城市軌道交通施工安全監(jiān)測與控制

代裕清

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070）

1 引言

社會發(fā)展的過程中，交通擁擠問題日益突出，為了能夠有效地解決該類問題，越來越多的城市開始發(fā)展軌道交通建設。但是地鐵工程的施工工藝相對復雜，引發(fā)安全事故的因素也較多，地鐵的施工建設相對而言是一項高風險的工程。此外，地鐵的修建通常都是處于人口相對密集的中心城區(qū)，周圍的環(huán)境復雜，一旦出現事故將會產生不可估計的損失。隨著軌道交通的發(fā)展，軌道交通工程施工中深基坑的開挖也越來越普遍，深基坑的開挖會使周圍的受力狀態(tài)發(fā)生改變，也就會對周圍結構以及建筑物的穩(wěn)定性產生影響[1]。對基坑進行合理的變形監(jiān)測能夠對施工的安全性做出判斷，往往能夠有效防止事故發(fā)生，或者盡可能將事故造成的損失降到最低。地鐵施工變形監(jiān)測與預測就是在地鐵施工的過程中通過測量儀器對周圍的土體以及建筑物的位移等進行實時測量控制，對后續(xù)階段的施工變形做出預測，同時為后續(xù)開挖和支護提出合理建議，確保安全施工[2]。

2 地鐵車站監(jiān)測數據的獲取

2.1 地鐵工程變形監(jiān)測的主要內容

對基坑進行監(jiān)測的主要目的是對基坑周圍的圍護結構以及環(huán)境進行監(jiān)測，同時及時反饋監(jiān)測的信息，然后根據監(jiān)測數據進行對比分析，做出預警。地鐵的開挖方式不同，所需要的監(jiān)測項目也會有所差別。不同開挖形式的監(jiān)測項目如表1所示。

表1 不同開挖形式的監(jiān)測項目

地鐵主要是由車站和地鐵區(qū)間組成，不同施工位置需要監(jiān)測的項目如表2 所示。

表2 不同施工位置的監(jiān)測項目

2.2 地鐵工程各項目監(jiān)測方法

2.2.1 空間位移監(jiān)測

空間位移的監(jiān)測主要包含水平位移、豎向位移、傾斜位移3 個方面。目前，在條件較好的區(qū)域可以通過利用電子全站儀、GPS、無棱鏡電子全站儀等實現3 項監(jiān)測內容的一體化、動態(tài)化和實時化監(jiān)測。水平位移監(jiān)測通常是對基坑的圍護體系進行監(jiān)測，應根據實際情況合理選擇監(jiān)測方法，其中可選擇的方法包含GPS、交會測量、導線、視準線等。GPS 測量法水平位移測量的精度較高，能夠實現全天候全自動監(jiān)測。交會測量的方法監(jiān)測費用較低，不需要特殊的儀器，但其監(jiān)測的精度以及可靠性相對而言更低[3]。

2.2.2 豎向位移監(jiān)測

豎向位移監(jiān)測需要貫穿于整個施工全過程，通常在基坑開挖之前就已經開始監(jiān)測，直到沉降基本停止。通過進行豎向位移監(jiān)測能夠掌握地面的移動以及變形規(guī)律，然后根據變形情況做出預報并提出合理的防治措施。豎向位移監(jiān)測的儀器通常選用水準儀，可以選擇附合水準路線和閉合水準路線兩種測量方式。

2.2.3 傾斜監(jiān)測

傾斜監(jiān)測是在圍護體內安裝測斜管，通過此來反映出基坑圍護結構以及土體的變形規(guī)律，對施工速率進行指導，從而達到保障臨近結構物的安全的目的。

2.2.4 裂縫監(jiān)測

通過裂縫監(jiān)測能夠對裂縫對結構物影響的大小做出判斷。對裂縫的監(jiān)測主要包括裂縫的走向、位置、長、寬、深等參數。對裂縫的測量可以采用千分尺或游標卡尺來直接測量；也可應用攝像機沿著基準線設置比照尺連同裂縫一起攝像，然后再將所拍攝的圖像輸入計算機中，對裂縫進行分析計算。此外，還可以應用裂縫測寬儀與測縫傳感器來對裂縫進行測量。

