自動化監(jiān)測技術(shù)在隧道受損修復(fù)工程中的應(yīng)用

唐繼民

(上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072)

自動化監(jiān)測技術(shù)在隧道受損修復(fù)工程中的應(yīng)用

唐繼民

(上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072)

地鐵隧道周邊由于臨近基坑開挖、地表加卸載及隧道近距離穿越等工程建設(shè)，引起土體的附加應(yīng)力，造成隧道周圍土體產(chǎn)生位移和變形，從而引起地鐵隧道的附加變形。通過“微擾動”注漿對隧道進(jìn)行加固可以對隧道的損傷進(jìn)行修復(fù)，在修復(fù)過程中對隧道的自動化實時監(jiān)測非常必要，可保障修復(fù)的順利進(jìn)行。本文主要研究了以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的實時隧道自動化監(jiān)測系統(tǒng)在隧道修復(fù)工程中的應(yīng)用，結(jié)合實際工程案例，介紹了由于隧道沉降變形及管徑收斂變形兩種病害而對隧道進(jìn)行修復(fù)時，自動化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用情況及效果。

物聯(lián)網(wǎng)；自動化監(jiān)測系統(tǒng)；注漿；加固；靜力水準(zhǔn)儀；測距儀

一、隧道病害現(xiàn)狀及治理方法

隨著地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，近年來大量的地鐵線路已投入或即將投入運(yùn)營。然而地鐵隧道周邊由于臨近基坑開挖、地表加卸載及隧道近距離穿越等工程建設(shè)，引起土體的附加應(yīng)力，造成隧道周圍土體產(chǎn)生位移和變形，從而引起地鐵隧道的附加變形，對結(jié)構(gòu)安全極為不利。軟土地區(qū)運(yùn)營地鐵隧道的結(jié)構(gòu)變形是在外部荷載、地面沉降、鄰近隧道的施工以及列車振動等因素作用下的綜合反映。通過長期監(jiān)測數(shù)據(jù)及外觀狀況檢查結(jié)果可以看出，目前上海地鐵運(yùn)營隧道病害主要表現(xiàn)為滲漏水、結(jié)構(gòu)裂縫及損壞、隧道縱向沉降及管徑環(huán)向收斂變形等。針對地鐵隧道縱向沉降和管徑環(huán)向收斂變形，通常采用對周邊影響較小的“微擾動”注漿。采用該方法對病害區(qū)域隧道進(jìn)行加固是通過在隧道外土層打設(shè)注漿管至設(shè)計要求的深度，再進(jìn)行“微擾動”注漿加固。通常步驟為放樣、鉆取導(dǎo)孔、插入注漿芯管、打設(shè)注漿管、連接注漿管路、配制漿液、注漿、拔管、拔除注漿管。水泥-水玻璃雙液注漿不但可以加固土體，還可以使土體產(chǎn)生隆起。對于沉降量較大且沉降趨勢尚未穩(wěn)定的不均勻沉降段采用在隧道下臥土層注漿來加固土體并使得被加固土體適量隆起以調(diào)整地鐵隧道線形；在隧道兩側(cè)進(jìn)行注漿加固則可以治理環(huán)向收斂變形。

二、隧道自動化監(jiān)測技術(shù)概述

目前，國內(nèi)針對盾構(gòu)隧道的自動化監(jiān)測對象主要分為隧道縱向變形監(jiān)測、橫向變形監(jiān)測以及管徑收斂變形監(jiān)測。其中，隧道縱向變形監(jiān)測中采用較多的是靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)和電子水平尺系統(tǒng)，靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)利用連通管的原理，測量每個測點容器內(nèi)容器底面安裝高程與液面的相對變化，再通過計算求得各點相對于基點的相對沉降量。該系統(tǒng)監(jiān)測精度較高，且監(jiān)測范圍較大，是目前隧道自動化縱向變形監(jiān)測中使用最多的一種技術(shù)。電子水平尺監(jiān)測系統(tǒng)是通過將帶有傾角傳感器的電子水平梁前后首尾相接，測量出尺兩端的高差，最后累計計算求得各點相對于基點的相對沉降量。但是由于首尾相接造成其累計誤差隨著監(jiān)測距離的增大而增大，因此該種系統(tǒng)適用于小范圍的監(jiān)測；隧道橫向變形和管徑自動化監(jiān)測通常采用帶有目標(biāo)識別功能的全站儀，全站儀安裝簡便，且可以同時兼顧測量橫向變形和收斂變形。但是由于受到通視因素影響，并且監(jiān)測精度隨著觀測距離的增大而降低，遠(yuǎn)距離大范圍的監(jiān)測無法滿足精度要求。筆者所在單位近幾年針對隧道管徑變形監(jiān)測特點，研發(fā)了一種基于“測線法”的自動化收斂監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)將激光測距儀固定在隧道管壁上，然后測量隧道的一條水平測線，從而來判斷隧道的收斂情況。該方法直觀有效，在很多的隧道監(jiān)護(hù)項目和隧道修復(fù)項目中得以應(yīng)用，取得了良好效果。以該監(jiān)測系統(tǒng)為核心申請的“一種用于實時測量隧道收斂的監(jiān)測系統(tǒng)”獲得國家實用新型專利。

