軌道交通沉降監(jiān)測方法探討

鄧洪建

摘要：軌道交通具有線路長、環(huán)境相對封閉、盾構(gòu)結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生變形等特點(diǎn)，尤其是已投入運(yùn)營的軌道交通線路，長期存在的水平方向或者垂直方向的形變會(huì)給其安全運(yùn)營帶來極大威脅，因此需要對軌道交通線路進(jìn)行長時(shí)間、周期性的變形監(jiān)測，為其安全運(yùn)營提供數(shù)據(jù)保障。從技術(shù)層面出發(fā)，探討水準(zhǔn)測量以及自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備在已運(yùn)營軌道交通線路沉降監(jiān)測中的應(yīng)用策略，通過沉降監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)，對沉降的物理原因進(jìn)行進(jìn)一步分析，為軌道交通設(shè)施的安全運(yùn)營提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：軌道交通；水準(zhǔn)測量；沉降監(jiān)測；自動(dòng)化監(jiān)測

0? ?引言

地面沉降是指在一定地表面積內(nèi)所發(fā)生的地表面降低的現(xiàn)象，地面沉降作為沿海城市的一種緩變的地質(zhì)災(zāi)害，具有累進(jìn)和不可逆轉(zhuǎn)的特性，相關(guān)影響將長期存在，尤其不均勻地面沉降的危害性極大，可直接導(dǎo)致地上地下構(gòu)建筑物及設(shè)施發(fā)生垂直及水平方向的形變，對構(gòu)建筑物造成安全隱患。在交通領(lǐng)域，地面不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致軌道交通結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂、滲水的情況，甚至可能縮短軌道交通使用壽命?；谶@種狀況，市政相關(guān)部門需要定期組織技術(shù)團(tuán)隊(duì)對軌道交通定期開展變形監(jiān)測。通過長期的沉降監(jiān)測，可以準(zhǔn)確找出軌道交通隧道的沉降規(guī)律，預(yù)測變化速率、幅度、范圍及可能產(chǎn)生的危害，為各方?jīng)Q策和采取措施提供及時(shí)、準(zhǔn)確、科學(xué)的監(jiān)測資料，以確保軌道交通的安全運(yùn)營[1]。

1? ?沉降監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

地面沉降監(jiān)測技術(shù)是現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測和維護(hù)的重要支撐，地表沉降情況是評價(jià)特定構(gòu)筑物安全性與穩(wěn)定性的關(guān)鍵參考。近年來，國家相關(guān)部門高度重視地面沉降監(jiān)測技術(shù)的創(chuàng)新與運(yùn)用，在不斷完善沉降監(jiān)測技術(shù)規(guī)范、優(yōu)化整合沉降監(jiān)測技術(shù)流程基礎(chǔ)上，制定并實(shí)施了諸多導(dǎo)向標(biāo)準(zhǔn)，為新時(shí)期地面沉降監(jiān)測技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用提供了基礎(chǔ)遵循，彰顯出時(shí)代性與技術(shù)性。廣大工程單位發(fā)揮主體作用，在破解傳統(tǒng)沉降監(jiān)測技術(shù)難題等方面進(jìn)行了積極探索，通過技術(shù)革新與升級，有效提升了沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，加之硬件技術(shù)的配合提升，其技術(shù)潛力得以全面挖掘。

依托于系統(tǒng)完善的沉降監(jiān)測技術(shù)方法，可全面詳實(shí)獲取構(gòu)筑物沉降數(shù)據(jù)，揭示軌道交通在不同階段的沉降特征變化，對未來短時(shí)期的變化趨向做出研判分析。與當(dāng)前高標(biāo)準(zhǔn)、高要求的軌道交通沉降監(jiān)測需求相比，當(dāng)前地面沉降監(jiān)測技術(shù)水平尚有較大提升空間，監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取、分析與處理的綜合實(shí)效有待進(jìn)一步提升，需要準(zhǔn)確把握影響監(jiān)測效果的因素，并分類進(jìn)行專業(yè)技術(shù)應(yīng)對處理。

2? ?地面控制網(wǎng)沉降監(jiān)測實(shí)現(xiàn)方式

2.1? ?做好地面控制網(wǎng)布設(shè)工作

控制網(wǎng)布設(shè)過程中，技術(shù)團(tuán)隊(duì)需要在市區(qū)內(nèi)重要地標(biāo)建筑物附近、十字路口處以及軌道交通入口處附近布設(shè)城市水準(zhǔn)點(diǎn)，將其作為地面沉降監(jiān)測點(diǎn)。其中，中心城區(qū)城市水準(zhǔn)點(diǎn)間距離500m左右，周邊地區(qū)及郊區(qū)可視情況放寬距離[2]。

