既有線車站及區(qū)間隧道保護(hù)的自動化監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用分析*

鄭 艷，金 鑫，侯林鋒，余小柳

(1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 測繪遙感信息學(xué)院，廣東 廣州 510510；2.北京城建勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101)

0 引言

為確保佛山市軌道交通三號線換乘車站桂城站施工期間其上方的廣佛線的運(yùn)營安全，采用自動化監(jiān)測系統(tǒng)對既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行了動態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。考慮到佛山市地鐵三號線桂城站地質(zhì)條件差、周圍環(huán)境復(fù)雜的項(xiàng)目特點(diǎn)，施工監(jiān)測采用測量機(jī)器人自動化監(jiān)測、第三方監(jiān)測采用靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測兩種不同方法對換乘車站進(jìn)行監(jiān)。

1 工程概況

桂城站為佛山三號線的第二十五座車站，是三號線與已運(yùn)營廣佛線的換乘站。車站有效站臺中心里程為BK53+018.727，設(shè)計(jì)起終點(diǎn)里程為BK52+879.427～BK53+090.827。車站為地下三層12 m島式車站，全長211.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬為20.9 m，車站基坑開挖深度為24.22～26.27 m。

本車站基坑開挖深度范圍內(nèi)的巖土層劃分為8大層(各層內(nèi)可再細(xì)分亞層)，巖土分層自上至下分別為：(1)素填土、(2-1B)淤泥質(zhì)土、(2-2-1)粉細(xì)砂、(2-1A)淤泥、(2-4)粉質(zhì)粘土、(3-1)粉細(xì)砂、(3-2)中砂、(3-3)礫砂、(5N-1)粉質(zhì)粘土、(6)全風(fēng)化碎屑巖、(7)強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、(8)中等風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

車站揭露的軟土層具有高含水量，透水性差，低強(qiáng)度，高壓縮性、靈敏度高的，容易引起壓縮沉降，松散狀砂土中等液化，壓縮性大，導(dǎo)水作用強(qiáng)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差，容易引發(fā)基坑失穩(wěn)。

車站附近無地表水分布，地表水文地質(zhì)條件簡單。由于本車站砂層普遍分布，地下水豐富，地層滲透性好，所以主要影響為地下水。地下水位的變化受地形地貌和地下水補(bǔ)給來源等因素控制，地下水位埋深較淺。每年4～10月為雨季，大氣降雨充沛，水位會明顯上升，而在冬季因降水減少，地下水位隨之下降，水位年變化幅度為2.5～3.0 m。地下水類型按賦存方式主要為砂層孔隙承壓水和基巖裂隙水。砂層孔隙承壓水賦存于砂層之中，水量豐富，滲透性中等～強(qiáng)；基巖裂隙水，賦存于強(qiáng)～中等風(fēng)化基巖中，水量較少，滲透性弱～微透水。綜合所述，本車站場地水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度中等。

2 風(fēng)險(xiǎn)源識別

2.1 換乘節(jié)點(diǎn)與既有線距離太近，且因歷史原因未完成施工

佛山軌道交通3號線與既有廣佛線桂城站為十字交叉換乘，在車站負(fù)三層進(jìn)行節(jié)點(diǎn)換乘；按照廣佛線桂城站的原設(shè)計(jì)方案，該換乘節(jié)點(diǎn)為廣佛線完成施工并預(yù)留。但在廣佛線桂城站負(fù)三層結(jié)構(gòu)施工時(shí)，發(fā)生漏水漏砂；在結(jié)構(gòu)僅完成一半情況下，施工方將換乘節(jié)點(diǎn)臨時(shí)回填。因此，三號線桂城站二次開挖換乘節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)高，施工難度大。

2.2 換乘節(jié)點(diǎn)埋深周邊的地層圍巖等級差

換乘節(jié)點(diǎn)為地下負(fù)三層結(jié)構(gòu)，埋深約17～22 m，周邊的地層為(3-1)粉細(xì)砂、(3-2)中砂、(3-3)礫砂、(5N-1)粉質(zhì)粘土、(6)全風(fēng)化碎屑巖、(7)強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等；一方面工程性質(zhì)差，另一方面既有廣佛線桂城站施工時(shí)土方開挖、漏水漏砂時(shí)注漿搶險(xiǎn)等對周邊地層擾動較大，導(dǎo)致該部位工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)較高。

