監(jiān)測反饋技術(shù)在地鐵盾構(gòu)施工塌陷預(yù)警中的應(yīng)用

勾承藻

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

在建設(shè)施工領(lǐng)域中，盾構(gòu)法憑借其自身的優(yōu)勢在城市地鐵隧道建設(shè)當(dāng)中逐漸占據(jù)重要地位。但在盾構(gòu)施工過程中，由于周圍地質(zhì)條件復(fù)雜，若在卵石粒徑較大、含量較高的區(qū)域施工，極易誘發(fā)地面沉降和塌陷問題產(chǎn)生。若在塌陷問題發(fā)生前沒有進(jìn)行及時(shí)的預(yù)警，則會(huì)造成嚴(yán)重的事故問題，不僅影響工程施工質(zhì)量，同時(shí)還會(huì)影響到施工人員的人身安全[1]。因此，針對這一問題，下述將開展監(jiān)測反饋技術(shù)在地鐵盾構(gòu)施工塌陷預(yù)警中的應(yīng)用研究。

1 地鐵盾構(gòu)施工影響分析

結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，在開展地鐵盾構(gòu)施工時(shí)，必定會(huì)對周圍土體造成一定擾動(dòng)影響，并且不同的地質(zhì)條件以及施工狀況也會(huì)產(chǎn)生不同的擾動(dòng)類型。在實(shí)際開展地鐵盾構(gòu)施工中，將盾構(gòu)施工對其周圍土體產(chǎn)生的擾動(dòng)劃分為開挖面上土體受到擠壓而產(chǎn)生的壓縮、前移、隆起和超挖引起的土體松動(dòng)、塌落等[2]。圖1為受到盾構(gòu)施工影響地表產(chǎn)生的沉降分布曲線。

圖1 受到盾構(gòu)施工影響地表產(chǎn)生的沉降分布曲線

通常情況下，地鐵盾構(gòu)施工中，對土體的擾動(dòng)距離、影響程度等存在以下幾點(diǎn)規(guī)律：第一，在盾構(gòu)施工中，土體開挖擾動(dòng)的程度與垂直距離之間呈反比關(guān)系，即垂直距離越遠(yuǎn)，則土體開挖擾動(dòng)的程度越小；垂直距離越近，則土體開挖擾動(dòng)上的程度越大[3]。第二，盾構(gòu)施工時(shí)的開挖水平方向土體擾動(dòng)與垂直方向距離成反比例關(guān)系。隨著距離的不斷增加，開挖水平方向土體擾動(dòng)逐漸衰減，并表現(xiàn)出擴(kuò)散性特征。在進(jìn)行地鐵盾構(gòu)施工過程中，若出現(xiàn)塌陷問題，則不僅會(huì)影響到施工本身，還會(huì)對地鐵線路及周圍地上構(gòu)筑物造成影響。因此，基于上述對盾構(gòu)施工的影響分析，針對地鐵盾構(gòu)施工的塌陷問題進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警具有十分重要的作用[4]?；诖?，本文下述將對其開展詳細(xì)研究。

2 基于監(jiān)測反饋技術(shù)的地鐵盾構(gòu)施工塌陷預(yù)警

2.1 塌陷預(yù)警監(jiān)測點(diǎn)布置

在對地鐵盾構(gòu)施工塌陷預(yù)警時(shí)，首先需要完成對塌陷預(yù)警測點(diǎn)的布置?？刹捎每刂凭W(wǎng)布設(shè)的方式，結(jié)合地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)方案、監(jiān)測精度要求以及工程造價(jià)等多方面綜合考慮，按照圖2所示完成對測點(diǎn)的布置。

圖2 塌陷預(yù)警監(jiān)測點(diǎn)布置圖

在對預(yù)警測點(diǎn)布置時(shí)，還應(yīng)當(dāng)遵循以下兩點(diǎn)原則：第一，預(yù)警測點(diǎn)應(yīng)當(dāng)布置在與施工影響區(qū)域較遠(yuǎn)且穩(wěn)固的地面位置上，并且確保布置位置易于保存；第二，預(yù)警測點(diǎn)與站點(diǎn)之間的平面布局范圍應(yīng)超過90°，并且兩點(diǎn)之間應(yīng)當(dāng)具備良好的通視條件[5]。在各個(gè)測點(diǎn)上采用水準(zhǔn)測量儀進(jìn)行測定，測點(diǎn)的埋設(shè)方式應(yīng)當(dāng)按照地鐵盾構(gòu)施工測量規(guī)范要求的形式進(jìn)行埋設(shè)，針對傾斜位置上的測點(diǎn)可采用平面測量儀進(jìn)行測定，在結(jié)構(gòu)上下分別埋設(shè)水平位移測點(diǎn)[6]。在具體實(shí)施時(shí)，應(yīng)當(dāng)對測點(diǎn)埋設(shè)區(qū)域及周圍設(shè)施進(jìn)行調(diào)查，并確保鉆孔埋設(shè)測點(diǎn)保持不損壞。在完成對預(yù)警測點(diǎn)的埋設(shè)后，還需要對其進(jìn)行合理保護(hù)。

