鐵路隧道工程自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

丁高偉，許 鋒，王艷華

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308）

隨著城市建設(shè)不斷加快，鄰近運(yùn)營(yíng)鐵路隧道的施工越來(lái)越多，不可避免對(duì)運(yùn)營(yíng)鐵路隧道造成一定影響；鐵路隧道的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，周邊施工極易對(duì)其產(chǎn)生影響，如果不能全天候進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)很難及時(shí)預(yù)警，而隧道一旦發(fā)生大的坍塌事故將會(huì)造成巨大災(zāi)難和社會(huì)影響[1]，傳統(tǒng)的人工測(cè)量已不適用運(yùn)營(yíng)鐵路隧道的監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)逐步被使用。

本文以東莞市廣惠城際鐵路隧道臨近管廊施工為例，介紹了鐵路隧道工程自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)。

1 工程概況

某管廊工程與廣惠城際鐵路隧道并行，基坑最深12.55 m，放坡開挖，工程結(jié)構(gòu)部分位于隧道正上方。基坑與隧道結(jié)構(gòu)外緣的最大水平凈距為4.74 m，基坑底部標(biāo)高位于鐵路隧道頂上方9～13 m。鐵路隧道部分位于1.5倍基坑開挖深度影響區(qū)域內(nèi)，長(zhǎng)度195.320 m。見圖1。

圖1 工程與城際鐵路平面關(guān)系

2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的實(shí)施

2.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及控制值

根據(jù)設(shè)計(jì)、咨詢、業(yè)主及鐵路部門的相關(guān)要求并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，綜合制定自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)精度及控制值[2]。見表1。

表1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)要求mm

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

隧道結(jié)構(gòu)豎向和水平位移及洞內(nèi)收斂變形監(jiān)測(cè)需沿左右拱腰位置布置棱鏡,主要影響范圍5 m左右一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，次要影響范圍10 m左右一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共設(shè)置44個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用以棱鏡為主的元器件。布點(diǎn)時(shí)首先在隧道內(nèi)壁上鉆孔，孔深約8 cm，孔徑約1.6 cm，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)棱鏡用兩個(gè)化學(xué)錨栓及植筋膠錨固于隧道內(nèi)壁上并用兩個(gè)螺帽進(jìn)行加固；由于高鐵運(yùn)營(yíng)速度較快，在活塞效應(yīng)作用下，為保證監(jiān)測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定性，避免監(jiān)測(cè)點(diǎn)脫落帶來(lái)災(zāi)難性事故，觀測(cè)點(diǎn)棱鏡通過(guò)化學(xué)錨栓與L形支架連接。見圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

采用徠卡智能全站儀TS60進(jìn)行觀測(cè)。見圖3。

圖3 全站儀安裝平面

2.3 測(cè)站設(shè)置方法

本項(xiàng)目共設(shè)置2座測(cè)站。由于隧道內(nèi)條件復(fù)雜，為保證通視，隧道內(nèi)測(cè)站采用定制的全站儀鋼支架。為避免隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)基站、采集控制箱安裝完成后在洞內(nèi)風(fēng)壓的影響下倒向鐵路軌道一側(cè)，在相應(yīng)的設(shè)備上方邊墻位置鉆打6顆?12 mm化學(xué)錨栓，使用鋼絲連接設(shè)備與化學(xué)錨栓，相應(yīng)的測(cè)站同步布置于隧道壁上并將全站儀底座通過(guò)強(qiáng)制對(duì)中盤固定在測(cè)站支架上。見圖4。

圖4 測(cè)站布設(shè)點(diǎn)位

2.4 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

采用測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，具有自動(dòng)測(cè)量、處理、發(fā)送、預(yù)警、控制等功能。每個(gè)測(cè)量周期完成后，系統(tǒng)自動(dòng)上傳測(cè)量成果，如果出現(xiàn)需要報(bào)警的情況，上傳的數(shù)據(jù)通過(guò)云端服務(wù)期設(shè)置的報(bào)警值自動(dòng)預(yù)警并發(fā)送各方，另外此系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)比等智能化功能[3]，可一目了然觀看實(shí)時(shí)變形趨勢(shì)。

