基于兩臺(tái)測(cè)量機(jī)器人共組自動(dòng)化系統(tǒng)在地鐵安全保護(hù)監(jiān)測(cè)中的實(shí)踐

摘 要：新建基坑工程臨近地鐵運(yùn)營(yíng)線路時(shí)易導(dǎo)致地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平、豎向、扭轉(zhuǎn)等變形，降低列車(chē)安全運(yùn)營(yíng)指標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)影響地鐵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及行車(chē)安全，因地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)段人工監(jiān)測(cè)無(wú)法保證在隧道內(nèi)高頻次實(shí)施，故采用測(cè)機(jī)器人全程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地鐵結(jié)構(gòu)（軌道）三維空間變形關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)施工、保護(hù)監(jiān)測(cè)及地鐵運(yùn)營(yíng)等各方動(dòng)態(tài)管理、協(xié)調(diào)目的。

關(guān)鍵詞：測(cè)量機(jī)器人；地鐵保護(hù)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

0.引言

地鐵建設(shè)經(jīng)過(guò)“洞通”、“軌通”、“電通”、“車(chē)通”四部曲后進(jìn)入運(yùn)營(yíng)階段，承載著長(zhǎng)期安全運(yùn)送乘客的交通功能，然隨時(shí)間推移，不可避免的出現(xiàn)地鐵車(chē)站或隧道外部地下空間開(kāi)發(fā)建設(shè)的作業(yè)，這便對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵的結(jié)構(gòu)安全存在不可定量預(yù)測(cè)的形變影響，而地鐵結(jié)構(gòu)允許承受的變形量為毫米級(jí)，變形超標(biāo)可能影響地鐵安全運(yùn)營(yíng)，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的安全事故，因地鐵運(yùn)營(yíng)及調(diào)試等原因，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)無(wú)法保證在運(yùn)營(yíng)隧道內(nèi)高頻次實(shí)施，也無(wú)法滿足即時(shí)分析處理數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反饋監(jiān)測(cè)信息和保證施工過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)施工、保護(hù)監(jiān)測(cè)及地鐵運(yùn)營(yíng)等各方動(dòng)態(tài)管理、協(xié)調(diào)的目的，為此，重要的外部作業(yè)[1]施工全程需采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地鐵結(jié)構(gòu)（軌道），以掌握地鐵結(jié)構(gòu)變形程度及發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)而優(yōu)化施工。

1.工程概況

某基坑項(xiàng)目長(zhǎng)度230m，寬度150m～194m，深度13m，采用放坡+鉆孔灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合支護(hù)以及坑外管井降水方案，在基坑?xùn)|側(cè)是地鐵盾構(gòu)區(qū)間，圍護(hù)樁外皮距地鐵右線結(jié)構(gòu)外皮約8m，距左線結(jié)構(gòu)外皮約20m～43m，垂直投影對(duì)應(yīng)地鐵里程K3+238～K3+450，該段地鐵盾構(gòu)區(qū)間為曲線段、潛覆土，半徑R=700m、拱頂埋深13.49～14.33m，工程地質(zhì)從上到下依次為雜填土、粗砂、礫砂、圓礫。

2.變形分析預(yù)測(cè)

臨近地鐵側(cè)的深基坑工程施工通常會(huì)打破基坑周邊土體初始應(yīng)力狀態(tài)使之發(fā)生改變，尤其是基坑開(kāi)挖階段，受土體卸載和降水的影響易造成周邊地層損失及地層內(nèi)部含水滲出，引發(fā)周邊土體變位，進(jìn)而導(dǎo)致地鐵隧道結(jié)構(gòu)隨周邊土體變位而發(fā)生水平、豎向、扭轉(zhuǎn)等變形，其中過(guò)大的結(jié)構(gòu)水平位移、縱向不均勻沉降和橫向差異沉降會(huì)嚴(yán)重降低地鐵安全運(yùn)營(yíng)指標(biāo)，甚至引起道床與結(jié)構(gòu)的分離、軌道設(shè)備幾何形變，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生吊板、暗坑、三角坑等病害，易造成列車(chē)沖擊、搖晃甚至脫軌，產(chǎn)生安全事故[2]。

3.方案設(shè)計(jì)

根據(jù)工程項(xiàng)目實(shí)際情況，基坑開(kāi)挖、地下結(jié)構(gòu)施工、基坑回填及地面結(jié)構(gòu)施工至地上4層共計(jì)13個(gè)月，采用2臺(tái)萊卡TCA2003（標(biāo)稱(chēng)精度：0.5″，1+1ppm）測(cè)量機(jī)器人對(duì)地鐵區(qū)間右線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)采用人工監(jiān)測(cè)定期校核，人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)位與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)位同里程斷面。

