鄧 賀 鑫

(中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司, 天津 300350)

隨著基坑天然氣管道的開挖,將會產(chǎn)生相應(yīng)的垂直位移現(xiàn)象,不均勻的垂直位移將會導(dǎo)致地下基坑開裂,造成較為嚴(yán)重的破壞,處于異常變化狀態(tài)的垂直位移在較大程度上暗示著綜合破壞現(xiàn)象的發(fā)展.而垂直位移監(jiān)測主要是利用觀測裝置對基坑中具有代表性的點進行位移量的測量,分析測量的數(shù)據(jù)能夠有效預(yù)測開裂等基坑險情,進而采取一定的措施避免險情的發(fā)生及進一步擴大.目前的研究對于位移點的測量精準(zhǔn)度較低,無法進行同步監(jiān)測操作.

文獻[1]采用B/S結(jié)構(gòu)開發(fā)監(jiān)測平臺,提升整體監(jiān)測的運行效率,綜合管理與分析監(jiān)測數(shù)據(jù),及時預(yù)警風(fēng)險信息,有效監(jiān)測位移潛在風(fēng)險.文獻[2]設(shè)計不同的光線布設(shè)方法監(jiān)測位移數(shù)據(jù),根據(jù)開挖面的雙軸線應(yīng)變進行相應(yīng)的計算,但計算精準(zhǔn)程度較差.由此,傳統(tǒng)方法研究無法同時在較長位移距離的不同位置進行監(jiān)測,同步監(jiān)測效果較差.為此,針對以上問題,本文構(gòu)建出一種新式深基坑鄰近天然氣長輸管道垂直位移監(jiān)測方法.

本文在有效布置監(jiān)測點位置后進行數(shù)據(jù)監(jiān)測處理,提升整體監(jiān)測的效率,精準(zhǔn)獲取相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù),構(gòu)建數(shù)值模擬分析模型,能夠同時進行位移監(jiān)測操作,在不同的基坑環(huán)境下實現(xiàn)有效監(jiān)測,應(yīng)用范圍較廣.

1 工程概況

本文研究區(qū)域主要位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)黃土塬,地形較開闊、平坦,場地內(nèi)高差小于1.0 m,中部和西側(cè)為挖方區(qū),除西側(cè)外其他區(qū)域填土較厚,最大達8.80 m,無斷層構(gòu)造,整體穩(wěn)定性較好,且未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模不良地質(zhì)現(xiàn)象,有利于進行位移監(jiān)測研究.場地內(nèi)黃土層厚度分布不均,馬蘭黃土為自重濕陷性黃土黃土地基濕陷等級為中等級,進出站閥組區(qū)一共設(shè)置4個勘察點及兩個剖面,該區(qū)域局部為填方區(qū),填方深度在5～7 m,地基承載力特征值不小于140 kPa[3-4].管道結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 工程管道結(jié)構(gòu)Figure 1 Engineering pipeline structure

2 深基坑開挖下位移監(jiān)測

2.1 監(jiān)測位置布置

深基坑開挖下鄰近天然氣長輸管道垂直位移主要分為三個不同的層次區(qū)域,在幾何水準(zhǔn)布局系統(tǒng)中分析基坑的具體結(jié)構(gòu),并將結(jié)構(gòu)圖像繪制在監(jiān)測圖中.在靜力水準(zhǔn)布局系統(tǒng)中,按照基坑內(nèi)部管道連接的方向判斷監(jiān)測位置點的確定條件,在不同的水平壓力測量線中分別設(shè)置相應(yīng)的水壓監(jiān)測裝置,時刻監(jiān)測管道周圍的水流狀態(tài).測量不同管道間的高度與相隔距離,將測量的數(shù)據(jù)作為監(jiān)測基準(zhǔn)點存儲在監(jiān)測系統(tǒng)中,通過基準(zhǔn)點對比分析監(jiān)測點的位移數(shù)據(jù),附加處理基坑內(nèi)部埋設(shè)管道的分布范圍[5-6].以監(jiān)測的基坑開挖深度情況為數(shù)據(jù)對比條件,構(gòu)建水準(zhǔn)測線空間,將需進行對比的數(shù)據(jù)收錄至測線空間中,調(diào)配測量準(zhǔn)則,設(shè)置測量準(zhǔn)則參數(shù)方程式:

(1)

其中:s(t)為測量準(zhǔn)則參數(shù);E為開挖深度;Wr為監(jiān)測系統(tǒng)基準(zhǔn)點存儲數(shù)據(jù);r為監(jiān)測點位置確定條件數(shù)值.