當(dāng)這種錦鯉情結(jié)與企業(yè)營(yíng)銷相掛鉤，即企業(yè)官方社交媒體(以新浪微博和騰訊微信為主)以“話題+福利”方式發(fā)布相關(guān)訊息，人們隨之進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)與評(píng)論，錦鯉式營(yíng)銷便形成了。這種錦鯉式營(yíng)銷利用了社交媒體平臺(tái)的傳播渠道，傳播速度快，覆蓋范圍廣。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位安裝調(diào)試后，將采集好的初始值發(fā)送到全站儀并設(shè)置好觀測(cè)間隔時(shí)間，全站儀通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收命令自動(dòng)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)的棱鏡，觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)全站儀自動(dòng)處理后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)成果分析系統(tǒng)復(fù)核無(wú)誤后，直接把最終成果推送各參建單位，如有預(yù)警或異常情況，計(jì)算機(jī)會(huì)通過(guò)短信方式發(fā)送各方，避免了人為操作，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。見圖5。

圖5 系統(tǒng)自動(dòng)流程運(yùn)轉(zhuǎn)

2.5 監(jiān)測(cè)方法

1）觀測(cè)采用的徠卡TS60全站儀具有目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別與馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)精瞄固定棱鏡及自動(dòng)跟蹤移動(dòng)目標(biāo)功能，測(cè)量更迅速便利，即使在弱光或惡劣的觀測(cè)環(huán)境下也能正常工作。儀器自動(dòng)記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線傳輸發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)自動(dòng)平差，避免人為誤差，平差后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由服務(wù)器發(fā)送到監(jiān)測(cè)成果分析系統(tǒng)中，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)表的自動(dòng)生成、分析以及發(fā)送工作[4]。

2）現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)時(shí)，儀器測(cè)站先與影響區(qū)外的控制點(diǎn)進(jìn)行連測(cè)取得坐標(biāo)值，然后以影響區(qū)外的控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)出平面控制點(diǎn)的坐標(biāo)。以同樣的方法測(cè)出影響區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，作為測(cè)量的初始值。首次觀測(cè)時(shí)應(yīng)重復(fù)測(cè)量三次，取其平均數(shù)作為初始值[5]。

3）平面控制點(diǎn)要定期與附近的起算點(diǎn)進(jìn)行連測(cè)，若控制點(diǎn)發(fā)生位移，在進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)把監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量累加進(jìn)去，作為最終的位移值，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測(cè)時(shí)間為2020年7月1日—2020年12月30日，歷時(shí)6個(gè)月，從施工前采集初始值至整個(gè)工程完成，隧道未出現(xiàn)變形情況，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未報(bào)警，直至施工完成，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位拆除并進(jìn)行了隧道內(nèi)恢復(fù)，未出現(xiàn)安全及其他事故。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)時(shí)每次自動(dòng)監(jiān)測(cè)成果與初始值進(jìn)行對(duì)比，分別得到ΔX、ΔY、ΔH3個(gè)方向的變化值。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的最終成果以報(bào)表形式顯示，以隧道DM2斷面為例，監(jiān)測(cè)歷時(shí)沉降曲線見圖6。

圖6 歷時(shí)沉降曲線

由圖6可知，自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)存下以下特點(diǎn)。

1）波動(dòng)性：豎向和水平位移存在范圍內(nèi)波動(dòng)，具體根據(jù)儀器的自動(dòng)測(cè)量誤差決定，正常情況下波動(dòng)幅度在±1 mm以內(nèi)，現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)條件能滿足施工及各方需要。

2）穩(wěn)定性：當(dāng)施工對(duì)隧道未造成影響時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈穩(wěn)定變化，不會(huì)出現(xiàn)急劇增大或減小等異常情況。

