水平位移”曲线（月１１Ｅｌ之后）（２）基坑收敛测试＠ＳＷｌ断面ＳＷｌ号断面的收敛测试趋势见图８。—ＳＷｌ１位于桩顶，８ｄ累计变化一０．４７ｍｍ；—ＳＷｌ２位于坑底１２ｍ护壁上，８ｄ累计变化２．１５ｍｍ（见图８）。图例——－－ｏ－ＳＷｌ１＋ＳＷｌ２卜∞“∞∞∞ｏ．ｎＮ．＾ｎ｜ｎ∞∞ＮＨＨｖ、穹ｏ●’●ｏ穹叶ｑ、。。、冀ｔ啦１电ｏ—“ｏ一一一一ｔ＇ｑＮ一一＿＿一—．寸Ｎｎｑ’∞’’’’．ｎｒ、。。７口Ｃ………ｒ………、………＿………、ＮＮＮＮＮＮｔ＇ｑＮｒｑｆｏｏｏｏｏｏｏｏｏＣｃ－ｑＮＮｔ－ｑｔ＇－ｑＮｆｘｌｃ－ｑＮｆ图９ＳＷ２号断面收敛测试趋势—ＳＷ２１位于桩顶，８ｄ累计变化０．３２ｍｍ；ＳＷ２－２位于坑底１２ｍ护壁上，８ｄ累计变化３．７０—ｍｍ；ＳＷ２３ＳＷ３．１位于桩顶，８ｄ累计变化一０．３３—ｍｍ；ＳＷ３３位于坑底１２ｎｌ围檩上，８ｄ累计变化一３．４３ｍｍ。（３）监测数据对比（见表１）表１Ｚ２６桩测试情况桩体水平位移／ｍｍ桩体水平位移／ｍｍ桩Ｎ／ｍ（中铁西南院监测）（中铁隧道局科研所监测）一１—０．０９ｍｍ一０．２３ｍｍ一１２５．２７ｍｉｌｌ５．９０ｍｍ—１６．５８．７９ｍｉｌｌ１４．０６ｌｎｌｎ由表１可以说明，基坑在未开挖状态下有一定的变形，两家单位测试数据所反映的位移变形趋势一致，与中铁西南院另外一项测试内容（基坑收敛）测试数据反映的变形趋势基本吻合，因测试手段的区别，存在一定的误差。３．３结论及建议（１）１１月１１号之前，根据中铁隧道局科研所监测数据分析，就基坑本身变形监测而言，仅有Ｚ２６号桩处桩体测斜数据，据此单项分析，仅能表明该桩体出现了整体位移，发生了异常，同时此项测试所反映的桩顶发生向基坑外侧的位移是与理论分析和现场调查情况不相吻合的。建议监测单位增加支撑轴力和桩顶水平位移（或桩顶收敛）测试项目，以便后续数据对比分析，较为全面的了解基坑变形情况。（２）１１月１１日之后，基坑停止开挖，根据中铁西南院监测数据分析，从基坑本身变形监测来看，桩顶收敛基本未发生变形，坑底１２ＩＴＩ处发生向基坑内侧４ｍｍ左右的变形，与两家单位所进行的桩体测斜测试数据变形趋势一致，表明此处基坑土体位移存在一定的变形。３２６铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５ｌ增１ｌ万方数据・设备／仪器・（３）建议采用人工开挖，及时支护、快速封闭，监测单位加密测试频率，随着开挖的进度，密切关注基坑西侧ＪＴ２＃号楼的沉降，及时分析和反馈，根据监测结果动态调整支护参数和施工工序。４结束语激光收敛计具有利用激光测距原理（无尺）和高精度激光对准装置实现对轨道交通基坑围护桩桩顶水平位移（收敛）参数的快速、精确的量测，且安装快捷、施工干扰少、测试速度快、测试精度高、携带方便等，为基坑的稳定性分析和处置建议提供了技术支撑，工作效率得到了很大的提高，将在后续监测工作中积累更多的经验，供同类工程借鉴。参考文献［１］王建宇．隧道工程监测和信息化设计原理［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９９０．［２］王建宇．隧道工程的技术进步［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００４．［３］刘乾．桩顶水平位移各种监测方法在深基坑施工监测—中的适用性［Ｊ］．工程与建设，２０１２（６）：８４５８４８．［４］中铁西南科学研究院有限公司．基坑围护桩变形快速量测系统研究验收总结报告［Ｒ］．成都：中铁西南科学研究院有限公司，２０１４．（上接第３２２页）３．５铺设密封膜密封膜采用２层聚乙烯薄膜，每个小区的面积约为２６０Ｉｎ×１５０ｍ，根据各预压区实际长度每边各增加３～４Ｉｎ订购密封膜，密封膜在工厂热合一次成型。选择无风或风力较小的时间内铺设，铺膜前先清理干净场地杂物。铺设时将密封膜按纵向摆放在预压区的中轴线上，从一端开始向两边展开，铺好后应在膜上仔细检查有无可见的破裂口，一般破裂口多出现在密封膜接缝处，破裂处应及时用聚乙烯胶水补好。出膜口应留有可收缩富余的密封膜。所有上膜操作人员必须穿软底鞋，以防止刺破密封膜。密封膜铺设好以后，将进行边界的埋设，为了保证密封效果，压膜沟深度至少应挖至不透水不透气层顶面以下０．５Ｉｎ，开挖压膜沟时，沟内排水板不剪断，铺膜后用黏土回填压膜沟。３．６浅层抽真空恒载施工本次加固采用２层密封膜，每１２００Ｉｎ２布置一台真空泵，单台功率不小于７．５ｋＷ。安装好真空泵系统（将水泵、闸阀、截止阀、水箱、出膜口连接好），将自配电箱＿真空泵处漏电开关盒＿真空泵的电路接通后，空载调试真空射流泵，当真空射流泵上真空度达到９６ｋＰａ以上，试抽真空。在膜面上、密封墙处仔细检查有无漏气处，发现后及时补好。试抽气阶段，要求分３批循环开启真空泵，每批开启１／３的泵数量，每批持续时间为５ｄ，试抽气时间不少于１５ｄ，然后开启全部真空泵，实施为期４５ｄ的恒载６０ｋＰａ抽真空软基浅层处理。４经验教训软基浅层处理施工前，场地东侧约２．８万ｍ２区域处理低洼位置，积水较多，淤泥沉积时间不足，在软基施工过程中，由于扰动较大，淤泥与水充分混合形成胶状物，造成堵塞滤管，导致在抽气过程中密封膜下的水难以通过滤管排出，导致浅层处理效果不理想，如图５所示。为解决这一问题，笔者所在项目通过返工进行处理，将密封膜破开，重新插设竖向排水板，绑扎滤管，重新铺设密封膜进行抽气。经实践，返工后解决了问题。５结束语图５滤管被浮泥堵塞吹填施工完成后，经过２０～３０ｄ的排水即可铺设土工布，然后进行人工浅板插设（板长４～５ｍ），铺设水平滤管与排水板头进行连接作为水平排水通道，铺设密封膜安装射流泵进行浅层预压压力不小于６０—ｋＰａ施工，在恒载４５６０ｄ后，可迅速将表层３ｍ的含水率大大降低，并在表层快速形成相对其下流动状态的淤泥或泥浆的壳体，壳体厚度约为０．５ｍ，状态为可塑一软塑，含水率为３５％一４８％。这样就能够满足后期打设排水板机的承载需要，使第二次真空预压的成功率大大提高。铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５Ｉ增１｝３２７万方数据