自动化实时监测技术在地铁隧道中的应用与分析

2022-10-05陈小鸿

郑州铁路职业技术学院学报 2022年3期

陈小鸿

(福建经纬测绘信息有限公司，福建福州 350001)

因为地铁隧道所处环境往往比较复杂，管线和地质条件多变，并且地铁隧道经常穿越居住区和商业区，所以其安全性十分重要。地铁建造最为常用的就是盾构隧道施工技术，但是这种方式往往会扰动原地层，导致地层发生隆起、沉降等变形，进一步影响到地表建筑。当面临既有线路运营、小半径曲线及上软下硬岩质等问题时，怎样安全穿过运行中的既有地铁线路开展施工活动是一大难题[1-2]。对地铁隧洞变形情况实施监测，分析其变形趋势，是保证施工和临近地铁、建筑物安全的主要手段。然而，由于隧洞内情况复杂、条件有限、人工监测存在一定困难，并且不能保证数据准确性，因此多采用自动化监测方式。自动化监测可以将监测数据快速、精准地传输至技术人员手中，帮助技术人员及时发现异常，确保工程安全进行[3-4]。下面以某市区地铁三号线下穿地铁四号线为例，介绍自动化实时监测技术的应用要点，并对监测数据进行整理分析，进一步总结出本项目施工活动对地铁隧道结构的影响规律，为相关工程提供指导和参考。

1 工程概况

将某市区内地铁三号线下穿地铁四号线部分作为研究对象，在施工时期对现场开展了实时自动化监测工作，取得实测数据并进行整理分析。在此部位的线路中，平面曲线半径最小值为340 m，线间距为10.0～15.0 m，隧道轨面埋深为11～31 m。区间左线起终点里程为 ZCK29+706至ZCK31+311，短链为8.414m，区间长度为1601.732 m；右线起终点里程为YCK29+701至YCK31+311。

2 监测系统概况

2.1 监测设备

当行车区间密度较大时，传统监测手段实施较为困难，并且也无法采集和反馈数据，满足不了工程需求，因此选取进口全站仪(莱卡TCA2003)开展地铁四号线轨道和隧道结构变形持续远程自动化实时监测。由于轨道结构和隧道结构较为复杂，所以将水平位移、隧道结构监测点设置于地铁四号线结构上，同时选用自动化监测手段。

2.2 监测系统

CR10作为一类智能控制模块，可以把CR10和传感器相连接入通信网络，达到远程自动化监测变形目的，并具有远程控制、远程数据采集和持续测量的功能，解决了由于地铁使用时期轨行区禁止人员入内而导致监测工作无法开展的问题。与此同时，MD9能够把传感器和多组CR10构成的分项监测连接起来，形成一个完整的监测网络。通过这个监测网络，能够达到实时持续监测目的，并且各分项监测之间采集数据和处理数据互不干扰，可以使工作效率得到很大提高。一个功能健全的动态自动化监测系统能够在没有技术人员操作的情况下，顺利完成自动监测、数据采集、处理及储存、报表编制等操作，监测系统组件包括棱镜、自动化全站仪、供电与通讯电缆、专用软件、计算机。监测开始前将4台全站仪架设在地铁四号线隧道里，每台全站仪负责监测的沉降范围是80 m，除基准点不受变形区影响，其余所有监测点都在变形区可影响区域里。由于地面控制中心开展地铁隧道变形远程监测活动借助网络实现，所以现场要将通信网络布设好。

3 监测结果和分析

3.1 道床变形曲线

根据最后得到的变形数据能够看出：在地铁三号线右线穿过四号线右线后，监测点R7-9处的沉降最大，变形值达-6.4 mm，并保持稳定；在地铁三号线左线穿过四号线右线后，监测点R4-7为沉降值最大点，变形值达-11.2 mm，且受到右线和左线的叠加影响。两个监测点的沉降值均符合设计要求，也在可控制范围之内(地铁设施沉降绝对值不得大于20 mm)，主要监测面沉降随时间变化曲线见图1至图4。

图1 三号线右线穿过四号线右线道床垂直位移变化曲线

图2 三号线右线穿过四号线左线道床垂直位移变化曲线

图3 三号线左线穿过四号线右线道床垂直位移变化曲线

图4 三号线左线穿过四号线左线道床垂直位移变化曲线

3.2 监测结果分析和安全性判断

以各监测点垂直方向变形及施工进度为基础，分时期和阶段选取线性或非线性回归方程对时域之外的沉降量进行推算[5]。对于地铁施工和运行期间的安全性评价来说，沉降监测结果是一项非常关键的依据。根据业主企业及国家标准，在地铁隧道结构沉降速度大于2 mm/天或沉降值快到警报值10 mm时，要立刻将沉降情况上报给相关部门和业主单位，并组织施工单位技术人员对其原因进行分析，便于快速给出应对方案。根据监测结果将地铁结构沉降大致分成三个不同的阶段，具体如下：