3）關(guān)聯(lián)性：當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)隧道產(chǎn)生影響時(shí)，影響的不是某個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，而是整個(gè)斷面或部分隧道；因此隧道變化時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)斷面或整片數(shù)據(jù)都會(huì)出現(xiàn)異變、突變或逐漸變化等異常情況。

4）偶發(fā)性：自動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)人員無(wú)法隨時(shí)進(jìn)入，隧道內(nèi)觀測(cè)條件復(fù)雜多變，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)被遮擋，觀測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)偶發(fā)性的異常或監(jiān)測(cè)無(wú)規(guī)律的情況；因此監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析人員應(yīng)作出適當(dāng)?shù)呐袛嗪吞蕹饔茫乐共徽鎸?shí)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)。

4 注意事項(xiàng)

1）現(xiàn)場(chǎng)施工前完成點(diǎn)位布設(shè)及初始值采集。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置需根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及要求進(jìn)行埋設(shè)，遠(yuǎn)離火車及其他設(shè)備并做好點(diǎn)位的錨固、防護(hù)及標(biāo)識(shí)工作，防止監(jiān)測(cè)點(diǎn)位脫落、侵限。

2）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所使用的儀器設(shè)備及連接設(shè)施必須保證在有效期內(nèi)，所有儀器在使用前必須進(jìn)行全面檢查，確保能在監(jiān)測(cè)過(guò)程中正常使用，當(dāng)出現(xiàn)粗差或被遮擋時(shí)，通過(guò)自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制終端預(yù)先設(shè)置的重復(fù)測(cè)量，進(jìn)行二次測(cè)量或多次測(cè)量[6]。

3）在監(jiān)測(cè)過(guò)程中準(zhǔn)備可以隨時(shí)更換的儀器設(shè)備，如現(xiàn)場(chǎng)儀器不能正常監(jiān)測(cè)時(shí)，能夠進(jìn)行設(shè)備更換，確保自動(dòng)化監(jiān)測(cè)順利進(jìn)行。

4）全站儀安裝完成后，必須做好固定防護(hù)及現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)識(shí)工作，不得私自動(dòng)用或調(diào)整儀器；儀器調(diào)試完成后，必須關(guān)閉激光，防止自動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)激光紅線引發(fā)火車司機(jī)啟動(dòng)制動(dòng)流程等。

5）增加溫度、氣壓感應(yīng)器，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償修正，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論及建議

1）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)可以對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)縫式連接，做到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一鍵式接入，從而讓儀器自身對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體管理，進(jìn)而做到對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、成果分析及數(shù)據(jù)發(fā)送等功能的自我糾正，避免了人為參與。

2）自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)式安全響應(yīng)，從現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)超限、匯報(bào)決策層、決策措施方案及方案落地，能及時(shí)、有效、快速的進(jìn)行部署，多方及時(shí)進(jìn)行參與，把安全隱患消滅在萌芽狀態(tài)。

3）針對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)隧道的特殊性、封閉性、復(fù)雜性及鐵路運(yùn)營(yíng)的固定性采用階梯式預(yù)警，自動(dòng)化高頻率的監(jiān)測(cè)，能更好服務(wù)各參建方。

4）應(yīng)委托有資質(zhì)的第三方監(jiān)測(cè)單位進(jìn)行實(shí)施，同時(shí)第三方監(jiān)測(cè)方案必須報(bào)對(duì)應(yīng)的業(yè)主、咨詢、設(shè)計(jì)以及鐵路主管部門進(jìn)行審查，審查時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注監(jiān)測(cè)內(nèi)容，點(diǎn)位保護(hù)工作等。

5）國(guó)家及行業(yè)內(nèi)應(yīng)繼續(xù)加大對(duì)隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行探究，加強(qiáng)對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)儀器及配套設(shè)施靈敏度反應(yīng)以及實(shí)施場(chǎng)地的靈活性等方面的研發(fā)工作，使自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更全面、準(zhǔn)確，適應(yīng)性更強(qiáng)，為鐵路隧道自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作的開展提供科學(xué)依據(jù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)?！酢?/p>