自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)在地鐵隧道中的應(yīng)用與分析

陳小鴻

(福建經(jīng)緯測繪信息有限公司，福建 福州 350001)

因?yàn)榈罔F隧道所處環(huán)境往往比較復(fù)雜，管線和地質(zhì)條件多變，并且地鐵隧道經(jīng)常穿越居住區(qū)和商業(yè)區(qū)，所以其安全性十分重要。地鐵建造最為常用的就是盾構(gòu)隧道施工技術(shù)，但是這種方式往往會(huì)擾動(dòng)原地層，導(dǎo)致地層發(fā)生隆起、沉降等變形，進(jìn)一步影響到地表建筑。當(dāng)面臨既有線路運(yùn)營、小半徑曲線及上軟下硬巖質(zhì)等問題時(shí)，怎樣安全穿過運(yùn)行中的既有地鐵線路開展施工活動(dòng)是一大難題[1-2]。對(duì)地鐵隧洞變形情況實(shí)施監(jiān)測，分析其變形趨勢，是保證施工和臨近地鐵、建筑物安全的主要手段。然而，由于隧洞內(nèi)情況復(fù)雜、條件有限、人工監(jiān)測存在一定困難，并且不能保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，因此多采用自動(dòng)化監(jiān)測方式。自動(dòng)化監(jiān)測可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)快速、精準(zhǔn)地傳輸至技術(shù)人員手中，幫助技術(shù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，確保工程安全進(jìn)行[3-4]。下面以某市區(qū)地鐵三號(hào)線下穿地鐵四號(hào)線為例，介紹自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)，并對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，進(jìn)一步總結(jié)出本項(xiàng)目施工活動(dòng)對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，為相關(guān)工程提供指導(dǎo)和參考。

1 工程概況

將某市區(qū)內(nèi)地鐵三號(hào)線下穿地鐵四號(hào)線部分作為研究對(duì)象，在施工時(shí)期對(duì)現(xiàn)場開展了實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測工作，取得實(shí)測數(shù)據(jù)并進(jìn)行整理分析。在此部位的線路中，平面曲線半徑最小值為340 m，線間距為10.0～15.0 m，隧道軌面埋深為11～31 m。區(qū)間左線起終點(diǎn)里程為 ZCK29+706至ZCK31+311，短鏈為8.414m，區(qū)間長度為1601.732 m；右線起終點(diǎn)里程為YCK29+701至YCK31+311。

2 監(jiān)測系統(tǒng)概況

2.1 監(jiān)測設(shè)備

當(dāng)行車區(qū)間密度較大時(shí)，傳統(tǒng)監(jiān)測手段實(shí)施較為困難，并且也無法采集和反饋數(shù)據(jù)，滿足不了工程需求，因此選取進(jìn)口全站儀(萊卡TCA2003)開展地鐵四號(hào)線軌道和隧道結(jié)構(gòu)變形持續(xù)遠(yuǎn)程自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測。由于軌道結(jié)構(gòu)和隧道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以將水平位移、隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置于地鐵四號(hào)線結(jié)構(gòu)上，同時(shí)選用自動(dòng)化監(jiān)測手段。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)

CR10作為一類智能控制模塊，可以把CR10和傳感器相連接入通信網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測變形目的，并具有遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和持續(xù)測量的功能，解決了由于地鐵使用時(shí)期軌行區(qū)禁止人員入內(nèi)而導(dǎo)致監(jiān)測工作無法開展的問題。與此同時(shí)，MD9能夠把傳感器和多組CR10構(gòu)成的分項(xiàng)監(jiān)測連接起來，形成一個(gè)完整的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。通過這個(gè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，能夠達(dá)到實(shí)時(shí)持續(xù)監(jiān)測目的，并且各分項(xiàng)監(jiān)測之間采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)互不干擾，可以使工作效率得到很大提高。一個(gè)功能健全的動(dòng)態(tài)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)能夠在沒有技術(shù)人員操作的情況下，順利完成自動(dòng)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、處理及儲(chǔ)存、報(bào)表編制等操作，監(jiān)測系統(tǒng)組件包括棱鏡、自動(dòng)化全站儀、供電與通訊電纜、專用軟件、計(jì)算機(jī)。監(jiān)測開始前將4臺(tái)全站儀架設(shè)在地鐵四號(hào)線隧道里，每臺(tái)全站儀負(fù)責(zé)監(jiān)測的沉降范圍是80 m，除基準(zhǔn)點(diǎn)不受變形區(qū)影響，其余所有監(jiān)測點(diǎn)都在變形區(qū)可影響區(qū)域里。由于地面控制中心開展地鐵隧道變形遠(yuǎn)程監(jiān)測活動(dòng)借助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，所以現(xiàn)場要將通信網(wǎng)絡(luò)布設(shè)好。

