磁致伸缩式静力水准仪在既有结构施工过程中的监测应用及案例分析

磁致伸缩式静力水准仪在既有结构施工过程中的监测应用及案例分析
作者：文选跃





        随着城市建设的快速发展，地铁土建施工过程中影响范围内的建构筑物呈现多样性、复杂性等特点，为保障施工过程中相邻构筑物的安全，控制施工对其产生的沉降变形影响，常规的测量方法有水准仪法和全站仪三角高程法，然常规的方法有着设备价格偏高、不具备实时性、受施工条件和通视条件影响较大等限制性因素，对于特殊性工程，不能实时监控受影响建筑的沉降变形，信息化指导施工。 静力水准仪是测量两点或多点之间相对高差变化的精密仪器，是一种建筑工程竖向位移监测设备，具备测量精度高、稳定性强、实时测量及受施工条件和通视条件影响小等优点，目前已广泛应用于地铁隧道运营和大坝建设中。 目前，国内地铁土建施工过程中的既有结构改造施工采用液压式静力水准仪自动化监测系统，将静力水准仪自动化监测系统引入地铁线路土建施工上方的高架桥改造沉降监控，探讨行车振动、温度等环境因素对测试精度的影响，并与传统测试方法进行对比，确定磁致伸缩式静力水准仪在复杂环境中实施监测的实用性。
        广州市某地铁工程矿山法正线隧道下穿内环路高架桥，其中该高架桥某处匝道有一桩基础侵入隧道，需对桥墩采用地面主动托换处理。托换基坑平面尺寸14m x 5.2m，深5.67m，采用φ600@750 排桩支护，桩顶设冠梁兼作支撑，桩间设φ 600 单管旋喷桩挡土止水；托换方式采用桩梁的托换形式，托换梁截面为宽 3.2m、高 3.0m、长 12m,托换桩为 2×φ 1200mm 的钻孔灌注桩，与隧道净距 1m，且保证桩端比隧道底低不小于2m。拖换时采用千斤顶分级预顶，通过受力体系的转换，消除托换新桩变形对托换体系的不利影响，防止托换新桩桩顶沉降带动桥墩的沉降。顶升完成后对侵入隧道的桩基，在洞内进行凿除处理。 

       桩基托换的关键是荷载转换，目标为变形控制，二者构成了桩基托换的核心。即在托换桩切除之前对新桩和托换结构施加荷载，使需要托换的柱在上顶力的作用下，随托换大梁一起上升，从而克服由于托换大梁刚度不足可能产生的上部建筑物较大的沉降，同时也通过预加载消除部分新桩和托换结构的变形，使托换桩和结构的变形可以控制在较小的范围。本工程采用 4 个 500t 千斤顶顶升施工，千斤顶的预顶力合力与新桩1-2相同，因此千斤顶放置的顶梁底加载至设计预顶力即可。 托换加载采用分级加载原则，共分八级加载，每级荷载增量为千斤顶加载上限值的 10%，不可一次加载到最大值。加载逐步预压进行，通过油压阀来控制，每级施加荷载时间为10～30min，每级加载需保持10分钟，等结构稳定后方可加下一级荷载。如在 10 分钟内通过监测结果显示结构未稳定，需结构稳定后才能进行下一级加载。桩拖换体系转弯完成后，待桥梁变形及新桩沉降稳定，再将千斤顶卸载至稳压荷载。卸载就是加载顶升的逆过程，与加载相同，卸载时也应分级进行，卸载时分5级卸载，每级为卸载值为卸载总值的 20%，每级卸载也应慢慢进行，通过监测确定结构稳定后才能进行下一级卸载。 