3.1 監(jiān)測(cè)范圍

工程直接影響區(qū)里程K3+238～K3+450兩端各延長(zhǎng)約20m，即監(jiān)測(cè)范圍為地鐵里程K3+218～K3+470；

3.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

隧道結(jié)構(gòu)的（差異）沉降、水平位移及徑向收斂，地鐵道床的（差異）沉降、水平位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

3.3 測(cè)點(diǎn)布置

直接影響區(qū)每10米設(shè)置一處監(jiān)測(cè)斷面，兩端延伸區(qū)每20米設(shè)置一處監(jiān)測(cè)斷面，布點(diǎn)斷面詳見(jiàn)圖3，共設(shè)置24處監(jiān)測(cè)斷面，詳見(jiàn)圖1。

3.4 監(jiān)測(cè)頻率

（1）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)階段

正常情況下基坑土方開(kāi)挖階段1次/4小時(shí)，主體結(jié)構(gòu)施工階段1次/8小時(shí)，當(dāng)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)警或施工異常時(shí)加密監(jiān)測(cè)頻次。

（2）人工監(jiān)測(cè)校核控制

人工監(jiān)測(cè)初始值與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)初始值同日確定，而后每15天定期監(jiān)測(cè)，與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)、校核，當(dāng)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)警或施工異常時(shí)加密監(jiān)測(cè)頻次。

3.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

采用武漢大學(xué)開(kāi)發(fā)的“自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)后處理系統(tǒng)”首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)及連接網(wǎng)點(diǎn)的嚴(yán)密網(wǎng)平差，使2臺(tái)儀器通過(guò)連接網(wǎng)點(diǎn)建立聯(lián)系，進(jìn)而調(diào)整儀器三維坐標(biāo)參數(shù)，再通過(guò)調(diào)整后的儀器參數(shù)對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行差分平差和嚴(yán)密網(wǎng)平差，得出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位精確數(shù)據(jù)，最后對(duì)本期數(shù)據(jù)與初始和上期數(shù)據(jù)對(duì)比，進(jìn)而計(jì)算出累計(jì)變形量和當(dāng)期變形量。

3.6 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)和道床的豎向位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目累計(jì)控制值6mm、速率1mm/天，水平位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目累計(jì)控制值6mm、速率1mm/天，縱向差異沉降累計(jì)控制值4mm/10m、速率1mm/天，橫向差異沉降累計(jì)控制值2mm、速率1mm/天，結(jié)構(gòu)徑向收斂累計(jì)控制值4mm、速率1mm/天。

3.7 變形控制標(biāo)準(zhǔn)管理制度

3.8 信息反饋管理

在本地智能采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加無(wú)線傳輸模塊，利用無(wú)線Internet網(wǎng)進(jìn)行采集控制和數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)控主機(jī)接入Internet網(wǎng)實(shí)施遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)分析和變形監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息即時(shí)反饋，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)施工、保護(hù)監(jiān)測(cè)及地鐵運(yùn)營(yíng)等各方動(dòng)態(tài)管理、協(xié)調(diào)的目的。

3.9 其他說(shuō)明

（1）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中4處基準(zhǔn)點(diǎn)分別選取在監(jiān)測(cè)范圍外30m處的隧道結(jié)構(gòu)側(cè)壁，兩臺(tái)測(cè)量機(jī)器人分別布置在里程K3+283和里程K3+293處結(jié)構(gòu)側(cè)壁，兩儀器間通過(guò)6處連接網(wǎng)點(diǎn)聯(lián)通測(cè)量控制網(wǎng)，連接網(wǎng)點(diǎn)成對(duì)出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)兩側(cè)壁，里程分別為K3+310、K3+333和K3+373，詳見(jiàn)圖1。

（2）根據(jù)誤差傳播理論，在100米內(nèi)使用0.5″、1mm+1ppm的全站儀，觀測(cè)精度可以保證在1mm 以?xún)?nèi)，當(dāng)測(cè)站和觀測(cè)點(diǎn)強(qiáng)制對(duì)中時(shí)，對(duì)提高觀測(cè)精度有利。

4.監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與施工優(yōu)化

基坑整體從北至南分層開(kāi)挖，6月26日基坑?xùn)|側(cè)整體土方開(kāi)挖深度約-3m，7月22日基坑?xùn)|側(cè)整體土方開(kāi)挖深度約-5m，7月30日基坑?xùn)|側(cè)整體土方開(kāi)挖深度約-8.5m，該階段開(kāi)挖速度較快，對(duì)地鐵隧道造成整體隆起變形，如圖4所示。

