地鐵安全監(jiān)測方法探討

趙 磊

(中國市政工程東北設(shè)計研究總院有限公司 吉林長春 130021)

隨著城市化進程的加快，城市發(fā)展需要越來越多地考慮交通便利因素，地鐵的開設(shè)與建設(shè)日益成為城市交通發(fā)展的最佳選擇[1]。地鐵在運營期間受到地面沉降、地面荷載、周邊地下工程開挖、周邊建筑物施工建設(shè)以及地鐵隧道自身結(jié)構(gòu)老化等因素的影響，地鐵隧道不可避免地會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性變形[2-4]。為了保證地鐵安全運營，需要在地鐵運營維護過程中對地鐵結(jié)構(gòu)進行安全監(jiān)測，及時準確獲取地鐵的變形狀況和變形速率，以便預(yù)測和避免發(fā)生安全事故[5-6]。

通過礦山法或盾構(gòu)法等開挖方式建成的地鐵隧道通常為長直線型或長曲線型，具有顯著的自身特征，如何根據(jù)地鐵隧道特性設(shè)計地鐵安全監(jiān)測方法是值得研究的。另外，地鐵安全運營監(jiān)測不同于其他監(jiān)測對象，需要在地鐵當(dāng)日停運后進行，次日開運前結(jié)束，不僅可觀測時間短，而且監(jiān)測要求精度高。本文根據(jù)地鐵運營安全監(jiān)測的特性，充分考慮地鐵周邊各種因素可能對地鐵隧道產(chǎn)生豎向、水平方向上的位移變形及隧道斷面、橫軸方向上的距離變形的影響，提出由沉降監(jiān)測、水平位移監(jiān)測、斷面監(jiān)測和收斂監(jiān)測4種監(jiān)測方法相結(jié)合的地鐵隧道監(jiān)測方法，并將其應(yīng)用于工程項目中，為地鐵變形監(jiān)測提供數(shù)據(jù)參考。

1 地鐵變形監(jiān)測方法

與傳統(tǒng)工程變形監(jiān)測方法不同，地鐵運營安全監(jiān)測通常是在夜間進行，因此需要結(jié)合地鐵變形監(jiān)測的特征進行設(shè)計，主要體現(xiàn)在觀測方案設(shè)計、觀測點布設(shè)和現(xiàn)場觀測技術(shù)等方面。本文根據(jù)地鐵安全監(jiān)測實際測量經(jīng)驗，提出地鐵隧道變形監(jiān)測方法，主要包括沉降觀測、水平位移監(jiān)測、變形監(jiān)測和收斂監(jiān)測。

1.1 沉降觀測

地鐵沉降監(jiān)測通常采用水準測量方法。在地鐵隧道內(nèi)進行夜間水準測量，作業(yè)難度大、時間緊且精度要求高[7]。由于地鐵隧道前進方向通視無遮擋，可以采用電子水準儀進行觀測，可提高觀測效率和精度。天寶(Trimble) DiNi03水準儀穩(wěn)定性好、測量精度高、測量速度快，其每千米往返中誤差小于±0.5 mm，適用于在地鐵隧道內(nèi)進行觀測。

考慮到地鐵隧道的特征，水準網(wǎng)通常布設(shè)成附合水準路線。水準基準點布設(shè)在遠離變形區(qū)域的地鐵軌道底板上，監(jiān)測點沿地鐵軌道中心和兩側(cè)交叉布設(shè)，通常每隔20～30 m布設(shè)一個監(jiān)測點。為提高觀測精度，需要固定觀測人員、觀測儀器、設(shè)站點、觀測線路和觀測環(huán)境條件，同時還需要在水準標尺上安裝燈帶照明。

