框架桥下穿顶进法施工对路基路面沉降的物联网自动化监测与应用

李 云

(湖南城建职业技术学院 建筑设备工程系，湖南 湘潭411101)

顶进法施工是借助于顶进设备产生的顶力，克服顶进构件与周围土壤的摩擦力，将构件按设计的要求顶入土中的一种非开挖施工技术[1-2]﹒该方法减少了土方开挖对周围建筑物、构筑物、基础设施设备和环境的影响，但是施工过程中要对附近的建筑物、构筑物、基础设施设备进行严格的监测，发现异常就必须停止施工，分析原因并采取措施[3-4]﹒因此，全程自动化监测及时发现顶进过程对设施造成的破坏成了非常重要的控制手段[5]﹒本文针对郴州市人民东路延伸段下穿京港澳高速公路顶进框架桥工程对京港澳高速公路的路基路面沉降进行了基于物联网自动化的监测应用﹒

1 物联网自动化监测系统

京港澳高速公路交通繁忙，车流量非常大，如果采用常规的水准仪测量方法在框架桥顶进施工过程中对路基路面沉降进行监测，非常容易造成安全事故[6]﹒根据对周围情况的分析，采用我国自主研发的物联网自动化监测系统进行监测[7]﹒该物联网自动化监测系统[8]由传感器(静力水准仪)、太阳能供电系统、无线接收装置、数据采集处理主机等组成﹒物联网自动化监测系统见图1，传感器(静力水准仪)的静力水准原理见图2，本系统的传感器采用的是液压式静力水准仪﹒

图1 物联网自动化监测系统

图2 静力水准原理图

使用徕卡TM 30全站仪采用三角高程法进行监测，通过常规监测手段与自动化数据采集相结合，与三角高程法沉降监测数据进行互相验证，自动化监测系统数据采集界面见图3﹒

图3 自动化监测系统数据采集界面

物联网自动化监测系统适应于全天候和复杂环境下的监测，它能够大大减少人力、物力的投入﹒系统自动测量路基路面沉降量，通过无线网络将数据发送到检测中心，首先，计算各监测点与基准点的液面沉降差，得到该监测点的实际沉降值；然后，将实际沉降值与控制值比较，判断是否超过报警值；最后，将结果作为控制顶进法施工速度的依据，确保安全施工﹒本项目采用传统的水准仪监测就需要4人在现场进行长期监测作业，并且现场作业人员和监测设备处于交通繁忙的京港澳高速公路上，人员和设备极其不安全；采用自动化监测只需要1人进行现场巡查以保证设备的正常运行，人员减少了75%，大大降低了人员的劳动强度和人为误差，提高了工作效率﹒

2 工程项目自动化监测实施

2.1 工程项目概况

郴州市人民东路延伸段项目下穿京港澳高速公路顶进框架桥工程项目位于郴州市人民东路K2+762.49处，与京港澳高速公路交叉(公路桩号K1787+120)﹒该交叉节点采用预制顶进框架桥下穿京港澳高速公路的设计方案，是郴州市人民东路延伸段建设工程的重要节点工程﹒框架桥段长74m，为减少施工对高速公路的影响，其中高速公路路基下58.0 m 长范围采用预制顶进施工，两侧出入口各8.0 m 长范围采用现浇施工﹒洞口采用一字形挡墙﹒左、右幅框架结构均为单箱单室布置，净宽分别为13.0 和8.75 m，净高均为7.5 m；顶、底板厚均为1.0 m，侧墙厚均为0.9 m﹒立交范围高速公路为高边坡路基段，路面高程约228 m，高速公路路基顶宽约27 m，双向6 车道﹒西侧现状地面高程约212m；东侧现状地面高程约214 m，东侧场地基本位于X091立交设计用地范围，整体地形起伏较小﹒项目地理位置见图4﹒

图4 项目地地理位置

京港澳高速公路沉降监测的目的是及时反馈信息，检验设计、施工的合理性，优化设计方案，指导施工组织，为信息化施工、动态设计提供基础数据，使施工方根据实际情况和状态参数不断修正原先确定的各施工阶段的理想状态，使施工状态始终处于控制范围之内﹒本工程项目按照规范要求结合现场情况，设置8个基准点(编号为BM 1、BM 2、BM 11、BM 12、BM 17～BM 20)，4个工作基点(编号为BM 13～BM 16)，以保证在整个观测过程中稳定、可靠，且有检核条件﹒在京港澳高速公路上跨青年大道的桥梁的两侧桥台上各埋设1个基准点，分别为BM 1和BM 2，然后顺着X091道路向框架桥下穿高速路的两侧布设水准点，分别为BM 11～BM 16﹒其中BM 11～BM 12作为基准点埋设于距离较远地质稳定的区域；BM 13～BM 16为工作基点，埋设靠近顶进区域且受影响较小的区域﹒BM 17～BM 20作为框架桥沉降和钢盾构框架沉降监测基准点布设在顶推台背后稳定区域，同时在硬路肩、车道分割线和中央分隔带分别布设监测断面﹒高速公路路基路面沉降监测点(部分和路面水平位移监测点共点)共设置了24 个，其布置见图5﹒

