自动化监测技术在隧道受损修复工程中的应用

2014-07-02唐继民

测绘通报 2014年12期

关键词：静力监测技术土体

唐继民

(上海市地质调查研究院，上海 200072)

自动化监测技术在隧道受损修复工程中的应用

唐继民

(上海市地质调查研究院，上海 200072)

地铁隧道周边由于临近基坑开挖、地表加卸载及隧道近距离穿越等工程建设，引起土体的附加应力，造成隧道周围土体产生位移和变形，从而引起地铁隧道的附加变形。通过“微扰动”注浆对隧道进行加固可以对隧道的损伤进行修复，在修复过程中对隧道的自动化实时监测非常必要，可保障修复的顺利进行。本文主要研究了以物联网为基础的实时隧道自动化监测系统在隧道修复工程中的应用，结合实际工程案例，介绍了由于隧道沉降变形及管径收敛变形两种病害而对隧道进行修复时，自动化监测系统的应用情况及效果。

物联网；自动化监测系统；注浆；加固；静力水准仪；测距仪

一、隧道病害现状及治理方法

随着地铁建设的快速发展，近年来大量的地铁线路已投入或即将投入运营。然而地铁隧道周边由于临近基坑开挖、地表加卸载及隧道近距离穿越等工程建设，引起土体的附加应力，造成隧道周围土体产生位移和变形，从而引起地铁隧道的附加变形，对结构安全极为不利。软土地区运营地铁隧道的结构变形是在外部荷载、地面沉降、邻近隧道的施工以及列车振动等因素作用下的综合反映。通过长期监测数据及外观状况检查结果可以看出，目前上海地铁运营隧道病害主要表现为渗漏水、结构裂缝及损坏、隧道纵向沉降及管径环向收敛变形等。针对地铁隧道纵向沉降和管径环向收敛变形，通常采用对周边影响较小的“微扰动”注浆。采用该方法对病害区域隧道进行加固是通过在隧道外土层打设注浆管至设计要求的深度，再进行“微扰动”注浆加固。通常步骤为放样、钻取导孔、插入注浆芯管、打设注浆管、连接注浆管路、配制浆液、注浆、拔管、拔除注浆管。水泥-水玻璃双液注浆不但可以加固土体，还可以使土体产生隆起。对于沉降量较大且沉降趋势尚未稳定的不均匀沉降段采用在隧道下卧土层注浆来加固土体并使得被加固土体适量隆起以调整地铁隧道线形；在隧道两侧进行注浆加固则可以治理环向收敛变形。

二、隧道自动化监测技术概述

目前，国内针对盾构隧道的自动化监测对象主要分为隧道纵向变形监测、横向变形监测以及管径收敛变形监测。其中，隧道纵向变形监测中采用较多的是静力水准系统和电子水平尺系统，静力水准系统利用连通管的原理，测量每个测点容器内容器底面安装高程与液面的相对变化，再通过计算求得各点相对于基点的相对沉降量。该系统监测精度较高，且监测范围较大，是目前隧道自动化纵向变形监测中使用最多的一种技术。电子水平尺监测系统是通过将带有倾角传感器的电子水平梁前后首尾相接，测量出尺两端的高差，最后累计计算求得各点相对于基点的相对沉降量。但是由于首尾相接造成其累计误差随着监测距离的增大而增大，因此该种系统适用于小范围的监测；隧道横向变形和管径自动化监测通常采用带有目标识别功能的全站仪，全站仪安装简便，且可以同时兼顾测量横向变形和收敛变形。但是由于受到通视因素影响，并且监测精度随着观测距离的增大而降低，远距离大范围的监测无法满足精度要求。笔者所在单位近几年针对隧道管径变形监测特点，研发了一种基于“测线法”的自动化收敛监测系统，该系统将激光测距仪固定在隧道管壁上，然后测量隧道的一条水平测线，从而来判断隧道的收敛情况。该方法直观有效，在很多的隧道监护项目和隧道修复项目中得以应用，取得了良好效果。以该监测系统为核心申请的“一种用于实时测量隧道收敛的监测系统”获得国家实用新型专利。

三、隧道修复自动化监测系统组成

隧道修复自动化监测是以隧道自动化监测技术为基础，针对隧道修复特点而建立起的一套特殊的自动化监测系统。该系统主要目的是在隧道注浆修复过程中多方位的监控隧道实时的形变状态，从而避免注浆过量扰动土体和隧道本身，造成隧道损伤。在隧道注浆修复中笔者所在单位针对隧道纵向沉降一般采用静力水准自动化监测系统，而对于管径环向收敛变形的注浆修复则采用激光水平测线测量自动化监测系统。

