地鐵隧道變形監(jiān)測技術(shù)及分析預(yù)報(bào)方法研究

凌邦富

摘 要：隨著城市地下軌道交通網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，建設(shè)運(yùn)營中的隧道可能會(huì)在多種因素的影響下發(fā)生不同程度的變形，傳統(tǒng)的人工變形監(jiān)測技術(shù)無法滿足工程的實(shí)際需求，利用測量機(jī)器人對隧道工程進(jìn)行實(shí)時(shí)的自動(dòng)監(jiān)測可為隧道工程的建設(shè)和后期維護(hù)提供可靠的數(shù)據(jù)參考。本文主要以地鐵隧道的變形監(jiān)測為核心，圍繞變形發(fā)生的原因、監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測技術(shù)、自動(dòng)監(jiān)測的應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容展開相關(guān)討論。

關(guān)鍵詞：隧道工程；變形監(jiān)測；三維監(jiān)測技術(shù)；數(shù)據(jù)處理

1 概述

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，離不開交通運(yùn)輸行業(yè)的支持，隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，社會(huì)對交通運(yùn)輸行業(yè)的要求越來越高，而在人均占地面積不斷減小的情況下，發(fā)展交通運(yùn)輸業(yè)，只能依靠地下隧道交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。地鐵隧道工程在建設(shè)中和建設(shè)后，可能會(huì)由于自身結(jié)構(gòu)、地質(zhì)、水體、臨近地區(qū)施工等因素的影響，發(fā)生隧道裂縫、變形等危及隧道安全的病害，因此對地鐵隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)的、長期的變形監(jiān)測以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，保障隧道運(yùn)營的安全性是十分必要的；地鐵隧道的變形監(jiān)測不僅可為地鐵的安全運(yùn)營提供可靠保障，還能為今后地鐵工程的修建及周邊工程的施工提供重要的參考價(jià)值。

2 地鐵隧道變形監(jiān)測

2.1 地鐵隧道變形原因

2.1.1 軌道結(jié)構(gòu)變形

地鐵隧道變形包括軌道結(jié)構(gòu)變形和隧道結(jié)構(gòu)變形兩種形式。其中軌道結(jié)構(gòu)變形的主要原因是列車荷載長期對軌道產(chǎn)生反復(fù)作用，使軌道發(fā)生幾何偏差，進(jìn)而影響軌道的平整性和順暢性；除列車荷載作用外，隧道周邊建設(shè)施工的卸載、負(fù)荷、加載也會(huì)引起道床的不均勻沉降，這種沉降同樣會(huì)影響軌道的平整度及順暢性。對于鐵路來說，地鐵運(yùn)行車輛重量較輕、速度低，軌道和車輛行走部分的變形一般不會(huì)引起地鐵事故，但軌道變形造成的不平順可能會(huì)導(dǎo)致列車發(fā)生不正常振動(dòng)，這會(huì)降低列車運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少用戶的舒適度，更重要的是會(huì)加快軌道結(jié)構(gòu)部件的損壞速度，從而間接影響列車的行車安全。

2.1.2 隧道結(jié)構(gòu)變形

地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形發(fā)生在施工階段和運(yùn)營階段，在施工階段，地鐵暗挖隧道工程是在巖土體內(nèi)部進(jìn)行的，在開挖過程中對地下巖土的擾動(dòng)是不可避免的，這就破壞了地下巖土體原有的平衡條件。隧道開挖時(shí)，地層初期受到的影響較小，發(fā)生的形變也是微型形變，隨著開挖的不斷深入，變形會(huì)極具增大，然后又趨于緩慢。因此，在隧道開挖過程中應(yīng)對隧道的拱頂下沉量和地表的下沉量進(jìn)行檢測，以便于對隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和開挖工程的安全性提供分析依據(jù)。地鐵隧道開挖引起的地層變形是一個(gè)漫長而緩慢的過程，無論是淺埋暗挖法，還是盾構(gòu)法，在工程完工投入使用后，都會(huì)不同程度的發(fā)生整體下沉的現(xiàn)象，尤其是工程處于軟土層中時(shí)下沉現(xiàn)象更加明顯。交通對于經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有促進(jìn)作用，地鐵隧道的建設(shè)同樣也會(huì)促進(jìn)周邊地區(qū)建筑行業(yè)的發(fā)展，地鐵隧道附近和隧道上方基坑施工逐漸增多，大規(guī)模的交通線網(wǎng)也不斷得以建設(shè)。在交通網(wǎng)線相互交叉穿越時(shí)，新工程的開挖會(huì)對既有地鐵隧道的受力狀況產(chǎn)生影響，原有的受力平衡被破壞，地應(yīng)力不得不重新分布，由此也引發(fā)了地鐵隧道的變形。

