自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在地鐵隧道施工中的應(yīng)用探析

劉燕嶺

摘要：利用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)施地鐵站內(nèi)基坑支護(hù)體系及隧道結(jié)構(gòu)狀況的形變、支撐力、爆破振動(dòng)、地下水系統(tǒng)變化的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)其短程無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程有線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效收集分析、異常狀況的提前預(yù)警及施工信息的科學(xué)管理，有利于地鐵隧道施工技術(shù)的合理應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)地鐵隧道施工質(zhì)量的有效提升。結(jié)合地鐵隧道施工實(shí)際，分析當(dāng)前地鐵隧道工程監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀，論述地鐵隧道工程中應(yīng)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的目標(biāo)，闡述自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)化應(yīng)用策略及自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的質(zhì)量控制要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)；地鐵隧道；監(jiān)測(cè)手段；控制要點(diǎn)

0? ?引言

隨著國(guó)內(nèi)城市化發(fā)展進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，地鐵隧道工程的重要性逐漸突顯。在地鐵隧道工程中合理應(yīng)用監(jiān)測(cè)技術(shù)，可全面、及時(shí)的收集地鐵隧道工程施工數(shù)據(jù)。通過(guò)先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)多頻次、高精度隧道施工監(jiān)控，有利于地鐵工程項(xiàng)目安全有序的推進(jìn)[1]。本文結(jié)合地鐵隧道施工實(shí)際，分析當(dāng)前地鐵隧道工程監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀，論述地鐵隧道工程中應(yīng)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的目標(biāo)，闡述自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)化應(yīng)用策略及自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的質(zhì)量控制要點(diǎn)。

1? ?地鐵隧道工程施工監(jiān)測(cè)方法概述

針對(duì)國(guó)內(nèi)地鐵隧道工程的施工監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的方法是采取人工監(jiān)測(cè)。人工監(jiān)測(cè)方法具備操作簡(jiǎn)便、技術(shù)應(yīng)用成熟的優(yōu)勢(shì)，但也存在監(jiān)測(cè)效率低、時(shí)效性差、安全性低、實(shí)現(xiàn)費(fèi)用高等弊端[2]。相較于人工監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)無(wú)需人員直接參與，便可完成數(shù)據(jù)的快速收集分析，補(bǔ)充了人工監(jiān)測(cè)模式的不足。

隧道工程實(shí)施過(guò)程中，利用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)的管徑收縮形變、隧道縱橫方向形變等狀況參數(shù)，通過(guò)與報(bào)警門(mén)限值形成比對(duì)分析，一旦超出門(mén)限值可自動(dòng)報(bào)警，便可及時(shí)提醒參建單位形成決策分析，采取應(yīng)對(duì)措施，使地鐵隧道工程保持受控狀態(tài)。

2? ?地鐵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)特點(diǎn)與目標(biāo)

受外部載荷、地基形變、內(nèi)部應(yīng)力等因素作用，地鐵隧道整體架構(gòu)易發(fā)生沉降現(xiàn)象。導(dǎo)致外部載荷波動(dòng)的直接誘因，是地鐵項(xiàng)目周邊工程的施工[3]。如果地鐵項(xiàng)目整體的形變和沉降范圍超出允許偏差標(biāo)準(zhǔn)，即可對(duì)地鐵工程的施工安全和正常運(yùn)轉(zhuǎn)構(gòu)成直接影響。

2.1? ?地體自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)特點(diǎn)

地鐵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)控制平臺(tái)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)構(gòu)成。通過(guò)信息采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集、保存和和預(yù)處理，利用數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)測(cè)控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查看、數(shù)據(jù)分析比對(duì)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)門(mén)限時(shí)，系統(tǒng)可及時(shí)告警并處理。同時(shí)平臺(tái)可建立數(shù)據(jù)曲線(xiàn)及監(jiān)測(cè)報(bào)表，為遠(yuǎn)程控制決策提供依據(jù)。

2.2? ?自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

地鐵隧道項(xiàng)目應(yīng)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

利用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)全面掌控施工過(guò)程所用到的施工技術(shù)，及時(shí)排查過(guò)程中出現(xiàn)的隱患及問(wèn)題，進(jìn)而調(diào)整健全隧道施工方案，以確保隧道工程的實(shí)施安全。能夠全面掌握地鐵工程各個(gè)方位發(fā)生的水平、垂直方向的位移變化狀況。

監(jiān)測(cè)人員系統(tǒng)分析比對(duì)監(jiān)測(cè)信息，及時(shí)獲知隧道架構(gòu)及內(nèi)部巖體穩(wěn)定效果的狀況及變化規(guī)律，掌握影響隧道及內(nèi)部巖體穩(wěn)定性的因素，進(jìn)而有針對(duì)性的調(diào)整隧道施工方案的設(shè)計(jì)參數(shù)。