2.3 既有廣佛線的桂城站正常運(yùn)營，對換乘節(jié)點(diǎn)施工前的注漿及后續(xù)的開挖施工要求更高

為保證既有廣佛線的正常運(yùn)營，要求換乘節(jié)點(diǎn)的施工安排在運(yùn)營結(jié)束后的夜間，一方面安排相關(guān)人員進(jìn)入廣佛線桂城站的軌行區(qū)進(jìn)行人工巡視，另一方面采用全自動機(jī)器人和靜力水準(zhǔn)進(jìn)行自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測。但技術(shù)手段都有一定的局限性和滯后性，故對施工前的注漿施工及后續(xù)開挖施工在工藝方法和施工參數(shù)選擇上都具有超前性，避免出現(xiàn)較大偏差影響既有廣佛線桂城站的正常運(yùn)營。

3 自動化監(jiān)測方案及實(shí)施

根據(jù)要求，本項(xiàng)目采用徠卡TS30測量機(jī)器人和HD-2NJ103靜力水準(zhǔn)儀兩種不同儀器對換乘車站進(jìn)行監(jiān)測，將兩者的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，現(xiàn)簡要介紹一下這兩種自動化監(jiān)測手段的原理及實(shí)施[1-4]。

3.1 基準(zhǔn)點(diǎn)布置

在地鐵桂城站受施工影響區(qū)域外的地鐵隧道左右線兩端分別布設(shè)4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，共8個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，它們分布在離施工段較遠(yuǎn)，受基坑施工影響較小的穩(wěn)定區(qū)域。監(jiān)測點(diǎn)在整個(gè)監(jiān)測過程中都必須保持良好的穩(wěn)定性且不易被破壞。

3.2 監(jiān)測點(diǎn)布置

監(jiān)測斷面的設(shè)計(jì)為：既有地鐵廣佛線桂城站換乘節(jié)點(diǎn)及兩側(cè)50 m范圍的既有線結(jié)構(gòu)。

本項(xiàng)目擬于換乘節(jié)點(diǎn)地鐵一號線左右線隧道各布設(shè)17個(gè)監(jiān)測斷面，施工影響區(qū)域每個(gè)斷面間隔約5～10 m，共34個(gè)斷面，每個(gè)監(jiān)測斷面分別布設(shè)4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。

監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)情況見圖1。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)現(xiàn)場照片

3.3 靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測

本項(xiàng)目采用晶硅式靜力水準(zhǔn)儀自動化監(jiān)測，晶硅式靜力水準(zhǔn)儀是一種差壓式的傳感器，利用各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)之間的壓力值的變化計(jì)算出沉降量，傳感器精度高，體積小、量程大，在其量程之內(nèi)，靜力水準(zhǔn)儀可以隨著地面走勢安裝而不需要調(diào)平，全密封結(jié)構(gòu)可以埋設(shè)于地下方便道路交通。靜力水準(zhǔn)傳感器如圖2所示。

圖2 靜力水準(zhǔn)傳感器

3.4 監(jiān)測項(xiàng)目及監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

本工程的監(jiān)測范圍上下行線隧道區(qū)間監(jiān)測總長度110 m，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和規(guī)范，確定本項(xiàng)目監(jiān)測項(xiàng)目、測點(diǎn)布置和精度要求，如表1所示。

表1 監(jiān)測項(xiàng)目、測點(diǎn)布置及精度要求

4 監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 監(jiān)測概況

桂城站地下連續(xù)墻動工日期為2017年8月11日，2018年7月基坑開挖，至2019年5月底板全部澆筑完成。為了解地下連續(xù)墻施工及基坑開挖期間對廣佛線桂城站的影響，需對桂城站進(jìn)行監(jiān)測，達(dá)到信息化施工，為地鐵運(yùn)營安全保護(hù)措施提供依據(jù)。