2.2 地鐵隧道變形監(jiān)測內(nèi)容

地鐵隧道變形不僅會(huì)影響列車運(yùn)行的穩(wěn)定性，還可能對整個(gè)工程及其臨近工程的結(jié)構(gòu)造成影響，因此做好地鐵隧道變形的監(jiān)測工作，對于維護(hù)地鐵隧道工程的安全具有實(shí)際意義。在實(shí)際的監(jiān)測過程中，不同階段的監(jiān)測任務(wù)不同，施工階段主要監(jiān)測的內(nèi)容包括工程支護(hù)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性、變形區(qū)的地表情況、建筑物情況、管線及其他相關(guān)環(huán)境；隧道投入使用后監(jiān)測的主要內(nèi)容則為隧道運(yùn)營情況和周邊建設(shè)情況對隧道軌道、道床和建筑工程結(jié)構(gòu)，同時(shí)還應(yīng)對運(yùn)營地區(qū)附近的地表、建筑、管線等相關(guān)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督。對工程施工階段和投入使用后階段的變形情況進(jìn)行分析后，可知施工、使用后期間的隧道結(jié)構(gòu)變形情況、施工階段的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況、投入使用后軌道、道床的變形情況都屬于被監(jiān)測對象。

2.3 地鐵隧道變形監(jiān)測技術(shù)

2.3.1 傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)

傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)是利用水準(zhǔn)測量儀的檢測功能對隧道結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行監(jiān)測，主要對隧道變形區(qū)域的斷面進(jìn)行監(jiān)測。該法在實(shí)際使用過程中存在一系列不足：

首先，該法無法使用先進(jìn)的遠(yuǎn)程測量技術(shù)，在監(jiān)測過程中不得不打斷監(jiān)測區(qū)內(nèi)的列車運(yùn)行；

其次，地鐵隧道內(nèi)可視性差，空間受到限制，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，給監(jiān)測的安全性和監(jiān)測質(zhì)量造成了不利影響；

最后，監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量受限，若設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)過多，不僅會(huì)增大工作量，還會(huì)延長監(jiān)測周期的長度，無法準(zhǔn)確的反映出變形的真實(shí)情況；若設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)過少，無法根據(jù)有限的數(shù)據(jù)得到較為精準(zhǔn)的變形趨勢，這對后期的隧道結(jié)構(gòu)的變形負(fù)荷分析是極為不利的。傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的需求，新型的監(jiān)測技術(shù)急需被研發(fā)使用。

2.3.2 三維變形監(jiān)測技術(shù)

三維變形監(jiān)測技術(shù)也被稱為激光雷達(dá)技術(shù)，該技術(shù)在實(shí)際測量時(shí)可完全擺脫人工操作，被監(jiān)測物體的幾何圖像的排列情況由掃描棱鏡中放射的激光點(diǎn)云中獲得，通過激光的快速測距功能，建立物體的三維空間模型。當(dāng)三維變形檢測技術(shù)在沒有發(fā)射棱鏡的情況下，能以最低10萬個(gè)點(diǎn)每秒的速度獲得某個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。檢測方法如下：

首先在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)沿著軌道中心線設(shè)置環(huán)形閉合測量控制網(wǎng)；

然后在隧道中心后設(shè)橫斷面，間距為3m，將反射標(biāo)靶分別設(shè)置在墻壁垂線、穹拱、地鐵路基上，以便于三維激光掃描收集點(diǎn)云；

最后，隧道的三維模型的確定則需要通過數(shù)據(jù)、連接、存儲(chǔ)等數(shù)據(jù)處理方式實(shí)現(xiàn)，這一系列的操作是建立在曲線曲面的非均勻有理B樣條曲線表面函數(shù)基礎(chǔ)上的。

對于地鐵隧道的變形監(jiān)測來說，24h不間斷監(jiān)測是保障隧道結(jié)構(gòu)和地鐵安全原型的有效手段；但地鐵運(yùn)行的密度較為密集，若能在不打斷地鐵運(yùn)行的情況下，保障測量人員的安全，同時(shí)還能保障測量結(jié)果的有效性則需要通過測量機(jī)器人的協(xié)助才能實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)。測量機(jī)器人利用遠(yuǎn)程自動(dòng)檢測系統(tǒng)可對地鐵隧道的結(jié)構(gòu)、墻壁垂線、隧道路基等實(shí)施不間斷監(jiān)控，監(jiān)控周期段，可在短時(shí)間內(nèi)為工作人員提供地鐵隧道運(yùn)行的安全狀態(tài)。

3 地鐵隧道變形監(jiān)測分析及預(yù)報(bào)方法

3.1 測量機(jī)器人的布設(shè)