軌道交通線路附近水準(zhǔn)點(diǎn)選點(diǎn)應(yīng)盡可能選在路線附近機(jī)關(guān)、學(xué)校、公園內(nèi)或其他易于尋找的地方，點(diǎn)位應(yīng)埋設(shè)于地基堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定、安全僻靜處，以利于標(biāo)石的長期保存和觀測，要按照《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》要求埋設(shè)，并繪制水準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)之記。

2.2? ?做好外業(yè)測量與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

以基巖點(diǎn)為路線起點(diǎn)和終點(diǎn)，進(jìn)行水準(zhǔn)測量。中心城區(qū)采用一等水準(zhǔn)測量方法，周邊地區(qū)及郊區(qū)可采用二等水準(zhǔn)測量。以基巖點(diǎn)高程為已知點(diǎn)高程，將地面沉降監(jiān)測線路數(shù)據(jù)進(jìn)行平差，得到各個(gè)城市水準(zhǔn)點(diǎn)的最新平差值。將其與上次監(jiān)測數(shù)據(jù)比對，得到各個(gè)城市水準(zhǔn)點(diǎn)的沉降值，即可掌握城市地面沉降情況。

3? ?城市軌道站臺(tái)接測技術(shù)方案

地面沉降監(jiān)測完成后，需要將高程傳遞到地下，將監(jiān)測數(shù)據(jù)作為地下隧道內(nèi)沉降監(jiān)測的工作基點(diǎn)?；谶@種內(nèi)在邏輯關(guān)系，需要以地面沉降監(jiān)測網(wǎng)中軌道交通入口處最近的城市水準(zhǔn)點(diǎn)，以二等水準(zhǔn)測量的方式，將高程引測到事先布置好的站臺(tái)兩側(cè)的工作基點(diǎn)上。進(jìn)行二等水準(zhǔn)測量經(jīng)過軌道交通入口樓梯段時(shí)，水準(zhǔn)測量視線高度和視距長度會(huì)超限，但由于情況特殊且無法通過有效措施避免，因此對軌道交通入口樓梯段的視線高度和視距長度不作要求，以能正常讀數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)。

4? ?城市軌道隧道沉降監(jiān)測技術(shù)方案

4.1? ?做好監(jiān)測點(diǎn)的埋設(shè)

監(jiān)測點(diǎn)的埋設(shè)需基于軌道交通道床種類的不同，根據(jù)實(shí)際情況選擇穩(wěn)定的地點(diǎn)進(jìn)行埋設(shè)。常規(guī)的整體式道床，監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)在道床軌枕的中間位置，并且應(yīng)該保證每塊整體道床伸縮縫兩側(cè)和每塊整體道床中間，各有至少一個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)。淺埋段與敞開段的監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)，要求基本與整體式道床一致。浮置板道床等特殊道床，則應(yīng)將監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)到道床兩側(cè)的對應(yīng)盾構(gòu)環(huán)片上的穩(wěn)定位置[3]。

4.2? ?開展隧道內(nèi)沉降監(jiān)測

隧道測量路線沿軌道交通隧道上、下行線布設(shè)，相鄰軌道交通站臺(tái)工作基點(diǎn)之間構(gòu)成附合水準(zhǔn)路線。為縮短觀測周期，提高精度，宜采用兩臺(tái)電子水準(zhǔn)儀分別從上下行進(jìn)行水準(zhǔn)觀測。儀器直接假設(shè)在鐵軌道床上，水準(zhǔn)尺使用LED照射燈條進(jìn)行照明，以適用于軌道交通隧道內(nèi)昏暗的作業(yè)條件。上下行線構(gòu)成小水準(zhǔn)路線閉合環(huán)。

隧道路線測量參照二等水準(zhǔn)測量的技術(shù)要求開展監(jiān)測，隧道內(nèi)應(yīng)將部分監(jiān)測點(diǎn)納入到二等水準(zhǔn)路線進(jìn)行往返觀測，并固定測站。將該部分監(jiān)測點(diǎn)作為固定轉(zhuǎn)點(diǎn)，其余沉降監(jiān)測點(diǎn)則采用中視法進(jìn)行碎部點(diǎn)測量。某軌道交通沉降監(jiān)測水準(zhǔn)路線如圖1所示。