图5 高速公路监测点布置

在该项目施工影响区域内和京港澳高速公路中间隔离带处共布设了4个自动化沉降监测点CJ11～CJ14，见图5﹒为了监测人员、仪器设备的安全以及不影响京港澳高速公路的正常运行，沉降监测点CJ11～CJ14 无法使用水准测量的方法进行监测，其中CJ11和CJ12为自动化检测的基准点﹒把4个静力水准仪布设在高速公路中间隔离带监测点CJ11～CJ14旁；另外在中间隔离带和框架桥外侧边线往南方向约20 m 处设置一静力水准仪作为整个自动化监测系统的基准点[9]﹒在高程较低处砌筑混凝土墩，使各静力水准仪基本处于同一高程﹒

2.3 沉降基准点的联测与稳定性检验

将沉降基准点布设成环型闭合线路，按水准测量法与各监测点进行联测﹒按照《工程测量规范》[10]二等垂直位移监测基准网技术要求(见表1)，仪器使用电子水准仪(标称精度0.3 mm/km)﹒

表1 垂直位移监测基准网主要技术要求 mm

2.4 沉降监测点的埋设

监测点分为2种模式布设，第1种模式是在禁止车辆通行的封闭施工路面，与位移监测点同点，一端为光滑圆头作为立尺点，见图6；第2种模式是在正常通车路面，使用道钉作为标志物，在道钉顶部刻槽后贴上反光片作为监测点，通过测量其高程来计算沉降量﹒

图6 高速公路路基路面沉降监测点(路肩与中间隔离带处)

2.5 路基路面沉降监测方法

沉降监测使用拓普康DL501 电子水准仪，配合铟钢条码尺或玻璃钢条码尺进行水准测量，需分别在高速路两侧将水准线路布设成环型闭合线路：从BM 13起，经过BM 14、BM 15及各监测点后闭合于BM 13﹒水准仪观测限差精度等级要求满足《建筑变形测量规范》(JGJ8-2016)[11]中二等沉降观测等级，水准仪观测限差见表2，其中环线闭合差限差1.0n(n为环线总测站数，单位mm)﹒观测条件受限时，可采用最短符合/闭合水准线路支点法观测[12]﹒

2.6 监测频率

监测周期为从框架桥顶进开始前1周至框架桥顶进完成后框架桥及高速公路各监测项数据稳定﹒依据设计要求、现场施工进度及监测情况，确定监测频率，见表3﹒

表2 数字水准仪观测限差mm

表3 高速公路路基路面沉降监测频率 次/天

3 路基路面沉降监测数据分析

3.1 自动化监测数据分析

自动化沉降监测点CJ11～CJ14 在监测周期内共读取了244 次数据﹒通过对监测数据分析，得到了监测周期内监测数据的变化，见表4﹒

路基路面累计沉降时程见图7﹒图7表明：

1)沉降监测点CJ11 累计变化量在2018-04-11达到﹣1 1.8 7 mm/d.

表4 自动化监测数据变化统计分析

图7 高速公路路基路面累计沉降时程

2)沉降监测点CJ12 累计变化量在2018-01-13，2018-01-30和2018-04-05 分别达到了-11.30，-11.74和-10.49mm/d﹒

3)沉降监测点CJ13 累计变化量在2018-01-06达到-10.52mm/d﹒

4)沉降监测点CJ14 累计变化量在2018-01-06日达到-11.23mm/d﹒

以上监测点累计变化量当天均超出控制值10 mm，超过报警值和控制值，已经报警﹒且在之后的施工过程中仍有部分点累计变化量超出控制值10mm/d，均及时向业主发出了书面报警﹒

3.2 水准仪监测数据分析

为了检验物联网自动化监测系统的监测结果的准确性，对沉降监测点CJ11～CJ14在监测周期进行了51次水准仪测量，在监测过程中耗费了4人17 d的时间和1.48万元的防护设施费﹒通过对水准仪测量的数据进行统计分析，结果见表5﹒

表5 水准仪监测数据统计分析

表5数据表明：

1)监测点CJ13没有出现报警状态，与自动化监测的结果不一致﹒通过分析原因，发现是因为水准仪测量过程中存在人为读数失误导致的﹒

2)监测点CJ11，CJ12和CJ14虽然与自动化监测的结果一致，出现了报警状态，但是监测点CJ11和CJ12的监测数据值比自动化监测低，分别存在误差-10.58%和-3.60%，监测点CJ14的监测数据值比自动化监测高，存在误差4.76%﹒

4 结论

1)该物联网自动化监测系统在整个框架桥下穿京港澳高速公路顶进施工过程中对高速公路路基路面沉降进行了全过程监测，是一种行之有效的科学监测手段和方法﹒其与传统的水准仪测量相较能够有效减少人力75%，大大降低了成本﹒

2)该物联网自动化监测系统监测比水准仪监测精度与准确性至少提高了3.6%﹒其为京港澳高速公路施工影响区域的安全以及施工期间京港澳高速公路的正常运行提供了有力的保障﹒