微波雷達(dá)在基坑變形監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用

李 斌, 鄧樹密, 任 刃

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川成都 610072)

隨著我國(guó)地鐵交通的快速發(fā)展，大型基坑不斷涌現(xiàn)，這對(duì)基坑的安全施工和安全運(yùn)營(yíng)提出了更高要求，特別是對(duì)施工工程中的高精度監(jiān)測(cè)要求更加突出。傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)雖有廣泛的運(yùn)用，但在應(yīng)用中也存在較大的局限性，例如：全站儀工作強(qiáng)度較高，效率低，GPS的測(cè)量精度低，且穩(wěn)定性有待提高 。同時(shí)光學(xué)測(cè)量技術(shù)在光照較差或惡劣天氣條件下，光學(xué)系統(tǒng)的測(cè)試效率會(huì)受到重大影響[1-4]。本文結(jié)合成都軌道交通某線中的一座明挖車站基坑施工過(guò)程中自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)工程實(shí)例，對(duì)基于微波雷達(dá)對(duì)基坑側(cè)壁水平變形監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究和探討。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

成都軌道交通某線線路全長(zhǎng)43.186km，均為地下線，共設(shè)地下車站12座，其中換乘站10座，預(yù)留站1座，最大站間距: 5.84km，最小站間距: 1.461km，平均站間距為3.578km，同時(shí)設(shè)停車場(chǎng)1座，主變電所2座，其中一座明挖車站采用地下二層15.6m島式站臺(tái)，車站總長(zhǎng)429.9m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬27. 4m，車站基坑深22.7m，車站結(jié)構(gòu)頂板覆土5.08m。根據(jù)成都軌道交通對(duì)該條線網(wǎng)的總體籌劃，該車站大里程接盾構(gòu)區(qū)間(始發(fā))，小里程端為明挖區(qū)間，主體結(jié)構(gòu)為地下二層島式框架結(jié)構(gòu)，采用明挖法施工，采用放坡+土釘墻進(jìn)行支護(hù)，采用地面截排水+坑底積水明排進(jìn)行降水[5]?；蝇F(xiàn)場(chǎng)開挖見圖1。

圖1 基坑現(xiàn)場(chǎng)開挖

1.2 地質(zhì)情況

根據(jù)地勘報(bào)告，該站HLCZ-014鉆孔柱狀圖13～19軸區(qū)域依次揭示為：雜填土(3.0m)、粉質(zhì)黏土(4.7m)、全風(fēng)化泥巖(0.5m)、(2m)強(qiáng)風(fēng)化泥巖(6.7m)、強(qiáng)風(fēng)化砂巖(1.5m)和強(qiáng)風(fēng)化泥巖(4.3m)。該區(qū)域整體地層巖性較差。已開挖基坑巖性基本為雜填土和粉質(zhì)黏土，見圖2。

圖2 基坑開挖地質(zhì)

2 微波雷達(dá)變形測(cè)試原理

基于線性調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)和相位干涉原理的測(cè)量設(shè)備。首先發(fā)射器調(diào)制一組線性調(diào)頻連續(xù)波正交同相(I/Q)信號(hào)，然后主信號(hào)由發(fā)射天線向被測(cè)目標(biāo)方向發(fā)射，剩余信號(hào)作為本振信號(hào)，經(jīng)被測(cè)目標(biāo)反射，反射信號(hào)被接收天線接收，并與本振信號(hào)混頻、濾波、采樣后得到包含距離信息和變形信息的差頻信號(hào)，通過(guò)對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換后可得差頻，依據(jù)差頻和被測(cè)目標(biāo)距離的關(guān)系可得到目標(biāo)距離，通過(guò)差頻定位到相位譜中的相位，多個(gè)掃頻的相位進(jìn)行干涉計(jì)算可得被測(cè)目標(biāo)的變形信息。通過(guò)兩次發(fā)射相位差來(lái)測(cè)量振動(dòng)位移，如圖3所示。

圖3 測(cè)試原理

雷達(dá)工作波長(zhǎng)λ；第一次目標(biāo)測(cè)量相位φ1；第二次測(cè)量相位φ2；兩次測(cè)量間目標(biāo)在雷達(dá)視線上的位移量d。假設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)頻率、初始相位分別為f0、φ0，則發(fā)射信號(hào)VT、回波信號(hào)VR分別可以表示為：

VT(t)=Acos(2πf0t+φ0)

(1)

VR(t)=Acos(2πf0t+φ0-φ)

(2)

式中：A為發(fā)射信號(hào)的幅度;η為回波信號(hào)幅度的衰減系數(shù);φ為回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)間的相位差。

相位差φ與發(fā)射信號(hào)頻率f0和回波信號(hào)時(shí)間延遲T相關(guān)：φ=2πf0T；而回波信號(hào)時(shí)間延遲T與目標(biāo)離雷達(dá)的距離L的關(guān)系滿足下式：

T=2L/c

(3)

式中：c為微波信號(hào)的傳播速度。則相位差φ與距離L的關(guān)系又可以表示為：

φ=4πf0L/c

(4)