1.隧道修复自动化监测系统工作方式

隧道修复自动化监测系统利用最新的物联网概念，通过互联网等通信技术把所有的传感器、采集器等联系在一起，实现远程管理控制和智能化的网络。该系统还将所有的监测数据经过处理后，实时的发布。用计算机、移动设备等通过互联网便可方便地查询到任意时刻隧道的变形数据，整个系统测量流程如图1所示。系统为B/S结构，其中NR监控终端(采集器端)对静力水准、测距仪或其他传感器进行数据采集和存储，并将最新的数据通过3G网络发送到服务器端。服务器端接收数据并进行处理后存储于服务器数据库中。修复过程中所有自动化数据通过网页形式发布，在修复过程中可以查询实时的数据和曲线，包括累计变化量、本次变化量等，还可以修改测量的频率。针对隧道修复过程中的特殊要求，系统可以做到简便地查看注浆前后的隧道变形量，并当该变形量超过预定值时进行软件报警和短消息报警(如图2、图3所示)。

图1 系统框架图

2.监测系统主要硬件组成

(1)静力水准仪

笔者所在单位采用的是德国 Gloetzl公司的GHD系列静力水准仪，该仪器为采用压力平衡原理的静力水准仪，其量程最大可以达到1 m，这个对于设备安装来说非常方便，避免了严格的抄平过程，也减少了设备因经常超量程而带来的额外维护。GHD系统采用MBUS总线结构，串行序列的连通方式，所有的测量点只用一条总线电缆连接，这样大大减少了电缆线的用量。该仪器精度也非常高，单台仪器精度达到0.02 mm。

图2 地图选项目

图3 数据查看

(2)测距仪

采用结构测距传感器GLS-B系列，测程0.05～200 m，支持串行接口(RS232或RS485或RS422)，工业防护等级IP65，测量精度1.0 mm。

(3)采集器

该产品主要用于采集和存储传感器数据，可以进行串口通信，在该采集终端上可以进行程序开发，并且带有GPRS/CDMA无线通信模块，可以无线传输数据。该采集器稳定性高，适应能力强，能经受恶劣外界条件，能长时间工作在恶劣的自然条件下。工作温度为－10°C～＋70°C。可以支持多种模拟量信号(电流、电压、震动频率等)和数字量信号设备。并且该采集器支持远程参数修改和固件版本升级。

四、工程案例

1.纵向沉降变形修复案例

(1)项目概况

上海浦东某基坑某区已挖到最后一层，部分底板已施工完毕，突然发现坑内有小股清水涌出，初步判断为坑内承压水突涌，后水势变大，并带有泥沙。该基坑距离轨道交通6号线最近距离38 m，发生突涌3天内6号线最大变化量为－9.5 mm。为了防止6号线区间隧道进一步下沉，经过专家组讨论商定，对差异沉降较大的区域进行单侧微扰动注浆。

(2)监测布点及实施

采用冲击钻孔将支架固定于隧道管壁上，安装静力水准传感器，连接通液管，注入化学液体，连接通气管，连接通信电缆至数据采集器，然后将数据发送到服务器，现场注浆人员可以通过外网直接查看当前注浆位置隧道变形情况，并以此为依据控制注浆量，安装示意图如图4所示。

图4 静力水准现场安装示意图

(3)监测成果

整个注浆经历多个阶段，现以第二阶段为例。第二阶段注浆量为136 m3，耗时17天。整个注浆过程隧道最大沉降回弹6.5 mm，人工与自动化监测差值最大为1.5 mm，平均差值在1 mm以内，相当吻合(如图5所示)。

图5 注浆期间人工自动化累计变化量曲线图

2.管径环向收敛变形修复案例

(1)项目概况

上海轨道交通7号线某区间隧道上方荷载过大，造成了该区间隧道内漏水漏泥严重，并且上行线最大收敛变化达14.7 cm，下行线最大收敛变化达14.8 cm。经过专家组认定，对收敛变形超过9 cm的隧道管片进行微扰动注浆。

(2)监测布点及实施

在该地铁区间隧道大直径位置A点上安装自动化测距仪支架，并将自动化测距仪固定在支架上，使支架保持水平，如图6所示。通过测量AA′测线的变化量来确定隧道的收敛情况。在注浆期间为了防止过度注浆，通过限定隧道本次收敛变形量来进行控制。当次注浆时，对应该注浆孔的隧道环及两侧各两环本次收敛量大于3 mm时报警，大于5 mm时则停止注浆。

图6 结构测距仪安装断面图

(3)监测成果

本次注浆历时2个月，共完成445孔注浆，其中一个区段最大收敛变形量42 mm，平均33.2 mm。图7为注浆区域隧道收敛累计变化量断面图，包含了自动化和人工复测的结果。从图中可以看出，注浆效果非常明显，并且自动化监测与人工监测数值非常吻合，最大差值为3 mm(人工监测点和自动化监测点布设的位置并不完全一致，会导致变形量有一定的差异)，平均差值在1 mm。