一种深基坑开挖对地铁竖向变形影响监测装置及方法

摘要

一种深基坑开挖对地铁竖向变形影响监测装置及方法，属于岩土工程及地下空间工程现场监测技术领域，包括监测杆件、观测棱镜、防倾同心支架、防护套筒、填充砂、混凝土基座，所述监测杆件之间经相连杆件的螺纹端头与空心头端相连，连接后的监测杆件顶部与观测棱镜相连，其底部与混凝土基座相连，连接后的监测杆件外部设有防护套筒，所述监测杆件与防护套筒之间填充有填充砂。本发明通过结合深基坑开挖过程中坑内深层土体的竖向位移和地铁隧道的竖向位移，通过动态监测及时评估深基坑开挖对地铁运营的安全性并预警，从而得出深基坑开挖过程中，地铁隧道、基坑内及基坑周边的土层变形规律，为近地铁深基坑的开挖提供决策依据。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程及地下空间工程现场监测技术领域，具体涉及一种深基坑开挖对地铁竖向变形影响监测装置及方法。

背景技术

目前全国范围内城市轨道交通蓬勃发展，已建成运营及在建的城市地铁交通对区域经济发展起到了巨大的推动作用。而地铁的建设多穿越城市繁华区域，带动了地铁沿线的住宅、商业、市政等工程建设，形成了地铁沿线独特的经济发展圈。地铁沿线的相关建设不可避免的产生大量的深基坑开挖工程，而深基坑的开挖可导致已建成的地铁隧道产生竖向隆起变形、侧向变形，尤其是近深基坑的地铁，这对地铁的日常安全运行产生巨大威胁。

现有的深基坑监测因规范及政策要求，多关注深基坑侧壁的水平变形和基坑外一定范围的竖向位移，而对深基坑开挖过程中坑内、坑外一定深度土层的竖向隆起关注较少。

发明内容

基于上述技术背景，本发明提出一种深基坑开挖对地铁竖向变形影响监测装置及方法，通过结合深基坑开挖过程中坑内深层土体的竖向位移和地铁隧道的竖向位移，通过动态监测及时评估深基坑开挖对地铁运营的安全性并预警，从而得出深基坑开挖过程中，地铁隧道、基坑内及基坑周边的土层变形规律，为近地铁深基坑的开挖提供决策依据。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种深基坑开挖对地铁竖向变形影响监测装置，包括监测杆件、观测棱镜、防倾同心支架、防护套筒、填充砂、混凝土基座，所述监测杆件的一端设有向外突出的螺纹端头，另一端设有向内凹陷的空心头端，监测杆件之间经相连杆件的螺纹端头与空心头端相连，连接后的监测杆件顶部与观测棱镜相连，其底部与混凝土基座相连，连接后的监测杆件外部设有防护套筒，所述监测杆件经防倾同心支架与防护套筒支撑相连，所述监测杆件与防护套筒之间填充有填充砂。

进一步地，所述空心头端长度大于螺纹端头长度。

进一步地，所述观测棱镜上部为棱镜端，底部设有螺纹连接端，所述观测棱镜与监测杆件顶部的空心头端经螺纹连接端相连。

进一步地，所述监测杆件外部的防倾同心支架每隔0.5-2m设置一个。

一种近地铁深基坑开挖对地铁竖向变形影响监测方法，所述方法为施工支护桩，安装监测装置，每个基坑设置2-4个监测断面，每个断面布置3-5个测点；对应在地铁隧道内，按照基坑平面位置延伸范围内在相应监测断面的延长线与隧道交界处设置监测点，在基坑平面位置延伸范围外，各布置至少一个测点，各监测点水平间距为10m~30m，且偏向隧道一侧布置；地面以上和隧道内分别设置至少3个基准点，1个工作基点，地面上基坑外观测点依靠基准点直接观测，基坑内测点为在基坑边建立观测工作基点，采用三角高程测量仪监测坑内测点的高程变化，隧道内的各测点的高程变化是基于隧道内远离基坑设置的基准点测量各测点的高程变化；基坑开挖前，每个测点测地面杆件观测棱镜高程的初始值H