根據(jù)測量準(zhǔn)則精準(zhǔn)布置監(jiān)測的區(qū)域,在基坑內(nèi)部縱向廊道中設(shè)置7個監(jiān)測點,控制監(jiān)測點間的距離相同,標(biāo)記監(jiān)測位置,同時完善測線空間[7-8].

2.2 垂直位移監(jiān)測分析

集中分析滲透性較強的基坑周圍的垂直位移數(shù)據(jù),根據(jù)基坑周圍土體的應(yīng)力參數(shù)判斷不同基坑開挖深度對位移距離的影響,將影響參數(shù)錄入位移分析系統(tǒng)中,檢測影響參數(shù)與位移距離之間的關(guān)系,在基坑中心結(jié)構(gòu)處監(jiān)測的位移為28.17 mm,該數(shù)值與分析標(biāo)準(zhǔn)差距較大,需進一步處理位移數(shù)據(jù)收集空間的收集參數(shù),當(dāng)開挖進程與管道鋪設(shè)工程進度不一致時,將會產(chǎn)生較大的位移變化,在具體分析的過程中需管理進度數(shù)據(jù),確保兩者處于大致相同的區(qū)間內(nèi),并構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理方程:

(2)

其中:Rs表示為管理進度參數(shù);fn表示為位移與影響參數(shù)關(guān)系數(shù)值;L表示為監(jiān)測位移數(shù)值;Kl為開挖進度;Ks為管道鋪設(shè)進度.垂直位移監(jiān)測計算過程如圖2所示.

圖2 垂直位移監(jiān)測計算過程Figure 2 Calculation process of vertical displacement monitoring

根據(jù)圖2可知,共布置了7個監(jiān)測點,在垂直地區(qū)設(shè)定角度偏移值,根據(jù)偏移角度得到偏移量,實現(xiàn)監(jiān)測[9-10].

3 天然氣長輸管道異常監(jiān)測數(shù)據(jù)檢測

3.1 天然氣長輸管道異常數(shù)據(jù)定性檢測

在實現(xiàn)位移監(jiān)測后,針對異常監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,根據(jù)深基坑內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)判斷垂直位移監(jiān)測點的變化位置,通過變化位置分析測量數(shù)值的穩(wěn)定性范圍.由于深基坑位于透水性較強的巖層中,當(dāng)巖層傾向于下游時,傾斜角處于固定的數(shù)值區(qū)間內(nèi),分析此時的基坑巖層頂托力,設(shè)置相應(yīng)的水流上升線,控制基坑內(nèi)部水體上升處于可控范圍內(nèi).從深基坑的內(nèi)部靜力水準(zhǔn)測量數(shù)值分析出基坑內(nèi)部存在沉降變形現(xiàn)象,需設(shè)置相應(yīng)的形變控制參數(shù)對該現(xiàn)象加以調(diào)整,構(gòu)建形變控制方程式:

(3)

其中:D為形變控制參數(shù);J為沉降變形數(shù)值;c為形變曲線[11].

按照控制后的深基坑結(jié)構(gòu)進行定性分析處理,調(diào)整管道間的鋪設(shè)距離,由于深基坑的左側(cè)區(qū)域相對較深,在相同的開挖深度截斷面上,管道自然承重力較弱,基坑內(nèi)部壓力增大,管道位移現(xiàn)象較為明顯.通過對比不同開挖深度的位移數(shù)據(jù),推測施工區(qū)域的垂直位移成因,根據(jù)成因進一步分析位移過程中所受的彈性形變程度,減少對基坑的結(jié)構(gòu)破壞,有效完善定性分析研究[12].

3.2 天然氣長輸管道異常數(shù)據(jù)定量檢測

為有效實現(xiàn)異常監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,進行定量分析研究.基坑內(nèi)部混凝土的壓縮量處于8.17～11.26 mm之間,根據(jù)該數(shù)值判斷基坑混凝土狀態(tài)是否處于可監(jiān)測范圍內(nèi),在確定監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)后執(zhí)行定量分析指令[13-14].控制基坑內(nèi)部的混凝土豎直向下應(yīng)變數(shù)值處于平穩(wěn)變化中,管道垂直位移與混凝土變化量趨勢相同,需同步化處理趨勢數(shù)據(jù),構(gòu)建統(tǒng)計模型分析管道位移所受的不同因素的影響程度.充分考慮基坑內(nèi)部巖層受水壓及溫度等因素影響的程度大小,總結(jié)因素影響規(guī)律,將規(guī)律數(shù)值錄入主導(dǎo)因子調(diào)節(jié)系統(tǒng)中.選取基坑監(jiān)測中心點進行管道垂直位移的模型分析操作,構(gòu)建定量分析模型:

(4)

其中:Fr(qr)為定量分析參數(shù);I(l)為基坑內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù);l為模型內(nèi)管道位移距離參數(shù);?為影響程度數(shù)值;lK為應(yīng)變數(shù)值.匹配定量分析的數(shù)值,研究不同影響因素下的管道垂直位移距離,完成定量分析.