第一沉降阶段(7月2日至7月21日)，在此期间累计变形值波动范围为±1 mm，表示施工活动未对测点造成影响，隧洞状态比较稳定，隧洞结构随时间变化的幅度较小。

第二沉降阶段(7月22日至8月20日)，在此期间累计变形值增加速度呈现上升趋势，造成此现象的原因是地铁四号线里的危险部位与地铁三号线盾构施工发生交汇，而盾构机在掘进过程中需要不断对扭矩、注浆压力、注浆量、转速等参数进行调整，在调整过程中势必会对地铁四号线造成影响。在盾构机从地铁四号线下方完全穿过并完成二次注浆工作后，监测结果变化幅度逐渐减小，慢慢回归平稳状态。参考工程力学相关经验，能够借助对数函数来对施工活动造成的土体沉降量进行拟合。

第三沉降阶段(8月21日至9月5日)，在此期间累计变形值回归平缓状态，与第一阶段相似，在某一值上下波动，波动幅度较小，表示隧道又回到了平稳状态，地铁结构在此时是安全稳定的。

以监测角度进行分析，沉降值与时间关系图中拐点的确定尤为重要，第一、三阶段沉降过程较为平稳，对其预测选取了时间序列里的AR(t)模型(自回归模型)。下面重点说明第二阶段拟合情况，第一、三阶段不在这里展开叙述。

3.3 建立拟合模型并分析拟合效果

目前，主要采用确定模型法和回归分析法来分析结构变形规律和变形原因，在这两种方法中回归分析法使用相对更为广泛。回归分析法又细分为非线性和线性两类[6]，包括对数趋势、指数趋势、多项式趋势、线性趋势。趋势项可以借助最小二乘法来拟合曲线，并以此预测其趋势。

根据监测结果，可以把地铁结构沉降大致分成3个不同时期：当开挖面未经过监测点时，监测点状态在一段时间内保持相对稳定，这一阶段的预测方式可以选取平稳时间序列或一元线性回归函数；当开挖面经过监测点且时间未超过半个月时，这一阶段的预测方式可以选取对数函数曲线；当开挖面经过监测点且时间超过半个月时，监测点状态继续保持相对稳定，这一阶段的预测方式与第一阶段相同。由此可以看出，至少有两个拐点存在于沉降量变化曲线上，假如仅仅选取一种多项式对其拟合，必然导致多项式有很高的阶次，应用在长时间的预报预测中不太适合，所以此次沉降预测工作中曲线拟合选择了分段拟合方式。如图5所示，L10-3典型监测点处的沉降预测选择了对数函数来进行拟合，7月22日为其拐点。L10-3监测点的沉降预测拟合相关系数R2为0.9959，说明效果较好，选取线性回归拟合来进行对比，结果如图6所示。对比结果，对数函数的拟合效果明显高于线性函数(R2=0.9540)、多项式函数(R2=0.9767)及指数函数(R2=0.9852)的拟合效果，表示选取对数函数更适合此次地铁结构沉降预测拟合。

图5 对数函数拟合预测结果

图6 线性、多项式、指数函数拟合预测结果

3.4 影响变形因素分析

地铁三号线下穿地铁四号线，对地铁四号线隧道结构的影响主要分为如下几个方面：第一，可能使隧道结构横截面整体出现竖向或水平变形；第二，可能使隧道出现纵向不均匀变形；第三，可能使隧道结构在局部出现竖向或水平变形。当隧道位移累积到一定值后，由于隧道工法不同，其结构受影响程度和形式也有所差异，若采用盾构法施工，其环缝接头和纵缝接头的张开量会增大，使隧道结构的耐久性和防水性能大大降低。借助自动化实时监测得出，盾构法施工会使盾构隧道受到扰动，损坏地层或使被破坏的土体再次发生固结，这是盾构法使四周地层发生变形的重要因素。重点分析引起隧道结构变形的因素，对盾构施工和结构沉降变形之间的关系进行总结，对减少施工活动对土工环境破坏、保证施工安全等方面非常重要。