自動化監(jiān)測技術(shù)在基坑開挖周邊既有地鐵隧道變形監(jiān)測中的應(yīng)用

陳德春 段偉 肖文龍

地鐵是在城市中加快交通便利、緩解城市擁堵的重要公共交通，為人民帶來便利的同時，其安全運行是保障人民幸福生活的重要目標(biāo)之一。全國各大城市地鐵系統(tǒng)也在極速發(fā)展，同時帶動地鐵沿線房建項目的興盛，對地鐵沿線工程建設(shè)做好既有地鐵隧道安全監(jiān)測是保證其正常運行的必要手段，也是保障公共安全的重要環(huán)節(jié)。本文主要論述自動化監(jiān)測技術(shù)在城內(nèi)建設(shè)工程對周邊地鐵隧道變形監(jiān)測的應(yīng)用，主要從自動化監(jiān)測智能性、安全性等方面進(jìn)行總結(jié)，對未來運行地鐵隧道變形監(jiān)測技術(shù)提供參考。

一、地鐵隧道變形監(jiān)測現(xiàn)狀

地鐵隧道監(jiān)測環(huán)境陰暗潮濕、場地狹長、地鐵內(nèi)各種帶電設(shè)備復(fù)雜，現(xiàn)階段，采取人工監(jiān)測方式在既有地鐵隧道變形檢測中缺點較為明顯，主要表現(xiàn)為效率較低、可利用監(jiān)測時間短、精確度不足、觀測頻率低、監(jiān)測環(huán)境危險性高及人工成本高等方面。因此自動化監(jiān)測技術(shù)利用互聯(lián)網(wǎng)可以實時監(jiān)測既有地鐵隧道變形情況，既可以解決人工監(jiān)測弊端，又可以大幅提高監(jiān)測效率與精度，通過互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)掌握隧道即時水平位移、垂直位移、斷面變形、收斂變形等方面的基本信息。在隧道中布設(shè)監(jiān)測點，利用監(jiān)測機(jī)器人可長期、持續(xù)性地進(jìn)行監(jiān)測。

二、項目概況

華潤置地·武漢華潤萬象城項目包括1 棟3 8 層（171.0m，建筑面積96400m2）超高層寫字樓、4棟49～58層（164.7～193.1m，建筑面積132000m2）超高層住宅樓、1座7層（34.6～53.0m，建筑面積154000m2）大型商業(yè)綜合體（局部8層）、一座2層商業(yè)街（建筑面積15000m2）及1個4層整體地下室（建筑面積243000m2）。

基坑開挖面積約為6 3 4 2 8 m2，周長1 0 7 6 m，普挖坑底標(biāo)高-1 9.6 0 0 ～2 2.1 0 0 m，基坑普挖深度-19.600～21.100m，局部塔樓區(qū)域坑中坑深度0.500～1.500m?；?xùn)|側(cè)為長江日報南路，南側(cè)為臺北二路，西側(cè)為臺北路，北側(cè)為建設(shè)大道（武漢地鐵7號線）?；又車鷮?yīng)DKO+160.600-DKO+516.600區(qū)間隧道?；訁^(qū)域鳥瞰圖如圖1，地鐵隧道與基坑位置關(guān)系如圖2：

圖1 基坑區(qū)域鳥瞰圖

圖2 地鐵隧道與基坑位置關(guān)系

地鐵管底標(biāo)高-19m，管頂標(biāo)高-13m，其埋深處于第三道支撐以下第四層土方，右線離基坑最短水平距離為17.5m。

三、監(jiān)測方案及自動化監(jiān)測技術(shù)原理

1.儀器與系統(tǒng)

為提高對到監(jiān)測數(shù)據(jù)精確性，經(jīng)過充分討論及多次實地勘探，鑒于本次基坑工程周邊環(huán)境復(fù)雜，地鐵隧道內(nèi)監(jiān)測范圍大、測點多，本次地鐵監(jiān)測采用自動化監(jiān)測為主，人工監(jiān)測為輔的監(jiān)測方式。自動化監(jiān)測系統(tǒng)為徠卡精密測量機(jī)器人TM50+GeoMoS自動監(jiān)測軟件平臺。