4 天然氣長輸管道垂直位移數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值分析模擬

根據(jù)數(shù)據(jù)檢測分析結(jié)果構(gòu)建數(shù)值分析模擬平臺,首先對深基坑開挖階段的管道垂直位移數(shù)據(jù)進行有限元計算分析,其次分析基坑內(nèi)部的穩(wěn)定性參數(shù),進行數(shù)值模擬計算.深基坑開挖下鄰近天然氣長輸管道有限元模型如圖3所示.

圖3 深基坑開挖下天然氣長輸管道支護結(jié)構(gòu)有限元模型Figure 3 Finite element model of supporting structure of natural gas long transmission pipeline under deep foundation pit excavation

為有效減少計算過程中的邊界效應(yīng)影響,通常情況下,數(shù)值分析構(gòu)建的基坑土體模型的截斷面的長度為實際長度的4倍,選用混凝土支撐裝置加固基坑結(jié)構(gòu),固定數(shù)值模擬模型的邊界,將收集的異常與正常監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入數(shù)值模擬系統(tǒng)中等待平臺響應(yīng).分析模擬后的數(shù)據(jù),統(tǒng)一輸出模擬參數(shù),設(shè)置數(shù)據(jù)參數(shù)輸出公式:

(5)

其中:Gw(n)為輸出的參數(shù)數(shù)據(jù);vs為數(shù)值模擬平臺響應(yīng)速率;vd為固定數(shù)值參數(shù);n為輸出數(shù)據(jù)代表量.深基坑開挖下天然氣長輸管道滲流結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4所示.

圖4 深基坑開挖下天然氣長輸管道滲流結(jié)構(gòu)有限元模型Figure 4 Finite element model of seepage structure of long natural gas transmission pipeline under deep foundation pit excavation

根據(jù)計算的模擬數(shù)值分析得出,該研究區(qū)域的地層滲透性較強,管道垂直位移監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠在不同的環(huán)境下實現(xiàn)轉(zhuǎn)換,有效提升數(shù)值模擬的精準(zhǔn)度,為了確保模擬的數(shù)值與實際施工中的數(shù)據(jù)保持一致,在數(shù)值模擬的過程中交替進行開挖操作,調(diào)整施工程序,進一步強化基坑開挖操作,挖掘更深層次的位移數(shù)據(jù),提升數(shù)值模擬分析的可靠性[15].

4.2 基坑滲透和沉降模擬

由于基坑開挖時的土體卸荷將會影響土體水壓平衡,本文根據(jù)模擬的數(shù)值結(jié)果進一步分析基坑滲透程度以及沉降狀態(tài),并進行基坑沉降模擬,確?；觾?nèi)部土體的孔隙水壓處于相同的平衡區(qū)間內(nèi).深基坑在開挖后會生成滲透場,測量此時的矢量數(shù)據(jù),對比滲透場內(nèi)外側(cè)的孔隙水壓,分析得出基坑兩側(cè)的滲透主要呈現(xiàn)為水平方向趨勢,隨基坑開挖深度的不斷加深,滲透的力度逐漸減小,模擬的土體模型邊界與實際開挖邊界一致,能夠有效處理分布在中心區(qū)域的位移數(shù)據(jù).天然氣初始孔隙水壓力云圖如圖5所示.

圖5 天然氣初始孔隙水壓力云圖Figure 5 Cloud diagram of the initial pore water pressure of natural gas

選擇沉降監(jiān)測最大值參數(shù),模擬不同施工狀態(tài)下的基坑環(huán)境,繪制基坑內(nèi)部沉降圖像,分析沉降參數(shù)與設(shè)置的監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的差異,對比分析在滲透作用較強的條件下的沉降位移散點分布范圍,分析可知,滲透條件下的模擬模型沉降數(shù)值大于實際測量的沉降數(shù)值,設(shè)置對比參數(shù)調(diào)整差異數(shù)值,并構(gòu)建參數(shù)調(diào)整公式:

Ta=Tb+Tc-e2

(6)

其中:Ta表示為參數(shù)調(diào)整數(shù)值;Tb表示差異參數(shù);Tc表示為位移散點分布范圍參數(shù).根據(jù)上述調(diào)整參數(shù)完成基坑滲透與沉降模擬研究.