4.2 監(jiān)測項(xiàng)目報(bào)警值、控制值及監(jiān)測預(yù)警分類

根據(jù)設(shè)計(jì)要求、相關(guān)規(guī)范，確定各監(jiān)測項(xiàng)目報(bào)警值及控制值，如表2所示。

表2 隧道結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.3.1 隧道結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測

根據(jù)施工進(jìn)度于2017年7月23日進(jìn)行首次觀測，至2019年6月10日，所有測點(diǎn)累計(jì)位移最大監(jiān)測點(diǎn)是S17-1，累計(jì)位移值為1.76 mm，最后一個(gè)月的平均變形速率為0.009 mm/d；累計(jì)位移最小監(jiān)測點(diǎn)是S12-3，累計(jì)位移值為0.01 mm。各觀測點(diǎn)沒有發(fā)現(xiàn)異常變形，累計(jì)位移量未超過設(shè)計(jì)報(bào)警值(4.25 mm)和控制值(5 mm)。

4.3.2 下行線水平位移監(jiān)測

根據(jù)施工進(jìn)度于2017年7月23日進(jìn)行首次觀測，至2019年6月10日，所有測點(diǎn)累計(jì)位移最大監(jiān)測點(diǎn)是X5-2，累計(jì)位移值為1.79 mm，最后一個(gè)月的平均變形速率為0.006 mm/d；累計(jì)位移最小監(jiān)測點(diǎn)是X4-3，累計(jì)位移值為0.04 mm。各觀測點(diǎn)沒有發(fā)現(xiàn)異常變形，累計(jì)位移量未超過設(shè)計(jì)報(bào)警值(4.25 mm)和控制值(5 mm)。

4.3.3 隧道結(jié)構(gòu)豎向位移監(jiān)測

1)上行線豎向位移監(jiān)測。根據(jù)施工進(jìn)度于2017年7月23日進(jìn)行首次觀測，至2019年6月10日，所有測點(diǎn)累計(jì)沉降最大監(jiān)測點(diǎn)是S8-1，累計(jì)沉降值為-1.96 mm，最后一個(gè)月的平均變形速率為-0.001 mm/d；累計(jì)沉降最小監(jiān)測點(diǎn)是S10-2，累計(jì)沉降值為0.04 mm。各觀測點(diǎn)沒有發(fā)現(xiàn)異常變形，累計(jì)沉降量未超過設(shè)計(jì)報(bào)警值(8.5 mm)和控制值(10 mm)。

2)下行線豎向位移監(jiān)測。根據(jù)施工進(jìn)度于2017年7月23日進(jìn)行首次觀測，至2019年6月10日，所有測點(diǎn)累計(jì)沉降最大監(jiān)測點(diǎn)是X8-4，累計(jì)沉降值為-1.94 mm，最后一個(gè)月的平均變形速率為-0.013 mm/d；累計(jì)沉降最小監(jiān)測點(diǎn)是X1-2，累計(jì)沉降值為-0.07 mm。各觀測點(diǎn)沒有發(fā)現(xiàn)異常變形，累計(jì)沉降量未超過設(shè)計(jì)報(bào)警值(8.5 mm)和控制值(10 mm)。

4.3.4 隧道結(jié)構(gòu)收斂監(jiān)測

1)上行線隧道結(jié)構(gòu)收斂監(jiān)測。根據(jù)施工進(jìn)度于2017年7月23日進(jìn)行首次觀測，至2019年6月10日，所有測點(diǎn)累計(jì)收斂最大監(jiān)測點(diǎn)是JGC-02-26，累計(jì)收斂值為2.50 mm，最后一個(gè)月的平均變形速率為-0.013 mm/d；累計(jì)收斂最小監(jiān)測點(diǎn)是JGC-02-19，累計(jì)收斂值為0.10 mm。各觀測點(diǎn)沒有發(fā)現(xiàn)異常變形，累計(jì)收斂值未超過設(shè)計(jì)報(bào)警值(4.25 mm)和控制值(5 mm)。上行隧道收斂累計(jì)計(jì)量曲線如圖3所示。