1.2 水平位移監(jiān)測

根據(jù)地鐵隧道通常呈長直線型的特性，水平位移監(jiān)測網(wǎng)宜采用導(dǎo)線測量布設(shè)，并建立獨立坐標系。水平位移監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)時，通常在變形區(qū)域外的起點和終點處按基準點布設(shè)要求，各布設(shè)3～5個點作為基準點，同時沿軌道中心和兩側(cè)交叉布設(shè)監(jiān)測點，間隔20～30 m。在建立獨立坐標系時，X軸與地鐵軌道前進方向平行，Y軸與垂直軌道方向的兩個基準點的連線方向平行，同時給定這兩個基準點的坐標值。水平位移監(jiān)測通常在坐標系確定后進行，那么監(jiān)測點的位移就主要體現(xiàn)在Y軸方向。當(dāng)監(jiān)測點水平位移量ΔY為正值時，說明監(jiān)測點向基坑方向位移；反之，則說明監(jiān)測點向遠離基坑方向位移。

Leica TM30全自動全站儀具有精度高、可免棱鏡測量、觀測自動化等優(yōu)勢，適用于水平位移觀測、斷面觀測和收斂觀測，是地鐵隧道觀測的常用儀器。

1.3 斷面監(jiān)測

斷面測量采用全站儀進行逐點觀測時，工作效率和精度較低[8]，目前工程上大都采用全自動全站儀的斷面測量功能進行逐點觀測。斷面監(jiān)測時每隔10～20 m設(shè)站觀測，如圖1所示。為提高觀測精度，斷面監(jiān)測除了要求固定觀測人員、固定觀測儀器、固定設(shè)站點、固定觀測線路和固定觀測環(huán)境條件外，還需要固定測站點和儀器高度。利用Leica TM30全自動全站儀自帶的斷面擬合計算功能，可以直接對斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，得到變形監(jiān)測結(jié)果。

圖1 斷面監(jiān)測設(shè)站示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Section Monitoring in Setting Station

1.4 收斂監(jiān)測

收斂監(jiān)測結(jié)果在地鐵隧道監(jiān)測中通常表現(xiàn)為隧道橫軸方向上兩個固定點的距離變化[9]。在地鐵隧道監(jiān)測中，通常在隧道腰線上布設(shè)兩個監(jiān)測點，利用全自動全站儀觀測兩個監(jiān)測點間的距離變化。圖2中，A、B為觀測點，觀測AB基線長度，長度增長表示擴展，長度減少表示收斂。在確定AB基線初始值時，需要獨立觀測3期，每期觀測3次，取誤差范圍內(nèi)的平均值作為AB基線的初始值。

2 工程應(yīng)用

以某地鐵區(qū)間的監(jiān)測為例，對本文提出的地鐵安全監(jiān)測方法進行驗證。該地鐵區(qū)間內(nèi)正在新建寫字樓，在基坑開挖和施工過程中會影響地鐵安全運營，需要對其進行變形監(jiān)測?；游挥诘罔F隧道北側(cè)，距離地鐵隧道邊線最近處為25.4 m，距離地鐵隧道頂部的高度為2.96～5.92 m，基坑墊層底標高為7.8 m?；优c地鐵位置關(guān)系如圖3所示。地鐵安全監(jiān)測范圍為基坑邊線對應(yīng)的地鐵線路里程區(qū)域及前后100 m范圍內(nèi)，長度320 m。為了準確掌握地鐵隧道變形情況，本項目對地鐵安全監(jiān)測范圍內(nèi)的隧道進行了沉降監(jiān)測、水平位移監(jiān)測、斷面監(jiān)測和收斂監(jiān)測。

圖3 地鐵與基坑的位置關(guān)系Fig.3 Location Relationship between the Subway and Foundation Pit

根據(jù)《城市軌道交通工程測量規(guī)范》GB 50308—2008和《建筑變形測量規(guī)范》JGJ 8—2007，同時結(jié)合項目單位的監(jiān)測要求，確定項目監(jiān)測相關(guān)控制參數(shù)，如表1所示。

表1 監(jiān)測指標控制參數(shù)Tab.1 Control Parameters of Monitoring Index 監(jiān)測項目報警值/ mm警戒值/ mm允許值/mm沉降監(jiān)測±3±6±10水平位移監(jiān)測±3±6±10斷面監(jiān)測±5±10±15收斂監(jiān)測±2±4±8