2.2 基于監(jiān)測反饋技術(shù)的地鐵盾構(gòu)施工周圍建(構(gòu))筑物沉降與位移監(jiān)測

為實(shí)現(xiàn)對地鐵盾構(gòu)施工周圍建筑物和構(gòu)筑物的沉降監(jiān)測，引入監(jiān)測反饋技術(shù)，在上述各個(gè)測點(diǎn)布置完畢基礎(chǔ)上，利用監(jiān)測儀器采用幾何水準(zhǔn)測量法減小觀測，所使用的儀器設(shè)備為電子水準(zhǔn)儀，水準(zhǔn)儀的測量精度應(yīng)小于等于0.3 mm。在測量過程中，為電子水準(zhǔn)儀配備銦鋼尺進(jìn)行輔助觀測[7]。在對沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，要求沉降監(jiān)測點(diǎn)測站高差中的誤差應(yīng)小于0.5 mm；兩側(cè)讀數(shù)得到的測量誤差不得超過0.7 mm，視線長度不得超過50 m不得小于3 m。電子水準(zhǔn)儀需采用最先進(jìn)的監(jiān)測水平沉降MEMS技術(shù)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器端。

針對建筑物和構(gòu)筑物在水平方向上的位移量進(jìn)行監(jiān)測，可采用全站儀完成觀測，并將全站儀上獲取到的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并生成外業(yè)觀測數(shù)據(jù)文件。針對水平方向上的位移沉降可采用方向法實(shí)現(xiàn)測定。全站儀觀測測回?cái)?shù)為2，一測回的水平方向標(biāo)準(zhǔn)差為0.5 s，測距中誤差應(yīng)小于1 mm+1 ppm，基準(zhǔn)點(diǎn)以及工作基點(diǎn)網(wǎng)邊長應(yīng)小于或等于300 m。由于在開展地鐵盾構(gòu)施工時(shí)通常是全封閉的運(yùn)營狀態(tài)，不允許監(jiān)測人員進(jìn)入到現(xiàn)場開展監(jiān)測工作，因此需要引入監(jiān)測反饋技術(shù)，開展對地鐵盾構(gòu)施工的自動(dòng)化沉降及水平位移監(jiān)測，以此替代人工操作，從而實(shí)現(xiàn)對地鐵盾構(gòu)施工的連續(xù)、精準(zhǔn)監(jiān)測[8]。可嘗試引入具備監(jiān)測反饋技術(shù)的測量機(jī)器人完成自動(dòng)化監(jiān)測，利用機(jī)器人為監(jiān)測預(yù)警提供實(shí)時(shí)的線路結(jié)構(gòu)三維方向上的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而為后續(xù)塌陷險(xiǎn)情是否發(fā)生的判斷提供更有利的數(shù)據(jù)依據(jù)。監(jiān)測過程中的具體內(nèi)容是觀測地鐵盾構(gòu)施工及周圍路基、軌枕等變形情況，并結(jié)合現(xiàn)場施工條件及要求對其變形對路基沉降和軌道位移影響情況進(jìn)行分析和記錄，及時(shí)發(fā)現(xiàn)塌陷趨勢。在監(jiān)測過程中還需要對監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)處理，圖3為監(jiān)測分析示意圖。

圖3 監(jiān)測分析示意圖

將監(jiān)測范圍確定在地鐵盾構(gòu)施工周圍既有線路的100 m以內(nèi)，結(jié)合盾構(gòu)施工情況和列車?？壳闆r變化，為了能夠避免地鐵盾構(gòu)施工對監(jiān)測的影響，將檢測對象與施工進(jìn)度進(jìn)行結(jié)合，并實(shí)現(xiàn)如圖3所示的分區(qū)獨(dú)立監(jiān)測。將每一個(gè)站臺(tái)都看作是一個(gè)獨(dú)立的監(jiān)測區(qū)域，避免地鐵盾構(gòu)施工、上下站旅客等對監(jiān)測造成的干擾。為了確保最終得到的監(jiān)測結(jié)果具備高精度要求，并為后續(xù)塌陷預(yù)警提供有力依據(jù)，在各個(gè)測點(diǎn)完成監(jiān)測后，還需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)的絕對參數(shù)和相對參數(shù)進(jìn)行復(fù)核，并在監(jiān)測點(diǎn)周圍設(shè)置復(fù)核點(diǎn)。根據(jù)復(fù)核點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，判斷測點(diǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。將監(jiān)測數(shù)據(jù)中不在實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)變化允許范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)去除，避免對最終塌陷預(yù)警造成影響。