圖3 上行隧道收斂累計(jì)計(jì)量曲線圖

2)下行線隧道結(jié)構(gòu)收斂監(jiān)測。根據(jù)施工進(jìn)度于2017年7月23日進(jìn)行首次觀測，至2019年6月10日，所有測點(diǎn)累計(jì)收斂最大監(jiān)測點(diǎn)為JGS-02-01，累計(jì)收斂值為2.70 mm，最后一個(gè)月的平均變形速率為-0.006 mm/d；累計(jì)收斂最小監(jiān)測點(diǎn)為JGS-02-09，累計(jì)收斂值為0.10 mm。各觀測點(diǎn)沒有發(fā)現(xiàn)異常變形，累計(jì)收斂值未超過設(shè)計(jì)報(bào)警值(4.25 mm)和控制值(5 mm)。下行隧道收斂累計(jì)計(jì)量曲線如圖4所示。

圖4 下行隧道收斂累計(jì)計(jì)量曲線圖

4.3.5 車站頂部沉降監(jiān)測

根據(jù)施工進(jìn)度于2017年9月1日進(jìn)行首次觀測，2018年7月基坑開挖，至2019年6月10日，開挖期間所有測點(diǎn)累計(jì)沉降最大監(jiān)測點(diǎn)是CJ30，累計(jì)沉降值為-2.95 mm，最后一個(gè)月的平均變形速率為-0.019 mm/d；累計(jì)沉降最小監(jiān)測點(diǎn)是CJ2，累計(jì)沉降值為-0.26 mm。各觀測點(diǎn)沒有發(fā)現(xiàn)異常變形，累計(jì)沉降量未超過設(shè)計(jì)報(bào)警值(10 mm)和控制值(12.5 mm)。

4.3.6 站廳層沉降監(jiān)測

根據(jù)施工進(jìn)度于2017年9月1日進(jìn)行首次觀測，2018年7月基坑開挖，至2019年6月10日，開挖期間所有測點(diǎn)累計(jì)沉降最大監(jiān)測點(diǎn)為JGC-02-50，累計(jì)沉降值為-2.70 mm，最后一個(gè)月的平均變形速率為0.001 mm/d；累計(jì)沉降最小監(jiān)測點(diǎn)為JGC-02-13，累計(jì)沉降值為-0.13 mm。各觀測點(diǎn)沒有發(fā)現(xiàn)異常變形，累計(jì)沉降量未超過設(shè)計(jì)報(bào)警值(10 mm)和控制值(12.5 mm)。站廳層沉降觀測累計(jì)計(jì)量曲線圖如圖5所示。

圖5 站廳層沉降觀測累計(jì)計(jì)量曲線圖

4.3.7 既有線換乘節(jié)點(diǎn)監(jiān)測

2019年6月14日桂城站既有線換乘節(jié)點(diǎn)開始水平注漿，7月17日水平注漿施工完成，東西側(cè)各注漿24個(gè)孔，累計(jì)共48個(gè)孔，注漿時(shí)間為廣佛線晚上停運(yùn)后至次日早上5點(diǎn)左右。8月6日開始進(jìn)行換乘節(jié)點(diǎn)負(fù)三層洞門破除及土方掏挖，9月15日桂城站既有線換乘節(jié)點(diǎn)全部施工完成。

廣佛既有線桂城站軌行區(qū)第三方監(jiān)測安裝自動化靜力水準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)測，施工監(jiān)測按照測量機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)測，自動化監(jiān)測手段優(yōu)點(diǎn)為：儀器設(shè)備靈敏、監(jiān)測頻率高、監(jiān)測精度高、施工過程中對既有線的變形影響反應(yīng)效果好。

