廣州地鐵江街隧道結(jié)構(gòu)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與分析

陳 建 京

(北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司廣州分公司，廣東 廣州 510375)

1 概述

隨著城市的建設(shè)發(fā)展，為了緩解交通擁堵，各大城市大力發(fā)展地鐵建設(shè)，目前廣州地鐵運(yùn)營(yíng)千米數(shù)已達(dá)到530 km。隨著地鐵興起，地鐵周邊地段商業(yè)價(jià)值越來(lái)越高，引起眾多開(kāi)發(fā)商投資建設(shè)。在地鐵保護(hù)區(qū)域內(nèi)建設(shè)施工極易引起地鐵隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，從而影響地鐵安全運(yùn)營(yíng)。地鐵隧道內(nèi)作業(yè)條件對(duì)于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)手段而言，無(wú)法做到隨時(shí)了解地鐵隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生變形情況。測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)具有全天候24 h連續(xù)地自動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及將處理好的數(shù)據(jù)成果通過(guò)4G信號(hào)傳輸至遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)，隨時(shí)能夠了解地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形情況。

2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

2.1 硬件部分

系統(tǒng)主要硬件設(shè)備包括：具有ATR功能的自動(dòng)智能全站儀、參考基準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡、變形監(jiān)測(cè)目標(biāo)棱鏡、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備等，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件組成部分如圖1所示。

1)自動(dòng)智能全站儀:全站儀在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中扮演著重要角色，它具備自動(dòng)搜索、辨別跟蹤以及精確照準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡等功能，并且能獲取目標(biāo)的角度、距離以及三維坐標(biāo)。

2)基準(zhǔn)及監(jiān)測(cè)目標(biāo)棱鏡：基準(zhǔn)點(diǎn)目標(biāo)棱鏡采用的是徠卡的全棱鏡，變形監(jiān)測(cè)目標(biāo)棱鏡是采用徠卡L型小棱鏡，它們是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中全站儀主要自動(dòng)識(shí)別的目標(biāo)。

3)網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備：主要由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊接口、ADSL/光纖專線及路由器三部分組成，它們是實(shí)現(xiàn)全站儀與計(jì)算機(jī)雙向通訊、控制以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟豢苫蛉辈糠帧?/p>

4)計(jì)算機(jī)：實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制全站儀，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程維護(hù)、數(shù)據(jù)管理及信息發(fā)布的主要設(shè)備。

2.2 軟件部分

1)實(shí)時(shí)測(cè)量控制及解算軟件。全站儀安置于變形監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)。主要采用自由設(shè)站方式，由全站儀自動(dòng)精確照準(zhǔn)影響區(qū)域外的基準(zhǔn)點(diǎn)，通過(guò)該軟件自動(dòng)控制全站儀進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集并實(shí)時(shí)對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出測(cè)站的準(zhǔn)確坐標(biāo)以及確定測(cè)站的變形。2)變形監(jiān)測(cè)軟件。變形監(jiān)測(cè)軟件是控制全站儀自動(dòng)對(duì)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行周期性地?cái)?shù)據(jù)采集，同時(shí)能完成數(shù)據(jù)處理及分析、報(bào)表及時(shí)間關(guān)系曲線圖自動(dòng)生成輸出等。3)遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程控制是通過(guò)安放在觀測(cè)房中的ADSL有線通訊方式實(shí)現(xiàn)，由計(jì)算機(jī)通過(guò)ADSL專線與互聯(lián)網(wǎng)連接，計(jì)算機(jī)通過(guò)IP地址或者通訊端口與之連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制發(fā)送控制指令。4)信息發(fā)布管理系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)由全站儀采集完成后，自動(dòng)上傳到遠(yuǎn)程控制的計(jì)算機(jī)中，通過(guò)軟件自動(dòng)處理及分析后進(jìn)行信息發(fā)布。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

1)建立高精度的參考點(diǎn)，采用自由設(shè)站測(cè)量方案，通過(guò)擬穩(wěn)平差的方法可以最大限度利用參考點(diǎn)，分時(shí)段處理可以有效地減弱大氣誤差的影響，從而提高測(cè)量精度。2)簡(jiǎn)化了氣象等附加設(shè)備，為系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、高可靠的變形監(jiān)測(cè)，創(chuàng)造了有利條件。3)在無(wú)人值守的情況下，可以實(shí)現(xiàn)全天24 h連續(xù)地自動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，節(jié)約了大量的人力。4)在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)求得被測(cè)點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，可作全方位的預(yù)報(bào)[1]。