进一步地，所述地面以上的基准点为距基坑临空面不小于2倍坑深，且不易受外界环境影响、稳定可靠的高程控制点。

进一步地，所述安装监测装置方法为，开挖前在目标测点钻孔到设计基坑深度以下1-2m深度，放置防护套筒，往套筒内灌注少量混凝土砂浆形成基座，在初凝前将组装好的杆件插入到基座内，插入过程中采用同心防倾支架确保杆件与套筒同心；往套筒内均匀灌注定量的粉细砂等填充砂，并每隔0.5-2m设置一个防倾同心支架，直到填充到防护套筒地面以上端口处，将观测棱镜拧到端口螺纹孔，在紧邻监测点布置醒目小红旗，以便开挖过程中扰动测点，随着开挖的进行，每开挖一层土体，可撤掉一段防护套筒和一段监测杆件。

进一步地，所述按照一定频率监测各测点的高程变化中的频率为3次/天~1次/2天。

本发明的优点与效果为：

本发明的监测装置及方法用简单的构件实现了深基坑开挖过程中深层土体竖向位移与邻近地铁隧道隆起的规律监测，以评估城市轨道交通建设与建筑物建设过程中相互影响的问题，提升对深基坑开挖对邻近土体位移场分布的认识，为行业人员提供技术参考。

通过对不同深度基坑、不同位置关系（深基坑与隧道相对位置关系）、开挖时间等多因素的考量监测，关注基坑开挖中的多样性，分析基坑周边土体位移场时空演变的全过程。

本监测方法弥补了传统监测项目量测基坑土体位移在时间和空间方面的不足，将深基坑内外的深层土体位移场与隧道内位移场同时监测，考量的因素更全面，方法更系统。

监测数据有助于提出基于地铁隧道变形控制的近地铁基坑勘察、设计、施工专项技术方案，改变现有设计施工过程中，为规避风险而过度保守造成的成本和时间上的浪费。

附图说明

图1为检测构件结构示意图；

图2为检测构件中的监测杆件结构示意图；

图3为检测构件中的观测棱镜结构示意图；

图4为检测构件中的防倾同心支架结构示意图；

图5为检测构件中的防护套筒结构示意图；

图6为本发明的监测剖面示意图；

图7为开挖过程中的监测剖面示意图；

图8为监测平面示意图；

图9为开挖后监测平面示意图。

图中部件：1为监测杆件、2为观测棱镜、3为防倾同心支架、4为防护套筒、5为填充砂、6为混凝土基座、1-1为螺纹端头、1-2为空心头端、1-3为杆身主体、2-1为棱镜端、2-2为螺纹连接端。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步解释。

如图1-5所示，本发明涉及一种深基坑开挖对地铁竖向变形影响监测装置，构件主要包括监测杆件1、观测棱镜2、防倾同心支架3、防护套筒4、监测杆件1在底部固定混凝土基座6、防护套筒内回填的填充砂5（辅助材料）、标记红旗；本发明同时涉及三角高程测量仪（主测量仪器）和全站仪。

所述监测杆件1为一端螺纹端头1-1、另一端带螺纹空心头端1-2的实心金属杆件，每段杆件的长度Li为1000mm~2500mm，应根据开挖土层进度计划设置。空心头端1-2的长度B大于螺纹端头1-1长度尺寸A1。组装时，最下端的螺纹端头1-1放在最下端，往上依次接入各节杆件并漏出地面不小于0.5m，且螺纹空心端1-2在最上端，将观测棱镜的螺纹连接端2-2拧到监测杆件空心头端1-2处。每段监测杆件1的有效长度为Li，加工完毕后应进行精确测量并对杆件编号，并精确到0.02 mm，要求不高可放宽到0.05mm。棱镜的螺纹长度A2小于监测杆件螺纹空心头1-2的尺寸B。

如图6-9所示，工序为确定深基坑支护形式后，先施工支护桩，在开挖1周前在目标测点钻孔到设计基坑深度以下1-2m深度，放置防护套筒4，往套筒4内灌注少量混凝土砂浆形成基座6，在初凝前将组装好的杆件1插入到基座6内，插入过程中采用同心防倾支架3确保杆件与套筒4同心；往套筒内均匀灌注定量的粉细砂等填充砂5，并每隔0.5-2m设置一个防倾同心支架3，直到填充到防护套筒4地面以上端口处，将观测棱镜拧到端口螺纹孔1-2。在紧邻监测点布置醒目小红旗，以便开挖过程中扰动测点。随着开挖的进行，每开挖一层土体，可撤掉一段防护套筒和一段监测杆件。

每个基坑可设置2-4个监测断面（不少于2个），每个断面布置3-5个测点；对应在地铁隧道内，应按照基坑平面位置延伸范围内在相应监测断面的延长线与隧道交界处设置监测点，同样在基坑平面位置延伸范围外，应各布置至少一个测点。各监测点水平间距宜为10m~30m，且应偏向隧道一侧布置。从而得到深基坑开挖过程中，基坑内外、隧道场空间上竖向位移场变化规律。