每天地鐵安全監(jiān)測完成后，要求及時處理監(jiān)測數(shù)據(jù)、整理和分析監(jiān)測成果，當(dāng)天提交監(jiān)測成果及分析報告，并結(jié)合監(jiān)測指標進行分析，掌握地鐵隧道是否處于安全狀態(tài)。

2.1 沉降監(jiān)測

基準點布設(shè)在遠離變形區(qū)80～120 m外的軌道底板上，左線和右線按基準點布設(shè)要求各布設(shè)4個基準點。在基坑邊線對應(yīng)區(qū)間隧道范圍內(nèi)，左線每隔約10 m布設(shè)一個監(jiān)測點，右線每隔約20 m布設(shè)一個監(jiān)測點。同時，在邊線對應(yīng)范圍外左線和右線每隔20 m布設(shè)一個監(jiān)測點。沉降監(jiān)測點布設(shè)在軌道底板上，左線和右線共布設(shè)30 個監(jiān)測點。

由于每天的觀測時間非常有限，并且隧道內(nèi)觀測可以忽略儀器沉降、尺承沉降和光照影響等誤差源的影響，因此本項目水準測量采用BBFF(后—后—前—前)的觀測方法[10]。為了提高測量速度，采取固定儀器站的方法控制視線長度、視線高度和視距差等。

水準網(wǎng)測量數(shù)據(jù)或沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)采用科傻平差軟件進行嚴密平差。水準網(wǎng)初期進行兩次獨立觀測，取兩次觀測值的均值作為各基準點的初始高程。歷次垂直位移測量都起始于基準點，構(gòu)成閉合或附合水準路線，按測站數(shù)進行閉合差分配，計算各監(jiān)測點的高程。垂直沉降量以上隆為正值，下沉為負值。左線地鐵隧道監(jiān)測點歷次沉降值如圖4所示。

圖4 地鐵隧道沉降變形趨勢Fig.4 Trends of Settlement Change in Subway Tunnel

本項目沉降監(jiān)測報警值設(shè)計為小于±3 mm，警戒值設(shè)計為小于±6 mm。從圖4可知，截至第20期，各監(jiān)測點沉降變形值均小于±1 mm，在變形安全范圍內(nèi)。

2.2 水平位移監(jiān)測

水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)采用二等導(dǎo)線測量方法進行測量，左線和右線分別按基準點要求各布設(shè)4 個基準點(SJZ1、SJZ2、SJZ3、SJZ4，SJY1、SJY2、SJY3、SJY4)，區(qū)間隧道左線布設(shè)16 個監(jiān)測點(Z2～Z17)，右線布設(shè)9 個監(jiān)測點(Y2、Y3、Y5、Y7、Y9、Y10、Y12、Y14和Y16)，共布設(shè)了25個監(jiān)測點。

考慮到監(jiān)測區(qū)為直線段，左線和右線各自建立其獨立的平面直角坐標系，平面直角坐標系的Y軸與軌道平行。平面直角坐標系左線以SJZ1與SJZ2連線為Y軸，并假設(shè)SJZ2的起算坐標為(0 m，0 m)；右線以SJY1與SJY2連線為Y軸，并假設(shè)SJY2的起算坐標為(100 m，0 m)。這樣，Y軸所有控制點與監(jiān)測點的坐標值均大于0。

由于隧道內(nèi)較暗，需要采用Leica TM30全自動全站儀固有的自動照準功能進行觀測。初次觀測時，首先在SJZ2(SJY2)點架設(shè)儀器，對車站內(nèi)SJZ1(SJY1)基準點進行定向和測距(用于建立獨立平面直角坐標系)，再測定SJZ3(SJY3)點的坐標；然后在SJZ3(SJY3)點設(shè)站，瞄準SJZ2(SJY2)進行定向和測距后，測定SJZ4(SJY4)點的坐標。水平位移監(jiān)測采用極坐標法。

在SJZ2(SJY2)點架設(shè)儀器，定向SJZ1(SJY1)基準點，檢測SJZ3(SJY3)點坐標，若SJZ3(SJY3)測量坐標值與初始值的差值小于等于0.5 mm，認為SJZ3(SJY3)點穩(wěn)定，則以SJZ3(SJY3)點為定向點。同樣，采用極坐標法測量Z2～Z17(Y2～Y17)各水平位移監(jiān)測點。