及時(shí)了解隧道整體的架構(gòu)的形變狀況，開(kāi)展數(shù)字化施工，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輔助工程設(shè)計(jì)的改良，以有效指導(dǎo)隧道施工方案優(yōu)化，通過(guò)有效的數(shù)據(jù)采集分析豐富施工經(jīng)驗(yàn)，為地鐵隧道工程營(yíng)造數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用環(huán)境，并為類(lèi)似項(xiàng)目形成數(shù)據(jù)依據(jù)[4]。

3? ?自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在地鐵隧道工程施工中的應(yīng)用

3.1? ? 地鐵隧道工程監(jiān)測(cè)內(nèi)容規(guī)劃

依據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象的差異，可主要將監(jiān)測(cè)內(nèi)容劃分為形變監(jiān)測(cè)、水位監(jiān)測(cè)、內(nèi)力監(jiān)測(cè)及爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)等。具體監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要可按如下方式規(guī)劃：

利用精密靜力水準(zhǔn)儀收集監(jiān)測(cè)隧道工程的底部隆起、拱頂沉降、地表沉降、周?chē)芫€(xiàn)及建筑位移，其中拱頂沉降與地表沉降20m間隔設(shè)置一斷面，各斷面設(shè)置1～3監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況建筑及管線(xiàn)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。

利用土壓力盒等多點(diǎn)位移傳感設(shè)備收集監(jiān)測(cè)地層位移變化，并在隧道內(nèi)具代表性區(qū)域每20～50m設(shè)置1處監(jiān)測(cè)斷面。利用收斂計(jì)監(jiān)測(cè)隧道周?chē)諗繝顩r，在隧道內(nèi)每20～50m設(shè)置1處監(jiān)測(cè)斷面。完成隧道挖設(shè)和初期支護(hù)后，利用導(dǎo)電壓式孔隙水壓計(jì)監(jiān)測(cè)隧洞內(nèi)外不同環(huán)境下的水位變化狀況。利用振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)隧洞內(nèi)爆破振動(dòng)情況，借助無(wú)源閉環(huán)伺服技術(shù)達(dá)到良好的超低頻功效，以精準(zhǔn)獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的位移、速度、加速度等參量。隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)示意如圖1所示。

3.2? ?地表沉降點(diǎn)監(jiān)測(cè)

3.2.1? ?監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)埋裝方式

監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)選取在非沉降影響位置實(shí)施埋裝，埋裝點(diǎn)位應(yīng)選擇在平坦開(kāi)闊的觀測(cè)環(huán)境好的位置，并應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)條件。

3.2.2? ?埋裝沉降觀測(cè)點(diǎn)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)埋件應(yīng)選取長(zhǎng)50cm直徑18mm圓鋼。在沉降觀測(cè)點(diǎn)位挖設(shè)邊長(zhǎng)為0.5m的方形坑位，并在坑中安裝監(jiān)測(cè)預(yù)埋件。監(jiān)測(cè)點(diǎn)周邊利用C20混凝土灌注，確保其待凝固后穩(wěn)定。地表沉降監(jiān)測(cè)位置應(yīng)選取隧道中心線(xiàn)兩端適當(dāng)點(diǎn)位。監(jiān)測(cè)斷面的選取應(yīng)同隧道內(nèi)相統(tǒng)一，保證各斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的距離應(yīng)在2～5m之間，一個(gè)斷面應(yīng)選取8～11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.2.3? ?實(shí)施監(jiān)測(cè)

地表沉降監(jiān)測(cè)主要選取精密水準(zhǔn)測(cè)量法實(shí)現(xiàn)，應(yīng)綜合選定隧道內(nèi)施工基點(diǎn)、基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)等實(shí)施監(jiān)測(cè)任務(wù)。應(yīng)用無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集器收集沉降信息，利用無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)傳輸至對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)[5]。實(shí)施監(jiān)測(cè)過(guò)程中，應(yīng)閉合處理施工基點(diǎn)及基準(zhǔn)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的同時(shí)完成平差處理。

監(jiān)測(cè)過(guò)程中，應(yīng)科學(xué)控制限差，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)誤差應(yīng)保證在0.3mm內(nèi)。如監(jiān)測(cè)點(diǎn)位未在一個(gè)水平基準(zhǔn)線(xiàn)，應(yīng)控制測(cè)站數(shù)低于3個(gè)。首次監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)施3次監(jiān)測(cè)，每次呈現(xiàn)的高程偏差應(yīng)保持在1mm內(nèi)，最終監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)選取3次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值。將自動(dòng)監(jiān)測(cè)出的實(shí)際高程與初始高程參數(shù)形成比對(duì)，計(jì)算出的高差即為實(shí)際沉降值。