3 監(jiān)測結(jié)果和分析

3.1 道床變形曲線

根據(jù)最后得到的變形數(shù)據(jù)能夠看出：在地鐵三號(hào)線右線穿過四號(hào)線右線后，監(jiān)測點(diǎn)R7-9處的沉降最大，變形值達(dá)-6.4 mm，并保持穩(wěn)定；在地鐵三號(hào)線左線穿過四號(hào)線右線后，監(jiān)測點(diǎn)R4-7為沉降值最大點(diǎn)，變形值達(dá)-11.2 mm，且受到右線和左線的疊加影響。兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的沉降值均符合設(shè)計(jì)要求，也在可控制范圍之內(nèi)(地鐵設(shè)施沉降絕對(duì)值不得大于20 mm)，主要監(jiān)測面沉降隨時(shí)間變化曲線見圖1至圖4。

圖1 三號(hào)線右線穿過四號(hào)線右線道床垂直位移變化曲線

圖2 三號(hào)線右線穿過四號(hào)線左線道床垂直位移變化曲線

圖3 三號(hào)線左線穿過四號(hào)線右線道床垂直位移變化曲線

圖4 三號(hào)線左線穿過四號(hào)線左線道床垂直位移變化曲線

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析和安全性判斷

以各監(jiān)測點(diǎn)垂直方向變形及施工進(jìn)度為基礎(chǔ)，分時(shí)期和階段選取線性或非線性回歸方程對(duì)時(shí)域之外的沉降量進(jìn)行推算[5]。對(duì)于地鐵施工和運(yùn)行期間的安全性評(píng)價(jià)來說，沉降監(jiān)測結(jié)果是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的依據(jù)。根據(jù)業(yè)主企業(yè)及國家標(biāo)準(zhǔn)，在地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降速度大于2 mm/天或沉降值快到警報(bào)值10 mm時(shí)，要立刻將沉降情況上報(bào)給相關(guān)部門和業(yè)主單位，并組織施工單位技術(shù)人員對(duì)其原因進(jìn)行分析，便于快速給出應(yīng)對(duì)方案。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果將地鐵結(jié)構(gòu)沉降大致分成三個(gè)不同的階段，具體如下：

第一沉降階段(7月2日至7月21日)，在此期間累計(jì)變形值波動(dòng)范圍為±1 mm，表示施工活動(dòng)未對(duì)測點(diǎn)造成影響，隧洞狀態(tài)比較穩(wěn)定，隧洞結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的幅度較小。

第二沉降階段(7月22日至8月20日)，在此期間累計(jì)變形值增加速度呈現(xiàn)上升趨勢，造成此現(xiàn)象的原因是地鐵四號(hào)線里的危險(xiǎn)部位與地鐵三號(hào)線盾構(gòu)施工發(fā)生交匯，而盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中需要不斷對(duì)扭矩、注漿壓力、注漿量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在調(diào)整過程中勢必會(huì)對(duì)地鐵四號(hào)線造成影響。在盾構(gòu)機(jī)從地鐵四號(hào)線下方完全穿過并完成二次注漿工作后，監(jiān)測結(jié)果變化幅度逐漸減小，慢慢回歸平穩(wěn)狀態(tài)。參考工程力學(xué)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，能夠借助對(duì)數(shù)函數(shù)來對(duì)施工活動(dòng)造成的土體沉降量進(jìn)行擬合。

第三沉降階段(8月21日至9月5日)，在此期間累計(jì)變形值回歸平緩狀態(tài)，與第一階段相似，在某一值上下波動(dòng)，波動(dòng)幅度較小，表示隧道又回到了平穩(wěn)狀態(tài)，地鐵結(jié)構(gòu)在此時(shí)是安全穩(wěn)定的。

以監(jiān)測角度進(jìn)行分析，沉降值與時(shí)間關(guān)系圖中拐點(diǎn)的確定尤為重要，第一、三階段沉降過程較為平穩(wěn)，對(duì)其預(yù)測選取了時(shí)間序列里的AR(t)模型(自回歸模型)。下面重點(diǎn)說明第二階段擬合情況，第一、三階段不在這里展開敘述。