三、隧道修復(fù)自動化監(jiān)測系統(tǒng)組成

隧道修復(fù)自動化監(jiān)測是以隧道自動化監(jiān)測技術(shù)為基礎(chǔ)，針對隧道修復(fù)特點而建立起的一套特殊的自動化監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要目的是在隧道注漿修復(fù)過程中多方位的監(jiān)控隧道實時的形變狀態(tài)，從而避免注漿過量擾動土體和隧道本身，造成隧道損傷。在隧道注漿修復(fù)中筆者所在單位針對隧道縱向沉降一般采用靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)，而對于管徑環(huán)向收斂變形的注漿修復(fù)則采用激光水平測線測量自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

1.隧道修復(fù)自動化監(jiān)測系統(tǒng)工作方式

隧道修復(fù)自動化監(jiān)測系統(tǒng)利用最新的物聯(lián)網(wǎng)概念，通過互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把所有的傳感器、采集器等聯(lián)系在一起，實現(xiàn)遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)還將所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，實時的發(fā)布。用計算機(jī)、移動設(shè)備等通過互聯(lián)網(wǎng)便可方便地查詢到任意時刻隧道的變形數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)測量流程如圖1所示。系統(tǒng)為B/S結(jié)構(gòu)，其中NR監(jiān)控終端(采集器端)對靜力水準(zhǔn)、測距儀或其他傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲，并將最新的數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器端。服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理后存儲于服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。修復(fù)過程中所有自動化數(shù)據(jù)通過網(wǎng)頁形式發(fā)布，在修復(fù)過程中可以查詢實時的數(shù)據(jù)和曲線，包括累計變化量、本次變化量等，還可以修改測量的頻率。針對隧道修復(fù)過程中的特殊要求，系統(tǒng)可以做到簡便地查看注漿前后的隧道變形量，并當(dāng)該變形量超過預(yù)定值時進(jìn)行軟件報警和短消息報警(如圖2、圖3所示)。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2.監(jiān)測系統(tǒng)主要硬件組成

(1)靜力水準(zhǔn)儀

筆者所在單位采用的是德國 Gloetzl公司的GHD系列靜力水準(zhǔn)儀，該儀器為采用壓力平衡原理的靜力水準(zhǔn)儀，其量程最大可以達(dá)到1 m，這個對于設(shè)備安裝來說非常方便，避免了嚴(yán)格的抄平過程，也減少了設(shè)備因經(jīng)常超量程而帶來的額外維護(hù)。GHD系統(tǒng)采用MBUS總線結(jié)構(gòu)，串行序列的連通方式，所有的測量點只用一條總線電纜連接，這樣大大減少了電纜線的用量。該儀器精度也非常高，單臺儀器精度達(dá)到0.02 mm。

圖2 地圖選項目

圖3 數(shù)據(jù)查看

(2)測距儀

采用結(jié)構(gòu)測距傳感器GLS-B系列，測程0.05～200 m，支持串行接口(RS232或RS485或RS422)，工業(yè)防護(hù)等級IP65，測量精度1.0 mm。

(3)采集器

該產(chǎn)品主要用于采集和存儲傳感器數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行串口通信，在該采集終端上可以進(jìn)行程序開發(fā)，并且?guī)в蠫PRS/CDMA無線通信模塊，可以無線傳輸數(shù)據(jù)。該采集器穩(wěn)定性高，適應(yīng)能力強(qiáng)，能經(jīng)受惡劣外界條件，能長時間工作在惡劣的自然條件下。工作溫度為 －10°C～＋70°C?？梢灾С侄喾N模擬量信號(電流、電壓、震動頻率等)和數(shù)字量信號設(shè)備。并且該采集器支持遠(yuǎn)程參數(shù)修改和固件版本升級。

四、工程案例

1.縱向沉降變形修復(fù)案例

(1)項目概況

上海浦東某基坑某區(qū)已挖到最后一層，部分底板已施工完畢，突然發(fā)現(xiàn)坑內(nèi)有小股清水涌出，初步判斷為坑內(nèi)承壓水突涌，后水勢變大，并帶有泥沙。該基坑距離軌道交通6號線最近距離38 m，發(fā)生突涌3天內(nèi)6號線最大變化量為－9.5 mm。為了防止6號線區(qū)間隧道進(jìn)一步下沉，經(jīng)過專家組討論商定，對差異沉降較大的區(qū)域進(jìn)行單側(cè)微擾動注漿。