3.2.4? ?監(jiān)測(cè)參數(shù)分析

利用監(jiān)測(cè)控制平臺(tái)繪制出位移圖表、時(shí)間軸，如繪制曲線(xiàn)在允許偏差范圍內(nèi)，表明位移伴隨這地鐵隧道工程的開(kāi)展趨向于穩(wěn)定。如偏差超過(guò)允許范圍，呈現(xiàn)反彎點(diǎn)情況，則表明地表沉降點(diǎn)數(shù)量明顯增加，說(shuō)明隧道內(nèi)巖體支護(hù)措施穩(wěn)定性降低，需立刻將相應(yīng)數(shù)據(jù)上報(bào)處理。

3.3? ?拱頂沉降監(jiān)測(cè)與周?chē)諗勘O(jiān)測(cè)

地鐵隧道的拱頂沉降、周?chē)諗繀?shù)，可反映隧道巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及支護(hù)效果的穩(wěn)定狀況，通過(guò)對(duì)二者參數(shù)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，可形成隧道巖體支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定效果的判定依據(jù)。監(jiān)測(cè)控制平臺(tái)計(jì)算、比對(duì)出沉降位移速度及周?chē)諗繀?shù)值，可得出隧道二次襯砌的最優(yōu)時(shí)間，為科學(xué)選定襯砌工藝及實(shí)施參數(shù)形成數(shù)據(jù)參考。

3.3.1? ?監(jiān)測(cè)拱頂沉降

在同一斷面每20～25m間設(shè)立沉降觀測(cè)點(diǎn)位，隧道中心線(xiàn)位置鉆設(shè)孔洞，置入長(zhǎng)50mm的8mm規(guī)格鋼筋，用水泥拌料將周?chē)ㄆ?。監(jiān)測(cè)高程聯(lián)系測(cè)量過(guò)程中，應(yīng)將地表基點(diǎn)高程移至橫通道臨時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)位置?？衫脩覓熹摮叻▽?shí)現(xiàn)高程的數(shù)據(jù)交互，在支架位置掛設(shè)鋼尺，零點(diǎn)位置裝設(shè)在基坑，并在此端掛裝重錘。

全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)位裝設(shè)傳感器收集的信號(hào)集中至采集設(shè)備，并利用無(wú)線(xiàn)傳輸設(shè)備將現(xiàn)場(chǎng)信息傳至監(jiān)控平臺(tái)。測(cè)算數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)時(shí)，比較同點(diǎn)位初始高程差形成累計(jì)變化量，整合數(shù)據(jù)，并利用監(jiān)測(cè)的拱頂升降值建立變形曲線(xiàn)圖及觀測(cè)報(bào)表。

3.3.2? ?監(jiān)測(cè)隧道周?chē)鷥艨帐諗?/p>

依據(jù)每20～25m距離設(shè)置斷面監(jiān)測(cè)凈空收斂點(diǎn)，在拱腰位置鉆設(shè)孔洞，置入長(zhǎng)50mm的直徑8mm規(guī)格鋼筋，用水泥拌料將周?chē)ㄆ健９绊敵两岛椭車(chē)鷥艨帐諗繑嗝嫒鐖D2所示。

全面檢查埋設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，確保其無(wú)松動(dòng)、破損狀況。張開(kāi)收斂計(jì)鋼尺的搖把，將尺頭掛鉤置于監(jiān)控孔洞中，同時(shí)將收斂計(jì)置于另一側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，將尺孔銷(xiāo)插至適當(dāng)深度。觀察并調(diào)節(jié)螺母，控制窗口內(nèi)標(biāo)尺雙白線(xiàn)同塑料窗口刻線(xiàn)位置吻合，監(jiān)測(cè)聯(lián)尺架端過(guò)程中鋼尺所達(dá)到的基線(xiàn)刻度。

為達(dá)到預(yù)計(jì)的監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)效果，單條基線(xiàn)應(yīng)至少監(jiān)測(cè)3次，并以3次的平均值作為最終監(jiān)測(cè)結(jié)果。如3次結(jié)果的極差大于0.05mm，應(yīng)進(jìn)行重新監(jiān)測(cè)。如監(jiān)測(cè)凈空收斂讀數(shù)大于25mm，應(yīng)將鋼尺收攏25mm實(shí)施二次測(cè)量。將2次監(jiān)測(cè)結(jié)果做差，得出尺孔的實(shí)際間距，以抵消因鋼尺沖刷長(zhǎng)度不準(zhǔn)造成的測(cè)量偏差。

3.4? ?建筑沉降監(jiān)測(cè)