4.3? ?內(nèi)業(yè)計(jì)算主要方法

根據(jù)地面控制網(wǎng)沉降監(jiān)測平差，得到軌道交通車站入口附近的城市水準(zhǔn)點(diǎn)高程值、站臺(tái)上下接測水準(zhǔn)路線，對隧道內(nèi)沉降監(jiān)測水準(zhǔn)路線構(gòu)成的地上、地下附合水準(zhǔn)路線網(wǎng)，進(jìn)行平差計(jì)算，可以求得各個(gè)軌道交通地下站臺(tái)兩側(cè)工作基點(diǎn)的本次平差后高程值。再根據(jù)平差后軌道交通站臺(tái)兩側(cè)工作基點(diǎn)的高程值，對每個(gè)區(qū)間的隧道內(nèi)路線進(jìn)行平差計(jì)算，即可得到隧道內(nèi)各個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)本次觀測高程值。通過將沉降監(jiān)測點(diǎn)本次觀測值與上次觀測值進(jìn)行比較，即可得到軌道交通隧道內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)本次沉降量。

5? ?城市軌道交通沉降自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)舉措

通常軌道交通沉降監(jiān)測借助德國進(jìn)口的靜力水準(zhǔn)設(shè)備來完成。通過安裝在軌道交通盾構(gòu)結(jié)構(gòu)環(huán)片上的基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)備、監(jiān)測點(diǎn)設(shè)備和供電箱組成的連通器系統(tǒng)，對軌道交通的沉降情況進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測，并通過內(nèi)置的無線通信模塊，將沉降數(shù)據(jù)傳導(dǎo)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)站上，實(shí)現(xiàn)了除安裝和維修外無人工干預(yù)的自動(dòng)化沉降監(jiān)測系統(tǒng)。靜力水準(zhǔn)設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖2，靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)備安裝實(shí)物見圖3。

目前軌道交通的自動(dòng)化沉降監(jiān)測的技術(shù)還不夠成熟，其原因有三：一是地鐵車輛的運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致幅度不小的振動(dòng)，造成自定化監(jiān)測設(shè)備移位，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定。二是自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備自身會(huì)出現(xiàn)一些質(zhì)量問題，比如儀器漏液等情況。對此必須進(jìn)行人工維修，由此導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)的中斷。三是由于自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備的配電箱供電，依靠軌道交通隧道內(nèi)的供電電源，有時(shí)會(huì)被地鐵工務(wù)巡視人員以用電安全為由強(qiáng)行斷電，由此導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)的中斷。

6? 基于時(shí)序InSAR技術(shù)的軌道交通沉降監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

6.1? ?完善監(jiān)測處理流程

現(xiàn)代軌道交通沉降監(jiān)測的過程，同時(shí)也是對軌道交通地表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、處理與運(yùn)用的過程。該過程可細(xì)化分為多個(gè)流程環(huán)節(jié)，通過銜接各流程環(huán)節(jié)的既定作用，獲取軌道交通監(jiān)測處理的整體效果。

在InSAR原理方面，需要采用雷達(dá)等主動(dòng)式微波傳感器等裝置，通過其獲取光學(xué)信息，對比分析電磁波傳輸強(qiáng)弱程度等，對目標(biāo)區(qū)域與目標(biāo)對象進(jìn)行探測。在實(shí)踐中，InSAR技術(shù)所發(fā)射出的微波具有較強(qiáng)穿透性，受外界環(huán)境條件的影響相對較弱，不存在其他關(guān)聯(lián)性因素，且具有較強(qiáng)覆蓋性，可在更短時(shí)間內(nèi)完成更多數(shù)量的沉降監(jiān)測任務(wù)，適用條件較強(qiáng)。

時(shí)序InSAR技術(shù)首先根據(jù)既定監(jiān)測技術(shù)方案，將微波信號(hào)發(fā)送至目標(biāo)場景，然后接受目標(biāo)場景反饋回來的散射能量，最后比對分析返回強(qiáng)度和延時(shí)信號(hào)等，得出監(jiān)測結(jié)論。通過控制距離向分辨率和方位向分辨率等，可防止監(jiān)測數(shù)據(jù)信息變形等問題。

就時(shí)序InSAR技術(shù)而言，其具體監(jiān)測處理流程如下：生成SAR影像連接圖，設(shè)定時(shí)間基線與空間基線的閾值范圍，保持監(jiān)測過程中的良好干涉條件，滿足監(jiān)測影像數(shù)據(jù)兩兩配對的既定目標(biāo)需求；即對目標(biāo)區(qū)域范圍內(nèi)的圖像進(jìn)行配對，剔除存在明顯偏差的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行往復(fù)多次形變反演，計(jì)算得出更加準(zhǔn)確的形變速率；對監(jiān)測成果進(jìn)行編碼，將監(jiān)測數(shù)據(jù)投影變換到地圖系統(tǒng)中，繪制形成監(jiān)測圖線。