2.監(jiān)測點位布置與儀器點位學(xué)習(xí)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及行業(yè)內(nèi)專家意見本次監(jiān)測斷面間距：右線隧道中每6米設(shè)立一個監(jiān)測斷面，延伸區(qū)每10米布設(shè)一個監(jiān)測斷面。右線隧道共布設(shè)65個斷面；左線隧道中每9米設(shè)立一個監(jiān)測斷面，延伸區(qū)每20米布設(shè)一個監(jiān)測斷面；左線隧道共布設(shè)45個斷面。斷面設(shè)點圖如圖3，地鐵隧道監(jiān)測斷面布置圖如圖4：

圖3 斷面設(shè)點圖

圖4 地鐵隧道監(jiān)測斷面布置圖

為充分發(fā)揮徠卡MT50監(jiān)測機(jī)器人自動監(jiān)測效率及經(jīng)濟(jì)效益，本項目監(jiān)測每條隧道線選用3臺MT50監(jiān)測機(jī)器人形成監(jiān)測網(wǎng)在長450米直徑5.5米的曲線隧道內(nèi)對325個隧道監(jiān)測點進(jìn)行監(jiān)測，點位布設(shè)過程中對監(jiān)測機(jī)器人易出現(xiàn)自動尋點異常的監(jiān)測點進(jìn)行精確定位，并通過計算尋點角度范圍，確保自動監(jiān)測采集率達(dá)到百分之百。監(jiān)測點三維建模圖如圖5，現(xiàn)場監(jiān)測點實拍圖如圖6：

圖5 監(jiān)測點三維建模圖

圖6 現(xiàn)場監(jiān)測點實拍圖

3.基準(zhǔn)站的安裝

安裝時應(yīng)保證穩(wěn)定性和考慮位置選擇的合理性。在隧道壁上按一定尺寸鉆孔，打入膨脹螺絲，安裝固定儀器支座（具有足夠的荷載、保證儀器安全并滿足設(shè)備限界要求）。數(shù)據(jù)通訊等附屬設(shè)備安裝在儀器固定支座或其附近。

4.感應(yīng)傳感器的布設(shè)

在擬監(jiān)測區(qū)來車方向前約100米處可設(shè)置一組傳感器（傳感器的具體位置通過現(xiàn)場試驗確定），即當(dāng)?shù)罔F列車車頭到達(dá)傳感器時，感應(yīng)傳感器通過計算機(jī)給測量機(jī)器人一個暫停工作t秒的信號，以解決地鐵列車運行時遮擋引起的不通視以及列車運行時振動、強(qiáng)氣流引起的觀測值不穩(wěn)定的問題。

5.數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)反饋

自動變形監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)總控、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)管理等部分組成，構(gòu)成如圖7：

圖7 自動變形監(jiān)測系統(tǒng)

自動變形監(jiān)測系統(tǒng)通訊模式分為：遠(yuǎn)程遙控預(yù)案和緊急通訊預(yù)案。遠(yuǎn)程監(jiān)測遙控系統(tǒng)具體通訊模型如圖8：

圖8 遠(yuǎn)程監(jiān)測遙控系統(tǒng)

如果隧道監(jiān)測變形數(shù)據(jù)超過設(shè)定警戒值，系統(tǒng)將通過電腦報警，緊急通訊系統(tǒng)具體通訊模型如圖9：

圖9 緊急通訊系統(tǒng)