沉降位移主要監(jiān)測(cè)地鐵隧道施工過(guò)程中建筑的位移量參數(shù)，以掌握基礎(chǔ)樁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而達(dá)到為施工和設(shè)計(jì)單位提供數(shù)據(jù)參照，優(yōu)化改良隧道設(shè)計(jì)施工方案，提高地鐵工程實(shí)施質(zhì)量的目的[6]。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)位埋裝過(guò)程中，可參照差異化監(jiān)測(cè)目標(biāo)而應(yīng)用對(duì)應(yīng)的埋設(shè)方案，針對(duì)磚混及框架結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)建筑，應(yīng)選擇鉆孔法埋設(shè)標(biāo)志物監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋裝時(shí)，應(yīng)控制避開(kāi)電氣管路、電氣元件、雨水管等設(shè)施，并應(yīng)參照立尺標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制地面同墻面的間距。埋裝完成后應(yīng)在立尺位置做防腐處理。通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，將收集的實(shí)際高程數(shù)據(jù)與初始高程參數(shù)形成比對(duì)，利用比對(duì)高差自動(dòng)得出實(shí)際沉降值，建立沉降數(shù)據(jù)報(bào)表。

3.5? ?隧道周?chē)芫€(xiàn)沉降監(jiān)測(cè)

應(yīng)用獨(dú)立液壓水準(zhǔn)系統(tǒng)，選擇2組具備較好穩(wěn)定性的隧道周?chē)芫€(xiàn)沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)位，搭建周?chē)芫€(xiàn)沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)。實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，應(yīng)依據(jù)國(guó)標(biāo)Ⅱ等測(cè)量規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，并根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量，控制監(jiān)測(cè)閉合差在標(biāo)準(zhǔn)要求誤差區(qū)間內(nèi)。

不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位高程應(yīng)依據(jù)水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)閉合線(xiàn)路建立，參照閉合線(xiàn)路工作點(diǎn)實(shí)施實(shí)際高程測(cè)量監(jiān)測(cè)。埋裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)位過(guò)程中，應(yīng)在管線(xiàn)對(duì)應(yīng)的地表位置埋裝間接監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。在地表鉆孔中插入長(zhǎng)度大于500mm、直徑大于100mm的鋼筋，控制管線(xiàn)頂端同監(jiān)測(cè)點(diǎn)底端間距約在30cm，埋裝后用混凝土封裝。埋裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)位時(shí)，應(yīng)注意觀測(cè)管線(xiàn)的實(shí)際位置，確保監(jiān)測(cè)點(diǎn)位可全面準(zhǔn)確的收集管線(xiàn)形變數(shù)據(jù)，埋裝前，應(yīng)檢查是否同其他管線(xiàn)相沖突，以確保埋裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的安全。

4? ?隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的質(zhì)量控制要點(diǎn)

地鐵隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)位埋設(shè)應(yīng)達(dá)到工程要求的穩(wěn)定性和監(jiān)測(cè)范圍，并具備相應(yīng)高識(shí)別性。監(jiān)測(cè)點(diǎn)一旦建立不應(yīng)隨意改動(dòng)、破壞，以建立起較全面、完備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄。監(jiān)測(cè)過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格參照工程需要及技術(shù)規(guī)范完成，確保監(jiān)測(cè)的頻次滿(mǎn)足規(guī)范要求。嚴(yán)格控制監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確性，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳的及時(shí)性，以方便管理者實(shí)施掌握動(dòng)態(tài)隧道施工數(shù)據(jù)。應(yīng)建立規(guī)范、完備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄資料庫(kù)。

實(shí)現(xiàn)地鐵隧道施工監(jiān)測(cè)過(guò)程中，應(yīng)以確保施工安全為第一要?jiǎng)?wù)。監(jiān)測(cè)地鐵隧道周?chē)黝?lèi)建筑的形變沉降，并及時(shí)上傳監(jiān)測(cè)信息和實(shí)施處置。同時(shí)應(yīng)將隧道線(xiàn)路兩側(cè)30m距離范圍內(nèi)的建筑、管線(xiàn)、過(guò)街天橋等，作為監(jiān)測(cè)對(duì)象主體，通過(guò)建筑物、管線(xiàn)、地表路面、土體等的實(shí)際沉降位移呈現(xiàn)數(shù)字化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)施地鐵施工過(guò)程的全面自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

在自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在地鐵隧道項(xiàng)目應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)充分結(jié)合地鐵隧道項(xiàng)目實(shí)際需求，建立明確的工程監(jiān)測(cè)目標(biāo)和完備的方案，嚴(yán)格控制自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)際監(jiān)測(cè)實(shí)施要點(diǎn)，以達(dá)到全面、及時(shí)的獲取地鐵隧道工程施工數(shù)據(jù)。利用監(jiān)測(cè)設(shè)備可達(dá)到隧道施工的多頻次、高精度的監(jiān)控目標(biāo)，有效保證地鐵工程項(xiàng)目的安全有序推進(jìn)。

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