地面以上和隧道内应分别设置至少3个基准点，1个工作基点（根据实际情况设置）。对于地面上的基准点，距基坑临空面应不小于2倍坑深，且不易受外界环境影响、稳定可靠的高程控制点；地面上基坑外（基坑与隧道之间）观测点可依靠基准点直接观测，基坑内测点需要在基坑边建立稳定可靠的变形观测工作基点，采用三角高程测量仪监测坑内测点的高程变化。隧道内的各测点的高程变化也是基于隧道内远离基坑设置的基准点测量各测点的高程变化。

基坑开挖前，每个测点应测地面杆件观测棱镜2高程的初始值H

在开挖过程中，应在各个监测点设置醒目标记（如插红旗、设置围栏等），大型设备在挖到监测点附件时，应避免出现较大坡均匀开挖，旁站人员指挥小心开挖，必要时采用人工开挖，以防止对监测点产生扰动。监测过程中应避免工作基点和监测点旁边有大型设备和车辆正在施工作业，以防振动影响监测结果。表1为以A-A监测断面为例坑内测点A监测断面数据记录表。

数据处理示例：

A-A监测断面基坑内第1测点、第一阶段分析：

单次变形值：ΔH1ij=H1ij-H1i（j-1），j≥2（即相邻两次监测高程之差）；

阶段变形累计值：ΔH11=∑ΔH1ij=H1jn- H111+∑Li；

阶段变形速率：ε11=ΔH11/ΔD1=（H1jn-H111+∑Li）/（D1j-D11）；

A监测断面基坑内第1测点、第二阶段分析：

单次变形值：ΔH1ij=H1ij-H1i（j-1），j≥2（即相邻两次监测高程之差）；

阶段变形累计值：ΔH12=∑ΔH1ij= H1gn-H1k1+∑Li；

阶段变形速率：ε12=ΔH22/ΔD2=（H1gn-H1k1+∑Li）/（D2j-D21）；

累计变形值：ΔH1=∑ΔH1i= H1gn-H111+∑Lj；

累计变形速率：ε1=ΔH12/ΔD12=（H1gn-H111+∑Lj）/（D2j-D21）；

A-A监测断面基坑内第1测点、第n阶段分析：

单次变形值：ΔH1ij=H1ij-H1i（j-1），j≥2（即相邻两次监测高程之差）；

阶段变形累计值：ΔH1n=∑ΔH1ij= H1qn-H1p1+∑Li；

阶段变形速率：ε1n=ΔH1n/ΔDn=（H1qn-H1p1+∑Li）/（Dnn-Dn1）；

累计变形值：ΔH1=∑ΔH1i= H1gn-H111+∑Lj；

累计变形速率：ε1=ΔH12/ΔD12=（H1gn-H111+∑Lj）/（Dnn-D11）；

其中：∑Li为各阶段当前测杆以上所有测杆的长度和；

∑Lj为当前测杆以上所有测杆的长度和；

坑外测点、隧道内测点依次按照上述计算方法统计阶段变形值、累计变形值、阶段变形速率、累计变形速率。

各测点的累计变形验证：（阶段）变形累计值可通过（阶段内）相邻两次高程差的求和获得，也可以通过考虑各段杆长的初始与末次高程差获得，两种方法可相互校正。

数据时程曲线与空间分布曲线绘制：根据监测数据，绘制各测点的位移时程变化曲线图，从而掌握所有测点的位移变化趋势及与开挖阶段之间的关系；绘制各测点的变形速率时程图，掌握各测点与开挖阶段的关系；绘制各测点某一阶段某个剖面空间上的位移量分布图，分析基坑开挖对各测点位移场的变化分布规律。

误差分析：本监测方法的误差来源有系统误差与随机误差，系统误差主要来源于测量仪器本身，因仪器设备性能问题而产生的误差，此类误差不能避免也不能消除；随机误差主要包括现场温度、湿度等环境造成的测量误差，同时不同的测量人员也会产生一定的测量误差；本监测方法中，两根相邻杆件拆除过程中产生的高程误差、杆件长度误差等交叉，故拆除杆件时应尽量避免扰动；同时，现场工作的机械设备振动也会对监测数据产生影响；开挖过程中在监测点处应避免产生较大坡面，以防土压力对整体监测杆造成倾斜而产生误差。