由圖4變形曲線圖反映，基坑?xùn)|側(cè)挖深-3m時(shí)隧道結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，挖深-5m時(shí)S01～S24監(jiān)測(cè)點(diǎn)位呈現(xiàn)隆起變形且趨勢(shì)一致，總體來(lái)講地鐵隧道北段S02～S08隆起量較南段大，這與基坑由北至南開(kāi)挖順序相符，待基坑挖深-8.5m時(shí)S01～S24監(jiān)測(cè)點(diǎn)位整體呈現(xiàn)明顯的“凸”字形隆起變形，最大變形點(diǎn)位S12隆起量3.04mm，至8月16日基坑挖深-10m首次出現(xiàn)單點(diǎn)隆起量4.0mm接近黃色報(bào)警值時(shí)，基坑停止開(kāi)挖直至8月30日復(fù)工，通過(guò)近10天自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，基坑停挖后因“時(shí)空效應(yīng)”隧道不能立即終止變形趨勢(shì)，隆起變形持續(xù)約7天后終止，截止8月26日監(jiān)測(cè)點(diǎn)S12最大隆起值為4.16mm，S12最大水平位移值為1.78mm，與人工監(jiān)測(cè)校核點(diǎn)位S12′變形一致。

變形主要因?yàn)榛娱_(kāi)挖過(guò)快，基坑壁側(cè)向水平變形引起隧道上方土體松散，隧道底部土體應(yīng)力釋放引起隧道隆起變形，加上降水施工使得地下水位下降，隧道上方原地下水重量消失造成隧道上方壓重不足，兩因素造成的隧道隆起變形疊加。為利于下步施工對(duì)地鐵隧道變形控制，指導(dǎo)施工單位優(yōu)化三項(xiàng)施工措施，并在后續(xù)監(jiān)測(cè)中進(jìn)行驗(yàn)證：（1）基坑開(kāi)挖施工應(yīng)分段并間隔兩段進(jìn)行，分段長(zhǎng)度沿地鐵線路縱向不超過(guò)25m，橫向不超過(guò)30m，挖出土方反壓在相鄰段上；（2）繼續(xù)降低地下水位至隧道中腰位置或以下，減少地下水對(duì)地鐵隧道的浮力作用；（3）合理組織各施工步序，加快結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度，地下室主體結(jié)構(gòu)施工完成后盡快組織結(jié)構(gòu)與支護(hù)樁之間的縫隙回填。

5.隧道變形控制效果

圖5顯示地鐵隧道隆起變形在2012年7月15日至8月20日急劇增長(zhǎng)后，通過(guò)采取以上3項(xiàng)施工措施可有效控制隧道繼續(xù)隆起變形，最終隧道整體隆起呈現(xiàn)“凸”字形，穩(wěn)定值在4mm以?xún)?nèi)，滿足地鐵運(yùn)營(yíng)管理部門(mén)要求。

圖6顯示地鐵隧道水平位移變形控制良好，最終隧道整體水平位移也呈現(xiàn)“凸”字形，監(jiān)測(cè)點(diǎn)S12僅在沈陽(yáng)冬期凍脹階段略接近4mm，其余時(shí)間節(jié)點(diǎn)均控制在4mm以?xún)?nèi)，滿足地鐵運(yùn)營(yíng)管理部門(mén)要求。

6.結(jié)論語(yǔ)

采用兩臺(tái)萊卡TCA2003測(cè)量機(jī)器人通過(guò)6處連接網(wǎng)點(diǎn)建立的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度高且穩(wěn)定可靠，解決了常規(guī)人工監(jiān)測(cè)頻次低的難題，彌補(bǔ)了單臺(tái)測(cè)量機(jī)器人無(wú)法高精度監(jiān)測(cè)長(zhǎng)距離隧道變形的不足，通過(guò)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)、即時(shí)分析處理數(shù)據(jù)，為項(xiàng)目成功提供了充足的數(shù)據(jù)保障和決策依據(jù)，通過(guò)建立的現(xiàn)場(chǎng)施工、保護(hù)監(jiān)測(cè)和地鐵運(yùn)營(yíng)各方的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，及時(shí)優(yōu)化了施工步序、開(kāi)挖方法、工程進(jìn)度和調(diào)整了列車(chē)運(yùn)營(yíng)速度管理，從而實(shí)現(xiàn)信息化動(dòng)態(tài)施工管理。

參考文獻(xiàn)

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【文章編號(hào)】1006-2688（2016）09-0033-03

【作者簡(jiǎn)介】陳鋮（1981-），男，江蘇徐州人，2014年3月在職研究生就讀于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，工程碩士。2011年獲得中級(jí)工程師職稱(chēng)?，F(xiàn)就職于徐州市城市軌道交通有限責(zé)任公司，主要負(fù)責(zé)安全、質(zhì)量監(jiān)督及工程驗(yàn)收。