由于相位測(cè)量存在一個(gè)周期性的模糊問(wèn)題，即總的相位φ為φ=N× 2π+φ，而在實(shí)際相位測(cè)量時(shí)，不能得到圖1中相位差φ的整周期部分N×2π，只能得到相位差φ的余數(shù)部分φ=φ-N×2π。然而，這并不影響目標(biāo)位移的測(cè)量。將相位差φ=N× 2π+φ代入式(4) 可得：

N× 2π+φ=4πf0L/c

(5)

進(jìn)而，距離L可以表示為：

L=φc/4πf0+Nc/2f

(6)

又有λ=c/f0，式(6) 進(jìn)一步表示為：

L=λφ/4π+λN/2

(7)

當(dāng)目標(biāo)發(fā)生移動(dòng)、且移動(dòng)量小于微波周期半長(zhǎng)度λ/2時(shí)，可以認(rèn)為相位差φ的距離整周期部分保持不變，距離L的變化量?jī)H體現(xiàn)在式(7) 的第一項(xiàng)中，對(duì)式(7) 差分，可以得到目標(biāo)位移表達(dá)式

ΔL=λΔφ/4π

(8)

同時(shí)，將相位差φ=N×2π+φ代入式(2) ，回波信號(hào)也可以表示為：

VR(t)=Acos(2πf0t+φ0-φ)

(9)

因此，在進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，通過(guò)測(cè)量回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)間相位差余數(shù)部分φ的變化量，即可得到目標(biāo)的位移量。顯然，此類相位解調(diào)的方法都只適合測(cè)量相對(duì)位移量ΔL而非絕對(duì)距離L。

3 監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)要求應(yīng)滿足GB50911-2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》、GB50497-2009《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》和成都軌道交通集團(tuán)公司等相關(guān)文件的規(guī)定，本工程監(jiān)測(cè)方法及精度要求如表1所示。

表1 基坑變形監(jiān)測(cè)

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果及原因分析

為了分析基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂?shù)乃轿灰疲瑢?duì)基坑的CX6～CX8安裝了3個(gè)雷達(dá)反射體進(jìn)行監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試軟件顯示如圖4所示。通過(guò)對(duì)2d(48h)不間斷連續(xù)監(jiān)測(cè)變形，測(cè)試圖見圖5。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

由圖6可知：CX8測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)谝惶?8h內(nèi)(2020年8月18～2020年8月19)，在運(yùn)行條件下的最大撓度7.74mm，超過(guò)安全預(yù)警值，表明基坑在外部作用下結(jié)構(gòu)位移處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

圖6 CX8水平位移隨時(shí)間變化曲線(2020年8月18～2020年8月19)

出現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化的主要原因有：

(1)根據(jù)土體測(cè)斜孔取芯情況，基坑開挖施工的巖土全風(fēng)化巖呈土狀，強(qiáng)風(fēng)化巖呈碎塊狀，軟硬不均，巖土呈弱～中等膨脹性，且水解黏性土作用沿裂隙面形成灰白色黏土“軟弱帶”，導(dǎo)致該區(qū)域地質(zhì)整體情況較差、自穩(wěn)性較差。

(2)監(jiān)測(cè)期降雨較多，地表水滲入膨脹性土體，圍護(hù)結(jié)構(gòu)土體側(cè)壓力增大。土方開挖后，土體應(yīng)力釋放和二次重分布劇烈。加之，該區(qū)段基坑目前開挖深度在第二道錨索位置，開挖、噴錨及錨索工序時(shí)間較長(zhǎng)，圍護(hù)樁缺乏有效約束而出現(xiàn)變形。

建議處理措施有：

(1)建議以樁體水平位移監(jiān)測(cè)值和土體水平位移監(jiān)測(cè)值指導(dǎo)施工，繼續(xù)開挖，若后期變形數(shù)據(jù)過(guò)大，再放坡卸載。

(2)對(duì)變形較大區(qū)段，在距圍護(hù)樁1.5m處進(jìn)行挖槽取土，成槽后及時(shí)回填砂卵石，釋放樁背土壓力，形成土壓力緩沖層。

(3)對(duì)已完第一道錨索補(bǔ)張拉。

(4)加強(qiáng)基坑內(nèi)外截、排水及防洪排澇措施，做好坑壁排水和泥巖面及時(shí)封閉，增加一排深層排水孔布置，降低地下水位影響。

(5)分臺(tái)階開挖，縮短單次開挖軸線長(zhǎng)度，加強(qiáng)工序銜接，縮短錨索施工周期，及時(shí)張拉。

5 結(jié)論

微波雷達(dá)對(duì)結(jié)構(gòu)位移的監(jiān)測(cè)室非接觸、高精度、全方位的特點(diǎn)，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的微小變形進(jìn)行測(cè)量，相對(duì)其他監(jiān)測(cè)手段，野外勞動(dòng)強(qiáng)度低、效率高，不受氣象條件影響，且操作簡(jiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，值得大力推廣運(yùn)用。