利用自動(dòng)電子全站儀（ETS）進(jìn)行隧道變形監(jiān)測，該檢測設(shè)備也被稱為測量機(jī)器人，是一種可自動(dòng)對目標(biāo)進(jìn)行搜索、辨認(rèn)、追蹤和校準(zhǔn)的三維坐標(biāo)的智能型監(jiān)測設(shè)備，觀測點(diǎn)采用全站儀自由設(shè)站的原則對隧道變形觀測點(diǎn)進(jìn)行全程監(jiān)測。在觀測點(diǎn)上放反射片，增加感光率，提高觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，其余觀測任務(wù)則由測量機(jī)器人在軟件的控制下自動(dòng)完成。通過對觀測周期的調(diào)節(jié)設(shè)定，可觀測不同時(shí)期的數(shù)據(jù)，然后利用計(jì)算軟件對不同周期的三維坐標(biāo)值進(jìn)行處理，最終獲得觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo)異動(dòng)情況，并以△x，△y，△z表示。在對隧道變形進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，測量機(jī)器人的設(shè)站方法如下：將觀測墩放在第一個(gè)鐵軌的外面，測量機(jī)器人被用底座固定在觀測墩上，外側(cè)用玻璃罩保護(hù)，觀測站安裝反射片的數(shù)目控制在6-16片，安裝區(qū)域分布在墻壁垂線、穹拱、軌道固定點(diǎn)和軌道排水渠各處，在監(jiān)測過程中，所有的坐標(biāo)數(shù)據(jù)均由測量機(jī)器人自動(dòng)采集，然后通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)娇刂品?wù)器上。

3.2 基準(zhǔn)點(diǎn)及工作基點(diǎn)的設(shè)置

對隧道工程進(jìn)行變形監(jiān)測時(shí)，通常將監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)放在車站內(nèi)，如帶有強(qiáng)制歸心裝置的觀測墩處，左側(cè)出入段和左線各設(shè)置3個(gè)階段點(diǎn)，定期對基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行檢測，確保監(jiān)測結(jié)果的可靠性。工作幾點(diǎn)布設(shè)時(shí)，可在監(jiān)測范圍內(nèi)中部的隧道側(cè)墻上設(shè)置托架，長度為400mm，左出入線段和左線分別設(shè)置1個(gè)工作基點(diǎn)；變形監(jiān)測點(diǎn)可按要求的斷面進(jìn)行布設(shè)，每個(gè)斷面在軌道附近的道床上布設(shè)兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，共設(shè)置六個(gè)觀測斷面，對每個(gè)觀測點(diǎn)配備反射棱鏡，棱鏡反射面指向工作基點(diǎn)。

3.3 數(shù)據(jù)處理

3.3.1 變形數(shù)據(jù)處理方法發(fā)展現(xiàn)狀

地鐵隧道變形監(jiān)測的主要目的是通過采集隧道結(jié)構(gòu)的變形數(shù)據(jù)，了解隧道和軌道的運(yùn)行情況，以便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，防止重大安全事故的發(fā)生，同時(shí)為后期的工程提供參考價(jià)值。因此，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)得出變形規(guī)律，進(jìn)而做出科學(xué)的預(yù)報(bào)是監(jiān)測工程的關(guān)鍵所在。由于現(xiàn)在的監(jiān)測手段不斷發(fā)生變化，已經(jīng)由傳統(tǒng)的單一監(jiān)測模式發(fā)展至點(diǎn)、線、面結(jié)合的立體交叉多元監(jiān)測模式，采集的數(shù)據(jù)也由離散型轉(zhuǎn)向連續(xù)性，因此對數(shù)據(jù)的分析預(yù)報(bào)也應(yīng)該由靜態(tài)分析轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)分析。在時(shí)間序列、回歸分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色系統(tǒng)、卡爾曼濾波和小波分析等多種智能分析方法的應(yīng)用，極大的推動(dòng)了變形動(dòng)態(tài)模型的發(fā)展和應(yīng)用。

3.3.2 卡爾曼濾波算法

卡爾曼濾波算法是Kalman在濾波理論的基礎(chǔ)上提出的一種時(shí)域上的狀態(tài)空間分析方法，在該算法中，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的描述通過狀態(tài)方程實(shí)現(xiàn)，狀態(tài)觀測信息通過觀測方法進(jìn)行分析，結(jié)合空間攝影理論，提出的狀態(tài)估計(jì)理論。離散線形系統(tǒng)的卡爾曼濾波模型的狀態(tài)方程和觀測方程可用下式表達(dá)：