2.3 地鐵盾構(gòu)施工塌陷險(xiǎn)情發(fā)生、處理及預(yù)警響應(yīng)

在上述基于監(jiān)測反饋技術(shù)的地鐵盾構(gòu)施工周圍建(構(gòu))筑物沉降監(jiān)測及得到沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，針對具體地鐵盾構(gòu)施工中出現(xiàn)的塌陷險(xiǎn)情發(fā)生進(jìn)行及時(shí)的反饋和處理。當(dāng)出現(xiàn)塌陷問題時(shí)，需要施工單位在現(xiàn)場完成疏散人員、拉警戒線等操作，并及時(shí)采取應(yīng)急搶險(xiǎn)措施。在塌陷問題處理完畢后，按照本文上述論述內(nèi)容，再重新針對周圍構(gòu)筑物和建筑物以及地表沉降情況進(jìn)行監(jiān)測，并結(jié)合得到的監(jiān)測結(jié)果預(yù)測下一次塌陷問題是否會(huì)產(chǎn)生，并給出相應(yīng)的預(yù)警。通常情況下，當(dāng)測點(diǎn)上單次監(jiān)測變量和累計(jì)沉降值超過設(shè)定的閾值時(shí)，說明有出現(xiàn)塌陷問題的趨勢。同時(shí)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況及未來發(fā)展趨勢也能夠?qū)λ蓦U(xiǎn)情做出預(yù)警提醒。通常情況下，在完成對塌陷問題的處理后的一段時(shí)間中，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)變化幅度不大，并且滯后沉降數(shù)據(jù)的持續(xù)時(shí)間較長，且變化不大。在實(shí)際應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)對塌陷問題的可視化預(yù)警，除了將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)變化情況繪制成曲線圖以外，還需要針對不同塌陷程度，用不同的指示燈進(jìn)行表示。將塌陷嚴(yán)重程度劃分為輕度、中度和重度，分別對應(yīng)指示燈的黃色、橙色和紅色，若沒有出現(xiàn)塌陷問題，則指示燈始終為綠色。除此之外，不同的指示燈也對應(yīng)著不同的應(yīng)對措施，在通過指示燈明確塌陷的程度后，可在第一時(shí)間采取相應(yīng)的解決措施，以此避免塌陷問題的進(jìn)一步惡化，從而將塌陷時(shí)對周圍的影響程度降低到最低。為了確保對地鐵盾構(gòu)施工的塌陷預(yù)警有序、有效進(jìn)行，根據(jù)工程需要，還可對第三方檢測現(xiàn)場項(xiàng)目部進(jìn)行構(gòu)建，并由項(xiàng)目相應(yīng)的負(fù)責(zé)小組完成上述操作。由于在塌陷預(yù)警時(shí)需要監(jiān)測的內(nèi)容較多，并且監(jiān)測周期較長，因此需要對全過程進(jìn)行監(jiān)督，所有的監(jiān)測方案都需要通過三級審核，在審核合格后才能夠真實(shí)應(yīng)用到具體地鐵盾構(gòu)施工項(xiàng)目當(dāng)中。

3 對比分析

在上述論述基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步驗(yàn)證基于監(jiān)測反饋技術(shù)的地鐵盾構(gòu)施工塌陷預(yù)警方法在實(shí)際應(yīng)用中的效果，以某地鐵施工項(xiàng)目為依托，獲取該項(xiàng)目的相關(guān)數(shù)據(jù)資料，并利用本文上述提出的預(yù)警方法對其施工中塌陷問題進(jìn)行預(yù)警。為了確保實(shí)現(xiàn)對本文預(yù)警方法的應(yīng)用驗(yàn)證及對比，選擇將傳統(tǒng)基于物探技術(shù)的預(yù)警方法作為對照組，將本文方法作為實(shí)驗(yàn)組，分別利用兩種預(yù)警方法對該地鐵施工項(xiàng)目的塌陷問題進(jìn)行預(yù)警。已知該地鐵施工項(xiàng)目在施工過程中會(huì)對地鐵線路上以及周圍附屬的建筑設(shè)施造成一定影響，并使其產(chǎn)生不同程度的沉降和水平方向?yàn)槲灰?，若不對其進(jìn)行合理控制，則將會(huì)發(fā)生塌陷事故。該地鐵施工項(xiàng)目設(shè)計(jì)最高速度為320 km/h，一般運(yùn)營時(shí)的最高速度為320 km/h。在該鐵路施工項(xiàng)目線路上，分別按照本文預(yù)警方法和傳統(tǒng)預(yù)警方法設(shè)置多個(gè)預(yù)警測點(diǎn)，并隨機(jī)選擇5個(gè)預(yù)警測點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)研究測點(diǎn)。針對實(shí)驗(yàn)組和對照組各自5個(gè)研究測點(diǎn)對地鐵盾構(gòu)施工中豎直方向沉降和水平方向位移情況監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行記錄，并將其與實(shí)際豎直方向沉降和水平方向位移對比，初步驗(yàn)證兩種預(yù)警方法的應(yīng)用精度。為了方便比較，將上述論述內(nèi)容繪制成表1。