(2)監(jiān)測布點及實施

采用沖擊鉆孔將支架固定于隧道管壁上，安裝靜力水準(zhǔn)傳感器，連接通液管，注入化學(xué)液體，連接通氣管，連接通信電纜至數(shù)據(jù)采集器，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，現(xiàn)場注漿人員可以通過外網(wǎng)直接查看當(dāng)前注漿位置隧道變形情況，并以此為依據(jù)控制注漿量，安裝示意圖如圖4所示。

圖4 靜力水準(zhǔn)現(xiàn)場安裝示意圖

(3)監(jiān)測成果

整個注漿經(jīng)歷多個階段，現(xiàn)以第二階段為例。第二階段注漿量為136 m3，耗時17天。整個注漿過程隧道最大沉降回彈6.5 mm，人工與自動化監(jiān)測差值最大為1.5 mm，平均差值在1 mm以內(nèi)，相當(dāng)吻合(如圖5所示)。

圖5 注漿期間人工自動化累計變化量曲線圖

2.管徑環(huán)向收斂變形修復(fù)案例

(1)項目概況

上海軌道交通7號線某區(qū)間隧道上方荷載過大，造成了該區(qū)間隧道內(nèi)漏水漏泥嚴(yán)重，并且上行線最大收斂變化達(dá)14.7 cm，下行線最大收斂變化達(dá)14.8 cm。經(jīng)過專家組認(rèn)定，對收斂變形超過9 cm的隧道管片進(jìn)行微擾動注漿。

(2)監(jiān)測布點及實施

在該地鐵區(qū)間隧道大直徑位置A點上安裝自動化測距儀支架，并將自動化測距儀固定在支架上，使支架保持水平，如圖6所示。通過測量AA′測線的變化量來確定隧道的收斂情況。在注漿期間為了防止過度注漿，通過限定隧道本次收斂變形量來進(jìn)行控制。當(dāng)次注漿時，對應(yīng)該注漿孔的隧道環(huán)及兩側(cè)各兩環(huán)本次收斂量大于3 mm時報警，大于5 mm時則停止注漿。

圖6 結(jié)構(gòu)測距儀安裝斷面圖

(3)監(jiān)測成果

本次注漿歷時2個月，共完成445孔注漿，其中一個區(qū)段最大收斂變形量42 mm，平均33.2 mm。圖7為注漿區(qū)域隧道收斂累計變化量斷面圖，包含了自動化和人工復(fù)測的結(jié)果。從圖中可以看出，注漿效果非常明顯，并且自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測數(shù)值非常吻合，最大差值為3 mm(人工監(jiān)測點和自動化監(jiān)測點布設(shè)的位置并不完全一致，會導(dǎo)致變形量有一定的差異)，平均差值在1 mm。

五、結(jié) 論

1)自動化監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用是當(dāng)代科技發(fā)展的趨勢。本文的自動化監(jiān)測技術(shù)是目前較為實用的技術(shù)，能反映出修復(fù)過程對隧道的影響程度，并可通過實時的位移變化控制注漿量，為隧道修復(fù)提供了高價值的形變數(shù)據(jù)。因此自動化監(jiān)測技術(shù)在隧道修復(fù)中具有非常高的實用價值。

2)整個自動化監(jiān)測系統(tǒng)具有高度自動化和網(wǎng)絡(luò)化，利用高精度傳感器、現(xiàn)代通信技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)，使得進(jìn)行修復(fù)施工的人員在現(xiàn)場就可以通過互聯(lián)網(wǎng)查看到實時的隧道形變數(shù)據(jù)，增加了施工的效率和安全性。

3)從實際應(yīng)用效果來看，自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)精度和穩(wěn)定性都較高，與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)也非常吻合，且能24小時高頻率工作，大大提高了效率，在今后的隧道修復(fù)工程中完全可以代替人工監(jiān)測。

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Application of Automatic Monitoring Technology for Repairing Project of the Damaged Tunnel

TANG Jimin

P258

B

0494-0911(2014)12-0086-03

唐繼民.自動化監(jiān)測技術(shù)在隧道受損修復(fù)工程中的應(yīng)用[J].測繪通報，2014(12)：86-88.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0405

2014-05-12；

2014-05-20

唐繼民(1978—)，男，上海人，碩士，工程師，主要從事基坑、隧道監(jiān)測、地面沉降監(jiān)測工作。