①Xk+1=φk+1，kXk+ψk+1，kUk+1+Γk+1，kΩk+1

②Lk+1=Bk+1Xk+1+Gk+1Uk+1+Δk+1

X為狀態(tài)向量，L為觀測向量，U為控制向量，φ為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，ψ為時(shí)刻控制矩陣，B為觀測矩陣，Γ和G為隨時(shí)間變化的系數(shù)矩陣，Δ是觀測噪聲，Ω是動(dòng)態(tài)噪聲。下角標(biāo)為“k”，表示該數(shù)據(jù)為在tk時(shí)刻所測得的數(shù)據(jù)，角標(biāo)為“k+1”時(shí)，則為tk+1時(shí)刻所測得的數(shù)據(jù)；當(dāng)角標(biāo)為“k+1，k”時(shí)，表示該數(shù)據(jù)由k時(shí)刻至k+1時(shí)刻時(shí)間段內(nèi)所測得的數(shù)據(jù)?？柭鼮V波模型的建立基礎(chǔ)是假設(shè)離散線形系統(tǒng)的觀測噪聲和動(dòng)態(tài)噪聲都為零均值白噪聲，且二者之間不存在必然聯(lián)系，在此模型的基礎(chǔ)上可推導(dǎo)出呂爾曼濾波方程以及預(yù)報(bào)方程。

3.3.3 時(shí)間序列分析算法

在分析隨機(jī)數(shù)據(jù)序列時(shí)，時(shí)間序列分析法是一種有效的處理方法，該法通過分析一組時(shí)序相關(guān)的數(shù)據(jù)序列，找到時(shí)間對數(shù)據(jù)的影響規(guī)律，然后在此基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)的變化趨勢做出分析和預(yù)報(bào)。時(shí)間序列分析算法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)、氣象、天文和測繪等多個(gè)領(lǐng)域。若時(shí)間序列{xi}為平穩(wěn)、正態(tài)、零均值，其取值受到前面時(shí)間序列和對應(yīng)噪聲值的影響，按照多元線形回歸思想即可得到該時(shí)間序列的模型，對模型進(jìn)行不同條件設(shè)定時(shí)，可分別獲得自回歸模型和滑動(dòng)平均模型的表達(dá)形式。

3.3.4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的主要功能是繪制變形過程的曲線、數(shù)據(jù)的后處理、數(shù)據(jù)報(bào)表、預(yù)報(bào)警等。實(shí)施繪制曲線的功能可使工作人員能夠直觀、實(shí)時(shí)的查看工程結(jié)構(gòu)變形情況；數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)則通過有效的處理措施后對測量誤差進(jìn)行減弱或消除；預(yù)警系統(tǒng)則對超過參數(shù)設(shè)定值的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警，確保工程的施工安全；報(bào)警方式可通過聲、光方式和短信預(yù)警方式，其中短信預(yù)警既可以手動(dòng)操作，也可以自動(dòng)完成。

3.4 工程應(yīng)用

對某地鐵隧道工程采用三維激光掃描方法進(jìn)行變形監(jiān)測，該隧道1號(hào)線處有熱力管道工程橫穿而過，在工程施工過程中對隧道結(jié)構(gòu)造成了一定的影響，變形區(qū)域由K3+770至K3+810，在對該區(qū)段進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，所得結(jié)果如下：隧道結(jié)構(gòu)最大變形點(diǎn)累積變形量得到+1.90mm，軌道最大變形量累積達(dá)到+1.86mm，軌道沉降最大值為-0.29mm。根據(jù)以上監(jiān)測結(jié)果可知，工程施工對隧道結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的累積變形未超出2mm（變形范圍），熱力管道工程的施工對該段地鐵隧道的結(jié)構(gòu)和軌道沒有影響。通過對監(jiān)測點(diǎn)連續(xù)性監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)與人工監(jiān)測方式相比，該監(jiān)測技術(shù)采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定，其監(jiān)測精度準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié)語

城市化進(jìn)程的不斷加快導(dǎo)致以人口超飽和、城市綠化減少、建筑空間擁擠、交通阻塞嚴(yán)重為代表的城市綜合癥越來越嚴(yán)重，尤其是交通阻塞問題，已經(jīng)嚴(yán)重影響了各大中小型城市的發(fā)展。交通阻塞問題的主要原因是城市交通總?cè)萘坎蛔?，擴(kuò)建道路是解決交通阻塞問題的有效途徑，在城市建筑面積逐漸減少的今天，利用地下軌道擴(kuò)展交通空間，可有效緩解交通阻塞問題。在地下隧道工程施工過程中和投入使用后，工程結(jié)構(gòu)變形問題不可避免，利用先進(jìn)的三維監(jiān)測技術(shù)，對地下隧道工程實(shí)施快速、高效、準(zhǔn)確的變形監(jiān)測，不僅可為地鐵的運(yùn)營提供安全保障，還可為后期的工程建設(shè)提供科學(xué)參考。

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