換乘節(jié)點(diǎn)施工過程中，施工監(jiān)測與第三方監(jiān)測24 h現(xiàn)場值班，實(shí)時(shí)觀測軌行區(qū)變形情況，在注漿及泄水過程中通過自動化監(jiān)測多次發(fā)現(xiàn)變形趨勢，施工單位根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)或工藝，對既有線換乘節(jié)點(diǎn)的安全施工起了重要作用。

自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖6。

圖6 自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 工程實(shí)施效果

由于既有線車站及區(qū)間隧道白天均在運(yùn)營期間不利于人工監(jiān)測工作的開展，給監(jiān)測工作帶來極大的不便，而自動化監(jiān)測技術(shù)可以較好地解決上述問題，且自動化監(jiān)測相對于人工監(jiān)測的優(yōu)勢異常明顯，所以在既有線的風(fēng)險(xiǎn)防控中，自動化監(jiān)測是不可替代的監(jiān)測手段。

通過監(jiān)測工作的實(shí)施，掌握在工程施工過程中影響范圍內(nèi)的既有線車站結(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)、區(qū)間隧道及附屬通道結(jié)構(gòu)的變化，為建設(shè)方及運(yùn)營方提供及時(shí)可靠的數(shù)據(jù)和信息，評定施工對既有線結(jié)構(gòu)和軌道的影響，為及時(shí)判斷既有線結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營安全狀況提供依據(jù)，對可能發(fā)生的事故提供及時(shí)、準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，使有關(guān)各方有時(shí)間做出反應(yīng)，避免惡性事故的發(fā)生，確保既有線安全運(yùn)營。

6 結(jié)論

通過測量機(jī)器人和靜力水準(zhǔn)遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測在本工程中的具體應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)：基于測量機(jī)器人和靜力水準(zhǔn)的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，具有簡便靈活、無人值守、 實(shí)時(shí)動態(tài)的監(jiān)測特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)測量方法的不足，極大地提高了工作效率。 監(jiān)測系統(tǒng)為基坑開挖提供了準(zhǔn)確、及時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，是運(yùn)營地鐵隧道變形監(jiān)測的有效手段。

測量機(jī)器人自動化監(jiān)測和靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測具有以下優(yōu)勢[5-6]：

1)無人值守，完全自動。系統(tǒng)能對各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行全自動(定時(shí)或連續(xù))長期監(jiān)測，無論酷暑嚴(yán)冬、刮風(fēng)下雨、白天黑夜從不間斷，不丟失信息。

2)監(jiān)測精度高。系統(tǒng)能以目前大地測量方法所能達(dá)到最高精度—毫米級精度測定監(jiān)測點(diǎn)的位移，對盡早發(fā)現(xiàn)異常，分析變形規(guī)律，將災(zāi)害消滅在萌芽狀態(tài)以及確切進(jìn)行預(yù)警和預(yù)報(bào)非常必要。

3)實(shí)時(shí)處理，可視化顯示。系統(tǒng)經(jīng)計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)處理和可視化顯示的，測量結(jié)果是實(shí)時(shí)處理，保證真實(shí)再現(xiàn)現(xiàn)場情況，便于洞察變化趨勢，能給領(lǐng)導(dǎo)決策提供科學(xué)依據(jù)。

4)可靠性高，運(yùn)行成本低。系統(tǒng)構(gòu)成主要由全站儀、計(jì)算機(jī)和它們之間的通訊、供電電纜組成。故障率低，維護(hù)比較方便，運(yùn)行成本較低。

5)監(jiān)測精度高(可達(dá)0.1 mm)，在測量豎向位移方面精度優(yōu)于測量機(jī)器人。

6)結(jié)構(gòu)簡單，靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)、傳感器安裝方便；液體介質(zhì)采用特殊溶液，具有防凍、防霉、不揮發(fā)等特征，提高了系統(tǒng)的可靠性。

7)在風(fēng)險(xiǎn)較高的外部影響施工地區(qū)，采用測量機(jī)器人加靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)可以更好地控制施工風(fēng)險(xiǎn)，信息化指導(dǎo)高風(fēng)險(xiǎn)階段的施工，確?，F(xiàn)場施工安全風(fēng)險(xiǎn)可控。