四、地鐵隧道變形自動化監(jiān)測成果

當(dāng)基坑臨近地鐵隧道區(qū)域土方施工至第三層支撐以下，基坑施工深度約13～15米，自動化監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號，信號反應(yīng)部分管片位移數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)警值。經(jīng)過現(xiàn)場勘探與巡視，挖深區(qū)域輻射管片出現(xiàn)拼縫滲水、后澆筑道床與管片間產(chǎn)生離縫。經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)的收集、整理、匯總，選擇了臨近基坑挖深區(qū)域變形較大管片水平位移變形數(shù)據(jù)源、沉降變形數(shù)據(jù)、管片收斂變形數(shù)據(jù)；非臨近基坑挖深區(qū)域變形較大管片水平位移變形數(shù)據(jù)源、沉降變形數(shù)據(jù)、管片收斂變形數(shù)據(jù)；深挖基坑輻射區(qū)變形較大點同區(qū)同段去向隧道變形數(shù)據(jù)；深挖區(qū)基坑地連墻深層水平位移變形數(shù)據(jù)；臨近地鐵側(cè)基坑冠梁水平位移變形數(shù)據(jù)；基坑內(nèi)降水井水位數(shù)據(jù)；基坑外觀測井水位數(shù)據(jù)。通過將所采集數(shù)據(jù)編制時間-累計變形量曲線圖，進(jìn)行數(shù)據(jù)變化對比發(fā)現(xiàn)：基坑土方施工期間，基坑地連墻及圍護(hù)體系變形量均保持在較為安全的范圍內(nèi)，基坑所采用的1m厚地連墻+三道鋼筋混凝土內(nèi)支撐支護(hù)體系在開挖施工中是相對可靠的；反觀基坑降水情況，雖然基坑外側(cè)采用三軸攪拌樁止水，內(nèi)側(cè)采用三軸攪拌樁對地連墻槽壁加固，但是當(dāng)基坑內(nèi)降水深度達(dá)到17m左右，基坑外水位也隨之下降至13m～14m，降幅達(dá)3m～4m，此處高程正好對應(yīng)地鐵隧道所在高程，以此可見，基坑降水對坑外水位的擾動也正是影響地鐵隧道穩(wěn)定的主要因素。

基坑在開挖期間自身的穩(wěn)定是極其重要的，這一點在施工各階段的投入均有體現(xiàn)。基坑的降水、排水、截水在基坑施工中同樣會得到重視，但是基坑外地下水位的情況會受到季節(jié)、地質(zhì)情況、截水帷幕質(zhì)量、基坑降、排水量等綜合因素的影響，無法非常有針對性地通過坑外地下水位的變化確定基坑施工對輻射區(qū)域的既有建筑及設(shè)施的具體影響。因此基坑施工期間，即使基坑支撐圍護(hù)體系相當(dāng)可靠，也絕不可掉以輕心，基坑施工期間降水作業(yè)是個周期很漫長的過程，此過程對基坑外地下水的影響也必然是持續(xù)的，當(dāng)收到基坑本身穩(wěn)定信號時，基坑外水位逐漸受影響、持續(xù)產(chǎn)生變化的情況容易讓現(xiàn)場人員忽視。軟件反饋環(huán)片變形曲線如圖10：

圖10 軟件反饋環(huán)片變形曲線

基坑地連墻深層水平位移曲線如圖11，管片受影響情況實拍圖如圖12：

圖11 基坑地連墻深層水平位移曲線

圖12 管片受影響情況實拍圖

自動化監(jiān)測系統(tǒng)在既有地鐵隧道變形監(jiān)測發(fā)揮著重要作用，主要體現(xiàn)在以下3點：

1.高精度的測量機(jī)器人是自動化監(jiān)測的精度保障，GeoMoS數(shù)據(jù)采集功能是智能優(yōu)化反映監(jiān)測數(shù)據(jù)的重要手段。

2.監(jiān)測通過在兩頓基準(zhǔn)點不通視的狹長隧道內(nèi)布設(shè)搭接點，實現(xiàn)基準(zhǔn)點坐標(biāo)向測站點的傳遞，從而實現(xiàn)項目區(qū)間段對到結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測。

3.自動監(jiān)測在時間、安全和成本方面改變了傳統(tǒng)被動人工作業(yè)模式，地鐵運行期間也可進(jìn)行監(jiān)控，突破傳統(tǒng)模式監(jiān)測利用時間限制，降低監(jiān)測安全風(fēng)險和成本，有效提高數(shù)據(jù)處理和反饋效率。