基于隧道內(nèi)的觀測條件及精度要求，如果隧道內(nèi)的水平位移監(jiān)測點的視距大于100 m，必須觀測2個測回，小于100 m可以觀測1測回。水平距離正倒鏡各觀測一次為1個測回。水平位移主要指X方向的變化量。水平位移量以向施工工地方向位移為正值，反之為負值。地鐵隧道水平位移監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

本項目水平位移變形值的報警值設(shè)計為 3 mm，警戒值設(shè)計為小于±6 mm。從圖5可知，截至第20期，各監(jiān)測點水平位移變形值均小于±2.5 mm，在變形安全范圍內(nèi)。

圖5 地鐵隧道水平位移變形Fig.5 Changes of Horizontal Displacemen in Subway Tunnel

2.3 斷面監(jiān)測

本項目在地鐵隧道內(nèi)每隔15 m布設(shè)1 個斷面，每個斷面采集15 個監(jiān)測點。采用Leica TM30全自動全站儀的斷面測量功能進行斷面測量。根據(jù)隧道斷面掃描數(shù)據(jù)，分析斷面的整體變形和局部變形情況，數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)可以同時顯示360°連續(xù)采樣點變形圖形，斷面上各點以向外拉張為正，向內(nèi)壓縮為負。地鐵隧道斷面變形曲線如圖6所示。

圖6 斷面變形曲線Fig.6 Deformation Curve of Section

本項目斷面監(jiān)測報警值設(shè)計為小于±5 mm，警戒值設(shè)計為小于±10 mm。從圖6可知，斷面整體變形值均小于±2.3 mm，在變形安全范圍內(nèi)。

2.4 收斂監(jiān)測

在區(qū)間隧道左線布設(shè)16 個監(jiān)測點(SL2～SL17)，用于收斂監(jiān)測。這16 個監(jiān)測點的斷面與對應(yīng)的沉降監(jiān)測點(Z2～Z17)所在斷面重合。采用Leica TM30全自動全站儀進行觀測。收斂變形量以兩點間距離變長為正值，反之為負值。區(qū)間隧道收斂變化情況如圖7所示。

圖7 收斂監(jiān)測結(jié)果Fig.7 Results of Convergence Monitoring

本項目收斂監(jiān)測報警值設(shè)計為小于±2 mm，警戒值設(shè)計為小于±4 mm。從圖7可知，各監(jiān)測點收斂值均小于±1 mm，在變形安全范圍內(nèi)。

2.5 變形分析

根據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》要求，當(dāng)變形量未超過報警值時說明其是安全的，當(dāng)超過允許值后，就需要對該建筑物進行分析研判，進行安全評估和應(yīng)急處理。本地鐵安全監(jiān)測項目，采用本文提出的地鐵安全監(jiān)測方法，得到的沉降變形值在±1 mm以內(nèi)，水平位移值在±2.5 mm以內(nèi)，斷面變形值在±2.3 mm以內(nèi)，收斂變形值在±1mm以內(nèi)，說明該地鐵隧道在有建筑施工的情況下，仍處于安全狀態(tài)。實際應(yīng)用中，若變形值超過警戒值，則要加大監(jiān)測頻率，確保及時掌握變形情況，若變形值超過允許值，則要及時通知項目單位，與相關(guān)部門一起對監(jiān)測結(jié)果進行分析研判，尋找變形誘因，做好應(yīng)對措施。

3 結(jié) 語

不同于其他工程觀測對象，地鐵變形安全監(jiān)測具有顯著的自身特性，因此，根據(jù)地鐵自身特性制定合適的監(jiān)測方案是獲取高精度監(jiān)測結(jié)果的關(guān)鍵。本文根據(jù)地鐵隧道特性，提出了地鐵隧道變形安全監(jiān)測的主要內(nèi)容與技術(shù)方法，并結(jié)合實際工程應(yīng)用，詳細介紹了沉降、水平位移、斷面和收斂等方面的監(jiān)測方案、施測方法及分析研判等，可為地鐵安全監(jiān)測提供技術(shù)參考。