5 實例研究

為驗證本文提出的深基坑開挖下鄰近天然氣長輸管道垂直位移監(jiān)測方法的實際應(yīng)用效果,選用黃土高原丘陵溝壑區(qū)黃土塬長輸管道進行實例研究.該區(qū)域深基坑挖掘共花費3個月,采用的施工方法為明挖順做法施工,在挖掘的過程中啟用監(jiān)測設(shè)備,時刻監(jiān)測施工設(shè)備現(xiàn)場狀況,確定深基坑開挖過程中周邊土體產(chǎn)生的形變參數(shù)和支護結(jié)構(gòu)參數(shù).深基坑開挖施工步驟如下:在基坑挖掘至1.2 m時,引入第一道鋼筋混凝土,支撐基坑周邊結(jié)構(gòu);挖掘至8.0 m,澆筑第二道混凝土;挖掘至15.0m,澆筑第三道混凝土;挖掘至20 m后,進行底板施工.根據(jù)使用管道結(jié)構(gòu)布置監(jiān)控點,如圖6所示.

圖6 管道結(jié)構(gòu)布置監(jiān)控點Figure 6 Monitoring points of pipe structure layout

在布置監(jiān)測位置后,進一步分析監(jiān)測的垂直位移數(shù)據(jù),選擇基坑中靠近西北側(cè)的5個監(jiān)測點作為位移監(jiān)測分析的任務(wù)點,根據(jù)位移的時間變化規(guī)律獲取相應(yīng)的位移距離參數(shù),在位移較大的區(qū)域設(shè)置混凝土支護作為保護裝置,由于基坑北側(cè)的位移距離明顯大于北側(cè)的位移距離,為此,在進行分析的同時需充分考慮不同區(qū)域的地形特征,避免因無關(guān)參數(shù)對整體分析的影響.根據(jù)上述監(jiān)控結(jié)果分析垂直位移如圖7所示.

圖7 垂直位移監(jiān)測結(jié)果Figure 7 Results of vertical displacement monitoring

觀察圖7可知,監(jiān)測點5的垂直位移最低,沉降值最大,由此證明深基坑底部的位置很容易出現(xiàn)超載,支護結(jié)構(gòu)也十分復(fù)雜,對土體兩側(cè)變化會產(chǎn)生影響,監(jiān)測點1的垂直位移量最小,由此證明在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易出現(xiàn)垂直沉降.分析襯砌收斂云圖、豎向位移云圖和形變云圖可知,顯示結(jié)果與監(jiān)控結(jié)果基本一致,因此,本文提出的監(jiān)測方法具有較高的可靠性.

為進一步驗證本文提出的監(jiān)測方法實際應(yīng)用效果,選用本文提出的方法與傳統(tǒng)的基于光纖傳感技術(shù)的樁體位移監(jiān)測方法和基于遙感技術(shù)的管道位移監(jiān)測方法進行實驗對比,得到的結(jié)果如表1所示.

表1 監(jiān)測結(jié)果對比Table 1 Comparison of the monitoring results

根據(jù)表1可知,傳統(tǒng)的光纖傳感技術(shù)和遙感技術(shù)采用的監(jiān)測方法多為“點監(jiān)測”,因此只能根據(jù)天然氣管道局部變化情況進行監(jiān)測,監(jiān)測能力較差,且在監(jiān)測過程中需要安裝多個監(jiān)測點.而本文提出的檢測方法能夠通過“面監(jiān)測”實現(xiàn)區(qū)域分析,監(jiān)測技術(shù)更加先進,應(yīng)用更為廣泛.

6 結(jié) 論

本文深入分析深基坑鄰近天然氣長輸管道垂直位移監(jiān)測方法,并得出如下結(jié)論:

1)本文模擬的數(shù)值結(jié)果數(shù)據(jù)與實際開挖工程測量的數(shù)據(jù)大致相同,能夠在相應(yīng)位移距離的不同位置進行同時監(jiān)測操作,有效提升監(jiān)測效率,避免監(jiān)測數(shù)值差異,較大程度上增強監(jiān)測結(jié)果的可靠性.

2)集中分析不同開挖狀態(tài)下的管道垂直位移情況,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)間的有效流通,控制土體模型提取參數(shù)處于可操作范圍內(nèi),強化監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)值分析能力,提高監(jiān)測安全性.

綜上,本文研究的監(jiān)測效果較佳,但在實際操作的過程中仍存在著一些不足:

1)深基坑沉降的結(jié)果與位移結(jié)果的對比操作需在相同的挖掘場景下同時進行,為此,在后續(xù)操作的過程中需保持挖掘程序的一致,有效確保監(jiān)測的精準(zhǔn)度.

2)在分析的同時充分考慮土體狀態(tài)對監(jiān)測結(jié)果的影響,避免干擾數(shù)據(jù)的侵入.