6.2? ?做好軌道交通沉降原因分析

通過分析研判沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，可分析出軌道交通沉降的誘發(fā)原因，為細(xì)化完善后續(xù)沉降交通優(yōu)化控制方案提供基礎(chǔ)參考。在當(dāng)前技術(shù)條件下，影響軌道交通沉降的原因是多方面的，地面沉降在垂直方向出現(xiàn)的位移，往往由多類型不同因素疊加而成，只有準(zhǔn)確界定各因素之間的權(quán)值關(guān)聯(lián)狀態(tài)，才能更加準(zhǔn)確地判斷影響因素。

以交通動(dòng)負(fù)荷為例，軌道交通更多情況下需要承受荷載不同強(qiáng)度的動(dòng)負(fù)荷，且動(dòng)負(fù)荷的方向、力度、矢量等差異明顯，加之地下水位變化和工程地質(zhì)條件等因素影響，最終對軌道交通沉降造成的影響幅度則各不相同。

6.3? ?建立時(shí)間序列預(yù)測模型

選擇具有代表性的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用遺傳優(yōu)化算法，建立時(shí)間序列預(yù)測模型，清晰直觀地體現(xiàn)軌道交通沉降狀態(tài)，為采取相應(yīng)的加固處理措施等提供參考。在該過程中，應(yīng)注重對比分析沉降監(jiān)測預(yù)測值與實(shí)際值之間的偏差關(guān)系，若其偏離幅度過大，則應(yīng)做出調(diào)整糾偏處理，以滿足模型數(shù)據(jù)構(gòu)建要求。同時(shí)，利用神經(jīng)元算法，根據(jù)既定神經(jīng)元數(shù)量，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對軌道交通沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合優(yōu)化，最終得出隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)，確保時(shí)間序列預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。模型構(gòu)建完成后，可視軌道交通環(huán)境等基本情況，校核平均沉降值，將相對誤差控制在技術(shù)規(guī)范允許范圍內(nèi)。

6.4? ?點(diǎn)位沉降預(yù)測與點(diǎn)位預(yù)測精度分析

在城市軌道交通點(diǎn)位沉降預(yù)測方面，技術(shù)團(tuán)隊(duì)可以使用時(shí)序InSAR技術(shù)方法采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，針對于監(jiān)測數(shù)據(jù)使用格柵矢量化分析，以獲得具有時(shí)序累計(jì)特征的數(shù)據(jù)源。然后分析特定時(shí)刻范圍內(nèi)的累計(jì)沉降量，合理選擇插值數(shù)據(jù)。對不同監(jiān)測期間的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，結(jié)合不同監(jiān)測點(diǎn)位測得的最大值點(diǎn)、最小值點(diǎn)和平均值點(diǎn)等，驗(yàn)證點(diǎn)位沉降預(yù)測效果。在點(diǎn)位預(yù)測精度方面，則應(yīng)充分發(fā)揮平均絕對誤差、均方根誤差和平均絕對百分比誤差等指標(biāo)作用，控制預(yù)測結(jié)果與真實(shí)結(jié)果的平均偏離幅度，同步完成面域沉降的預(yù)測。

7? ?結(jié)束語

軌道交通被譽(yù)為“城市的生命線”，其能否安全有序地運(yùn)行，關(guān)系到城市數(shù)百萬人民的人身、財(cái)產(chǎn)安全，關(guān)系到人民生活的便利性，關(guān)系到整個(gè)城市的發(fā)展。軌道交通具有線路長、環(huán)境相對封閉、盾構(gòu)結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生變形等特點(diǎn)，尤其是已投入運(yùn)營的軌道交通線路，長期存在的水平方向或者垂直方向的形變會(huì)給其安全運(yùn)營帶來極大威脅，因此需要對軌道交通線路進(jìn)行長時(shí)間、周期性的變形監(jiān)測，為其安全運(yùn)營提供數(shù)據(jù)保障。隨著科技的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量變形監(jiān)測手段加上新技術(shù)的運(yùn)用，會(huì)為軌道交通的監(jiān)測上一道“雙保險(xiǎn)”。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，《工程測量規(guī)范》（GB50026-2007）[S].中華人民共和國建設(shè)部，2008.5.

[2] 唐輝明.工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2008.

[3] 史儉峰，李戰(zhàn)軍，周波.水準(zhǔn)測量在地鐵隧道沉降監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪技術(shù)裝備，2014，16（4）：61-64.