3 工程概況

從化大道下穿北星路隧道基坑設(shè)計(jì)起訖里程K3+061.5～K3+586.5，全長(zhǎng)525.0 m，基坑底邊寬30 m～31.5 m(泵房局部37.96 m)，基坑深度為0.34 m～7.82 m(泵房局部深10.79 m)?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)主要采用部分放坡、800 mm地下連續(xù)墻支護(hù)以及兩道鋼筋混凝土支撐的支護(hù)方式形成密封的止水系統(tǒng)。基坑安全等級(jí)為：基坑泵房處為一級(jí)，其他基坑區(qū)域?yàn)槎?jí)?；游挥趶V州十四號(hào)線江街區(qū)間地鐵隧道的正上方，對(duì)應(yīng)地鐵隧道左線里程起訖ZDK64+175.776～ZDK64+700.776；右線里程起訖YDK64+185.494～YDK64+710.494，基坑與地鐵隧道結(jié)構(gòu)間距為8.95 m～17.47 m，泵房位于地鐵左線上方，與泵房最小距離為7.12 m。根據(jù)相關(guān)規(guī)范以及廣州地鐵安全運(yùn)營(yíng)管理?xiàng)l例要求，在地鐵運(yùn)營(yíng)隧道安全保護(hù)范圍內(nèi)進(jìn)行施工時(shí)，需要對(duì)該影響范圍內(nèi)的運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。本次監(jiān)測(cè)里程范圍為：廣州地鐵十四號(hào)線一期江街區(qū)間隧道左線ZDK64+750 m～ZDK64+125 m；右線YDK64+760 m～YDK64+135 m。

4 監(jiān)測(cè)網(wǎng)的合理布設(shè)

4.1 基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)

十四號(hào)線江街區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)采用獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)，在受基坑開(kāi)挖影響的范圍外于地鐵隧道左線里程ZDK64+770及ZDK64+105處和地鐵隧道右線里程YDK64+780及YDK64+115處各安裝2個(gè)徠卡圓棱鏡作為基準(zhǔn)點(diǎn)，共安裝了8個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。以8個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)作為左右線的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。測(cè)量方法采用自由設(shè)站方式進(jìn)行。測(cè)量技術(shù)要求詳見(jiàn)表1～表3。

表1 平面網(wǎng)水平方向觀測(cè)技術(shù)要求

表2 平面網(wǎng)距離觀測(cè)技術(shù)要求

表3 高程觀測(cè)技術(shù)指標(biāo)限差

4.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

在江街區(qū)間地鐵隧道里程左線ZDK64+750 m～ZDK64+125 m；右線YDK64+760 m～YDK64+135 m范圍內(nèi)，根據(jù)要求每10 m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)斷面兩條隧道共布設(shè)126個(gè)。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面點(diǎn)位埋設(shè)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖2，圖3)，分別位于兩條軌道旁邊、隧道兩側(cè)中部位置以及隧道拱頂。兩條隧道共布設(shè)了630個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用徠卡L型小棱鏡。

5 監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)

本工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求結(jié)合本項(xiàng)目的安全評(píng)估報(bào)告而定，具體數(shù)值見(jiàn)表4。

6 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集及處理

首次數(shù)據(jù)采集時(shí)，先進(jìn)行人工采集學(xué)習(xí)測(cè)量，待學(xué)習(xí)測(cè)量完成后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集通過(guò)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)，由遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)通過(guò)ADSL專線方式與互聯(lián)網(wǎng)連接發(fā)出采集指令，根據(jù)監(jiān)測(cè)頻率要求，調(diào)整全站儀的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理并計(jì)算出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送至遠(yuǎn)程指定的服務(wù)器，最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以下載數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(見(jiàn)圖4，圖5)。

表4 隧道結(jié)構(gòu)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目預(yù)警值、控制值表 mm

7 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果分析

廣州地鐵十四號(hào)線江街區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)貫穿整個(gè)下穿北星路市政隧道基坑施工過(guò)程，歷時(shí)95 d?；娱_(kāi)挖和結(jié)構(gòu)施工結(jié)束前，監(jiān)測(cè)頻率按1次/d進(jìn)行，基坑結(jié)構(gòu)施工完成后至基坑回填覆土期間，每周監(jiān)測(cè)2次，在回填覆土后一個(gè)月內(nèi)進(jìn)行了2次監(jiān)測(cè)。整個(gè)過(guò)程共監(jiān)測(cè)了46次，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

表5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)數(shù)據(jù)成果顯示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)X軸方向累計(jì)最大變形量為：左線隧道Z24-1(-3.19 mm)、右線隧道Y14-1(-3.47 mm)；Y軸方向累計(jì)最大變形量為：左線隧道Z15-3(3.86 mm)、右線隧道Y24-3(-3.21 mm)；Z軸方向累計(jì)最大變形量為：左線隧道Z27-3(-3.43 mm)、右線隧道Y21-1(2.86 mm)。以上各監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)累計(jì)變化較小，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，均在控制范圍內(nèi)，為地鐵安全運(yùn)營(yíng)提供高效保障。

8 結(jié)語(yǔ)

在運(yùn)營(yíng)中的地鐵隧道作業(yè)人員無(wú)法隨時(shí)下隧道測(cè)量作業(yè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)人工處理耗費(fèi)大量時(shí)間。通過(guò)測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中，介紹自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理、監(jiān)測(cè)網(wǎng)的合理布設(shè)、數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果分析等。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有高精度，且全天候24 h數(shù)據(jù)采集，可以有效解決人工監(jiān)測(cè)在地鐵運(yùn)營(yíng)隧道作業(yè)時(shí)間短及人工處理數(shù)據(jù)耗費(fèi)大量時(shí)間的問(wèn)題，大大提高了作業(yè)效率。同時(shí)也節(jié)省了人工成本，可以隨時(shí)了解到隧道結(jié)構(gòu)的變形情況，為地鐵安全運(yùn)營(yíng)提供了高效保障，為今后類似工程項(xiàng)目提供借鑒。