朱金卫， 邓树密

(中国水利水电第十工程局有限公司, 四川成都 610072)

强近接既有线的深大地铁基坑施工具有体量大、超深开挖、开挖净宽窄、工序穿插复杂的特点，对既有结构的保护尤为重要。提高在荷载-环境耦合作用下新建及既有运营车站变形监测能力是急需解决的问题。传统变形监测技术虽有广泛的运用，但在应用中也存在较大的局限性，如受环境影响大，对现场施工存在干扰等。计算机视觉智能测量系统采用物联网技术及智能识别算法将视频数据转化为变形数据，实现对结构物的超高精度非接触式实时测量[1-3]，微波雷达变形测试具有远距离、非接触、高精度等优点[5-7]。本文结合锦城广场P+R 地下停车场项目基坑施工过程中自动变形监测工程实例，基于计算机图像视觉和微波雷达对基坑沉降和水平位移监测进行了研究和探讨，提出了精细化的监测方案。

本次采用的是基于微波雷达和机器视觉智能基坑监测系统，该系统主要包括微波雷达测量子系统和机器视觉测量子系统组成。微波雷达子系统监测基坑支护结构的轴向位移(可分解到面内水平和竖向位移)，同时基坑支护结构水平位移及竖向位移采用机器视觉子系统进行监测。该微波雷达子系统包括数据采集模块、无线远程传输模块、数据分析模块和云台显示模块。该机器视觉子系统包括数据采集模块、无线远程传输模块、数据分析模块和云台显示模块。计算机图像视觉和微波雷达具有远距离、非接触、高精度、省时省力、多点监测等众多优点，有效解决基坑支护结构测量时测试精度低和效率低等难题，对于基坑危险部位能够做到实时监测、及时预警功能。现场计算机视觉采集模块包括设置于基坑支护结构上的靶标及观测靶标的目摄像机，摄像机内置自动识别程序及解算算法程序，智能摄像机识别并观测设置于基坑支护结构上的靶标，摄像机实时监控靶标的水平位移和竖向位移并解算出靶标的水平位移和竖向位移数据。图像视觉的位移监测系统原理如图1所示。

图1 测点系统原理示意

微波雷达是基于线性调频连续波技术和干涉测量技术测量设备。线性调频连续波技术是用于缩短识别2个目标物所需的最小径向距离，提高雷达的距离向分辨率。干涉测量技术可以精确地测量出地表某一点的三维位置及其微小的变化，通过测量目标物反射回的电磁波的相位差来进行结构变形的观测，依据差频和被测目标距离的关系进行干涉计算可得被测目标的变形信息，通过2次发射相位差来测量振动位移，如图2所示。

图2 测试原理

2.1 工程概况

成都锦城广场站位于环球中心对面，天府大道东侧、锦悦东路南侧、绕城高速北侧，高速收费站西侧，是成都轨道交通18号、16号、29号线3线换乘站，3站两两相交，呈三角形布置。18号线为南北走向，站台位于地下4层；
16号线位于18号线东侧，为西南—东北走向，站台层为地下3层；
29号线位于18号线东侧、16号线北侧，为西北—东南走向，站台层位于地下5层。18号线车站已经运行通车，本监测体系涉及范围为三角换乘大厅，具体范围如图3所示。采用基于微波雷达和图像视觉的远程可视化监控系统进行全面监控。

图3 监测体系涉及范围——三角换乘大厅

2.2 监测方案

在本项目中，为准确获取基坑开挖过程中，采用机器视觉测量的技术既有结构支护的位移变化情况(图4～图6)。通过对图像的处理分析，计算得出各期位移量、位移速率和累计位移量。根据获取的实时监测数据对监测点进行统计分析，如果基坑变形情况超过预警值，系统将会预警。工程监测方法及精度要求如表1所示。

表1 基坑变形监测项目

图4 监测点布置一

图5 监测点布置二

图6 设备布置

为准确分析并预测基坑后续施工的安全影响，本次计算根据锦城广成换乘中心大型车站基坑开挖运用有限差分软件FLAC3D对此基坑开挖过程、钢管斜支撑施工、进行模拟。采用平面应变假设的二维数值模拟分析所需时间少、对计算机硬件要求小、可在较短时间内对多种施工方法、施工工序、施工速度、支护参数、支护时间以及结构的安全性等合理高效优点。土体采用修正摩尔-库伦本构。该土体本构可模拟初次加载—卸载—再加载之间的刚度差别(图7)。

图7 综合换乘车站群建模

建设场地表层为第四系全新统人工填土(Q4ml)，其下为全新统冲积(Q4al)黏土、粉土，在下面为冲积(Q3fgl+al)砂土及卵石土，下伏基岩为白垩系灌口组(K2g)泥岩。计算模型地层土体物理力学参数选取见表2。数值模拟中，结构体系与地层参数选取根据锦城广场综合换乘服务中心的详细勘察阶段岩土工程勘察设计参数建议值，计算模型结构体系物理力学参数选取见表3。

表2 土层物理力学参数

表3 结构体系物理力学参数

锦城广场综合换乘服务中心三角换乘区域施工过程中，土体开挖会造成18号线既有车站结构产生一定的侧移变形。三角区从北向南开挖土方时，18号线既有车站结构水平变形集中区域逐渐从29号线区域扩展到三角区域，主要位于基坑开挖位置上方。无斜向钢支撑情况下既有车站结构变形集中区域扩展速度越大，且分布的范围较广，风险区域较多。经数据统计处理，获得整个过程既有车站的水平变形和竖向变形总量如表4所示。通过计算得到既有车站竖向变形和水平变形主要分布特征如图8、图9所示。

图8 既有18号线的竖向变形计算结果

图9 既有18号线的水平变形计算结果

表4 18号线既有车站结构最大水平和竖向变形总量 单位：mm

为了分析基坑开挖会造成18号线既有车站结构产生的竖向沉降和水平位移，对基坑测试点进行监测。现场测试软件显示如图10、图11所示。通过对不间断连续监测变形，分析基坑开挖的安全性(表5)。

由表5可知：微波雷达和图像视觉测试点，最大沉降和最大水平位移测点实测值未超过安全预警值(6 mm)，同时与理论计算值基本一致，表明基坑在外部作用下结构处于稳定状态。

图10 现场微波雷达变形测试

图11 现场图像视觉变形测试

表5 18号线既有车站结构最大水平和竖向变形总量 单位：mm

本工程监测体系采用微波雷达仪和图像视觉测量为主要测量设备，配备相应的数据采集、通信设备组成地面测量网，测量的数据传送到远程云服务器，使用电脑即可任意地点、时间查看数据。自动监测系统从调式安装运行，并以该时刻各变形点的观测值为初始值，全天 24 h无人值守、实时同步地获取了大量监测数据。本监测体系实现了强近接大型基坑施工中既有车站连续变形监测及预警，实现了对结构物的超高精度非接触式实时测量。该系统同样适用于大型工程项目，尤其是难以采用接触式监测的工程中。

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