设备的安装调试 

      ① 根据上述测点布置方案，具体安装在高架桥桥桩上，安装时，在桥柱上钻孔安装固定支架，然后在支架上安装底座和一起，再在一起外部安装保护罩；② 将连通管线各测试点布设好；③ 将各静力水准仪固定至相应测试点和基准点，并调整各液位计的相对高度；④ 通过连通管将所有静力水准仪连通；⑤ 任取一个静力水准仪作为输液口，通过其设备上的排气孔向设备内灌入测试液，各静力水准仪的浮标值全量程的中间值时即可；⑥ 连接好各静力水准仪的电源线及通讯线至数据采集终端，并做好保护；⑦ 记录并保存各测试点及基准点静力水准仪的电子编号，并较零、保存； ⑧ 调试完成后封闭保护好测试设备，即可进行远程监控。安装时的基点注意事项：① 各仪器应处于大致统一的水准面，允许高差需控制在5mm 以内，可采用水平尺或其他测量设备找平；② 安装仪器的底座和钵体要进行粗平；③ 连接管之间保持拉直和畅通，中间尽量不要走弯和上下坡，保证测试液顺畅流动；接头需连接固定，以防漏水，并做好管线保护措施。

     每台仪器采用AC220V，RS485串口与数据采集仪连接。每台仪器均有电源和4芯通信线串口，接线时每台仪器依次串联后，再与电源和数据采集器连接。 实施过程中，通过计算机终端和无线通讯模块，远程控制数据采集器进行数据采集，并在计算机终端上进行数据处理和分析。 为了避免数据量较大，选取了桩基顶升阶段及后期稳定测试的数据进行了分析，以判定数据的精度、以及受外部环境和工序影响的程度。 

     1/c#桩基拖换顶升的时间为 2015 年 5 月 11 日下午 13时至 17 时，期间气温在 26～29℃之间，拖换顶升阶段无其他施工工序，内环路立交桥、F 匝道、G 匝道及桥下桥桩两侧洪德路正常行车。当天天气为阴天，13 时 30 分至 15 时10分期间有阵雨，拖换顶升在该期间有间歇停止。 数据统计表明，①顶升及回油（卸载）阶段，随着每一级荷载的增加，1/c#桩基呈现逐步上升的趋势，至荷载加载到第八级，桩基的上抬量达到2.08mm（人工2.18mm）,与设计限定的2mm上台量一致，卸载后稳定在1.65mm左右；可见，监测数据侧面验证了设计的合理性和施工作业及工序的正确性，达到了监测数据信息化知道施工的目的。②、通过筛取人工测量时间阶段的静力水准自动化采集数据进行对比，两种方法显示桩基上抬的趋势基本一致，且数值吻合度高，较差最大仅为0.21mm，起到了相互验证的作用。③、两次数据的吻合性也表明在外界温度变化较小，以及正常的行车振动的条件下，静力水准测量能够良好的监控影响结构的变形情况。④、该对比结果直接验证了静力水准测量系统对于复杂环境既有结构改造的可操作性。 桩基拖换完成后5天（12日-16 日，期间气温在20～32℃之间，天气多为多云和阵雨）内静力水准仪自动化采集被拖换的变形量曲线图，数据分析表明：①、该趋势图呈现周期性的变化特征，每天6时-9时之间变化量变小， 9 时-11 时之间迅速回升，11 时-14 时之间暂时处于稳定状态，14时-17 时之间变化量下降并恢复到之前数值，其余时间阶段数据稳定在1.6mm左右。初步判断静力水准测量的测试数据与气温的变化有关，且呈现周期性变化，二者之间的更具体、更内在的关系以及温度改正还有待进行一步的试验研究。②、温度对测试数据的影响相对较小，本次试验控制在±0.3mm以内；为准确判定温度等因素对测试数据的影响，工程开展前，可选择相同环境的稳定区域（0 变形部位）进行测试试验，获取数据修正经验值，以便在具体施工过程中，对真实影响的数据变化进行判定和确认。 

       通过本次试验，肯定了磁致伸缩式静力水准测量精度和可靠性，且与传统人工监测相比，此种方法具有节省人工、成本相对较低，实时监控测量、数据量更为丰富，能够科学的反应既有结构的变形量，从而更好的指导施工等特点。同时，也验证了当前的静力水准仪已具备一定的抗干扰特性，能够准确的反应施工过程中监控对象的变形情况，为以后复杂环境中的结构结构改造施工提供了一种可靠的监控手段。 





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