表1 實(shí)驗(yàn)組與對照組預(yù)警方法研究測點(diǎn)監(jiān)測精度

從表1可以看出，實(shí)驗(yàn)組預(yù)警方法中各個(gè)測點(diǎn)的沉降和位移監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)相差較小，僅為±0.02 mm，而對照組預(yù)警方法中各個(gè)測點(diǎn)的沉降和位移監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)相差較大，均超過0.1 mm。由此可以初步判斷，實(shí)驗(yàn)組與對照組兩種預(yù)警方法相比，在對各個(gè)測點(diǎn)的監(jiān)測精度上，明顯實(shí)驗(yàn)組優(yōu)勢更大。

在實(shí)現(xiàn)對兩種預(yù)警方法的精度對比后，再對其預(yù)警響應(yīng)速度進(jìn)行對比。在上述地鐵施工項(xiàng)目基礎(chǔ)上，人為控制其各個(gè)階段上的沉降情況。假設(shè)沉降值超過5.00 mm時(shí)，視為出現(xiàn)塌陷問題，對比兩種預(yù)警方法在監(jiān)測到預(yù)警時(shí)的響應(yīng)時(shí)間作為評價(jià)指標(biāo)，響應(yīng)時(shí)間越短，則說明預(yù)警響應(yīng)速率越快，越能夠及時(shí)對地鐵盾構(gòu)施工中的塌陷問題做出快速響應(yīng)；反之，響應(yīng)時(shí)間越長，則說明預(yù)警響應(yīng)速率越慢，無法對地鐵盾構(gòu)施工中的塌陷問題做出快速響應(yīng)。根據(jù)上述論述，將記錄結(jié)果繪制成表2。

表2 實(shí)驗(yàn)組與對照組預(yù)警方法塌陷預(yù)警響應(yīng)時(shí)間記錄

結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明，本文提出的基于監(jiān)測反饋技術(shù)的預(yù)警方法在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)對地鐵盾構(gòu)施工塌陷問題的快速響應(yīng)，進(jìn)一步提高地鐵盾構(gòu)施工的安全性。

4 結(jié)束語

通過本文上述論述，將監(jiān)測技術(shù)與塌陷預(yù)警相結(jié)合，提出了一種全新的預(yù)警方法，并結(jié)合對比分析的方式驗(yàn)證新的預(yù)警方法具有更明顯的精度優(yōu)勢和快速響應(yīng)優(yōu)勢。將該預(yù)警方法應(yīng)用于實(shí)際可以實(shí)現(xiàn)對地鐵線路及周圍建筑物塌陷問題的快速預(yù)警響應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用本文塌陷預(yù)警方法時(shí)，通過監(jiān)測統(tǒng)計(jì)出大量盾構(gòu)施工階段的數(shù)據(jù)，為了方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)數(shù)據(jù)變化確定塌陷趨勢，需要構(gòu)建時(shí)程變化曲線圖。為了確保盾構(gòu)施工的安全，需要將各個(gè)測點(diǎn)上累計(jì)的變形量控制在合理范圍內(nèi)，針對現(xiàn)場變形值操作閾值范圍的問題，應(yīng)當(dāng)及時(shí)告知現(xiàn)場施工人員，并采取合理的措施，從而使變形得到合理控制，避免塌陷問題的產(chǎn)生。在今后的研究當(dāng)中，還將針對這一預(yù)警方法制定專項(xiàng)監(jiān)測方法，并嘗試引入信息化的自動(dòng)反饋機(jī)制，以此確保在進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警的過程中能夠?qū)崿F(xiàn)對地鐵盾構(gòu)施工的及時(shí)反饋，從而為后續(xù)應(yīng)對措施的制定和實(shí)施提供重要支撐。