2.2.5 土壓力監(jiān)測

通過對圍護體系側向壓力變化進行監(jiān)測，能夠確保圍護體系穩(wěn)定。土壓力的監(jiān)測主要是應用土壓力計。

2.2.6 地下水位監(jiān)測

對地下水位進行監(jiān)測，其主要目的是確?；又械闹顾∧贿_到設計要求，地下水位的監(jiān)測主要通過在鉆孔內設置水位管實現。

3 地鐵車站施工變形預測模型研究

3.1 地鐵車站施工變形預測方法

施工過程中，對地鐵車站的變形分析有較多的不確定性因素，目前，變形預測方法主要可以劃分為3 類，分別為曲線擬合類、地基參數反演類以及系統(tǒng)分析類[4]。

曲線擬合類的預測方法是一種經驗方法，將變形近似為某種具有規(guī)律的變化過程，并選擇能表達其變化規(guī)律的函數類型，建立曲線擬合預測模型，根據模型再反演出參數，在后期的變形預測中進行應用。該方法的參數較少、容易確定，且操作性較強。地基參數反演法屬于正演模型，它是由固結理論、數值方法以及本構模型共同建立的。通過對實際檢測數據進行優(yōu)化處理，對現場的相關參數進行反演，從而做到對后期變形情況的預測。系統(tǒng)分類法包含兩類建模思路，其一是輸入-輸出模型法，其二則是動力學方程法。該方法對于有大量數據支撐的項目進行安全分析以及預報較為合適。

3.2 BP 神經網絡預測模型

BP 神經網絡的拓撲關系通常由輸入層、隱含層以及輸出層所組成。BP 神經網絡的運行通常分為兩個階段，分別為學習階段和工作階段。其中，學習過程通常包含兩個階段，其一為信息的正向傳播，其二為誤差的反向傳播。BP 神經網絡的本質就是在輸入與輸出之間的一種非線性映射。誤差反向傳播是計算訓練的關鍵，需要通過目標函數最小化來完成。BP算法的非線性映射能力較強，對于一般的預測問題，通過BP神經網絡能夠得到精準的預測。

但是為了優(yōu)化BP 神經網絡的精度，面對較為復雜的問題，往往需要較長的時間來完成訓練工作，且當訓練逼近局部最小值時，各方面的變化均顯示在該點達到了收斂，導致這種誤差較難以排除。所以，為了提高訓練結果的信任度以及滿意度，通?？梢栽黾泳W絡的層數，降低誤差。另外，可以采用較多的神經元數目來獲得較高的訓練精度，同時還可以增加樣本空間數據，減小參數之間的變化間隔，使數學模型趨于更加精準。選擇不同的初始條件對網絡進行再次訓練，通過觀察不同的訓練結果，選擇最優(yōu)的預測目標。

4 地鐵車站施工監(jiān)測預警信息管理系統(tǒng)的設計與實現

通過對地鐵施工過程中監(jiān)測數據的管理與分析，能夠對變形體的變形狀況進行實時監(jiān)控，從而及時發(fā)現異常，盡可能地避免施工事故的發(fā)生。通過計算機及相關技術建立地鐵車站施工監(jiān)測預警信息管理系統(tǒng)，可以處理監(jiān)測過程中所產生的巨大數據量，做到高效管理和分析。

通過數據管理技術對地鐵施工監(jiān)測各類空間數據以及屬性數據進行集成和一體化管理，可以更加便捷地進行數據的共享以及操作。將所測出的數據以及分析的結果有效進行預警并及時反饋于相關負責人。實現數據從采集、錄入、展現全過程的實時性，給預警決策提供更多的時間。監(jiān)測預警信息管理系統(tǒng)的設計模塊可以分為4 項，分別為數據的輸入與輸出、監(jiān)測數據成圖、監(jiān)測數據預警以及其他功能。從層次方面劃分，該系統(tǒng)可以劃分為表現層、業(yè)務邏輯層以及數據層，如圖1所示。其中，數據層是負責空間數據以及屬性數據的查詢和修改，對系統(tǒng)的數據實現實時管理；業(yè)務邏輯層是整個系統(tǒng)的核心層，主要包含監(jiān)測數據的管理、預警以及成圖等；表現層是與用戶進行交互，將信息反饋于用戶。

圖1 系統(tǒng)總體框架

通過單點預警能夠實現對單一監(jiān)測點號的預警，通過對監(jiān)測累積變化值與預警閾值進行比較分析，從而實現對監(jiān)測項目數據的預警，實現單點預警的技術路線如圖2 所示。模糊預警與單點預警原理一致，只是模糊預警需要輸入累積變化預警閾值以及速率預警閾值，且模糊預警是對單點預警的補充。

圖2 單點預警實現技術路線

5 結語

為了解決城市交通擁堵的問題，越來越多的城市開始逐步發(fā)展軌道交通建設。地鐵的施工工藝復雜，影響因素眾多，施工風險較高，因此，在軌道交通建設的過程中需要對其進行嚴密的監(jiān)測。本文著重介紹地鐵車站需要的監(jiān)測數據，分析了地鐵車站施工變形預測模型，提出了地鐵車站施工監(jiān)測預警信息管理系統(tǒng)設計。