3.3 建立擬合模型并分析擬合效果

目前，主要采用確定模型法和回歸分析法來分析結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和變形原因，在這兩種方法中回歸分析法使用相對(duì)更為廣泛?；貧w分析法又細(xì)分為非線性和線性兩類[6]，包括對(duì)數(shù)趨勢、指數(shù)趨勢、多項(xiàng)式趨勢、線性趨勢。趨勢項(xiàng)可以借助最小二乘法來擬合曲線，并以此預(yù)測其趨勢。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，可以把地鐵結(jié)構(gòu)沉降大致分成3個(gè)不同時(shí)期：當(dāng)開挖面未經(jīng)過監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)狀態(tài)在一段時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定，這一階段的預(yù)測方式可以選取平穩(wěn)時(shí)間序列或一元線性回歸函數(shù)；當(dāng)開挖面經(jīng)過監(jiān)測點(diǎn)且時(shí)間未超過半個(gè)月時(shí)，這一階段的預(yù)測方式可以選取對(duì)數(shù)函數(shù)曲線；當(dāng)開挖面經(jīng)過監(jiān)測點(diǎn)且時(shí)間超過半個(gè)月時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)狀態(tài)繼續(xù)保持相對(duì)穩(wěn)定，這一階段的預(yù)測方式與第一階段相同。由此可以看出，至少有兩個(gè)拐點(diǎn)存在于沉降量變化曲線上，假如僅僅選取一種多項(xiàng)式對(duì)其擬合，必然導(dǎo)致多項(xiàng)式有很高的階次，應(yīng)用在長時(shí)間的預(yù)報(bào)預(yù)測中不太適合，所以此次沉降預(yù)測工作中曲線擬合選擇了分段擬合方式。如圖5所示，L10-3典型監(jiān)測點(diǎn)處的沉降預(yù)測選擇了對(duì)數(shù)函數(shù)來進(jìn)行擬合，7月22日為其拐點(diǎn)。L10-3監(jiān)測點(diǎn)的沉降預(yù)測擬合相關(guān)系數(shù)R2為0.9959，說明效果較好，選取線性回歸擬合來進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。對(duì)比結(jié)果，對(duì)數(shù)函數(shù)的擬合效果明顯高于線性函數(shù)(R2=0.9540)、多項(xiàng)式函數(shù)(R2=0.9767)及指數(shù)函數(shù)(R2=0.9852)的擬合效果，表示選取對(duì)數(shù)函數(shù)更適合此次地鐵結(jié)構(gòu)沉降預(yù)測擬合。

圖5 對(duì)數(shù)函數(shù)擬合預(yù)測結(jié)果

圖6 線性、多項(xiàng)式、指數(shù)函數(shù)擬合預(yù)測結(jié)果

3.4 影響變形因素分析

地鐵三號(hào)線下穿地鐵四號(hào)線，對(duì)地鐵四號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)的影響主要分為如下幾個(gè)方面：第一，可能使隧道結(jié)構(gòu)橫截面整體出現(xiàn)豎向或水平變形；第二，可能使隧道出現(xiàn)縱向不均勻變形；第三，可能使隧道結(jié)構(gòu)在局部出現(xiàn)豎向或水平變形。當(dāng)隧道位移累積到一定值后，由于隧道工法不同，其結(jié)構(gòu)受影響程度和形式也有所差異，若采用盾構(gòu)法施工，其環(huán)縫接頭和縱縫接頭的張開量會(huì)增大，使隧道結(jié)構(gòu)的耐久性和防水性能大大降低。借助自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測得出，盾構(gòu)法施工會(huì)使盾構(gòu)隧道受到擾動(dòng)，損壞地層或使被破壞的土體再次發(fā)生固結(jié)，這是盾構(gòu)法使四周地層發(fā)生變形的重要因素。重點(diǎn)分析引起隧道結(jié)構(gòu)變形的因素，對(duì)盾構(gòu)施工和結(jié)構(gòu)沉降變形之間的關(guān)系進(jìn)行總結(jié)，對(duì)減少施工活動(dòng)對(duì)土工環(huán)境破壞、保證施工安全等方面非常重要。

4 結(jié)語

地鐵結(jié)構(gòu)沉降變形對(duì)地鐵安全性至關(guān)重要，通過自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)分析了某市區(qū)內(nèi)地鐵三號(hào)線下穿地鐵四號(hào)線部分的變形情況，得到如下結(jié)論：

(1)地鐵三號(hào)線右線穿過四號(hào)線右線后，監(jiān)測點(diǎn)R7-9處的沉降最大，變形值達(dá)-6.4 mm；地鐵三號(hào)線左線穿過四號(hào)線右線后，監(jiān)測點(diǎn)R4-7為沉降值最大點(diǎn)，變形值達(dá)-11.2 mm，且受到右線和左線的疊加影響。兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的沉降值均符合設(shè)計(jì)要求，在可控制范圍20 mm之內(nèi)。

(2)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可以把地鐵結(jié)構(gòu)沉降大致分成3個(gè)不同時(shí)期，針對(duì)不同時(shí)期給出了比較合適的預(yù)測擬合方式，在第二階段沉降變化較大，建議使用對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行預(yù)測擬合,效果較好。

(3)盾構(gòu)法施工會(huì)使盾構(gòu)隧道受到擾動(dòng)，損壞地層或使被破壞的土體再次發(fā)生固結(jié)。分析引起隧道結(jié)構(gòu)變形因素，對(duì)盾構(gòu)施工和結(jié)構(gòu)沉降變形之間的關(guān)系進(jìn)行總結(jié)，對(duì)減少施工活動(dòng)對(duì)土工環(huán)境破壞、保證施工安全非常重要。