监测反馈技术在地铁盾构施工塌陷预警中的应用

勾承藻

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

在建设施工领域中，盾构法凭借其自身的优势在城市地铁隧道建设当中逐渐占据重要地位。但在盾构施工过程中，由于周围地质条件复杂，若在卵石粒径较大、含量较高的区域施工，极易诱发地面沉降和塌陷问题产生。若在塌陷问题发生前没有进行及时的预警，则会造成严重的事故问题，不仅影响工程施工质量，同时还会影响到施工人员的人身安全[1]。因此，针对这一问题，下述将开展监测反馈技术在地铁盾构施工塌陷预警中的应用研究。

1 地铁盾构施工影响分析

结合以往施工经验，在开展地铁盾构施工时，必定会对周围土体造成一定扰动影响，并且不同的地质条件以及施工状况也会产生不同的扰动类型。在实际开展地铁盾构施工中，将盾构施工对其周围土体产生的扰动划分为开挖面上土体受到挤压而产生的压缩、前移、隆起和超挖引起的土体松动、塌落等[2]。图1为受到盾构施工影响地表产生的沉降分布曲线。

图1 受到盾构施工影响地表产生的沉降分布曲线

通常情况下，地铁盾构施工中，对土体的扰动距离、影响程度等存在以下几点规律：第一，在盾构施工中，土体开挖扰动的程度与垂直距离之间呈反比关系，即垂直距离越远，则土体开挖扰动的程度越小；垂直距离越近，则土体开挖扰动上的程度越大[3]。第二，盾构施工时的开挖水平方向土体扰动与垂直方向距离成反比例关系。随着距离的不断增加，开挖水平方向土体扰动逐渐衰减，并表现出扩散性特征。在进行地铁盾构施工过程中，若出现塌陷问题，则不仅会影响到施工本身，还会对地铁线路及周围地上构筑物造成影响。因此，基于上述对盾构施工的影响分析，针对地铁盾构施工的塌陷问题进行监测和预警具有十分重要的作用[4]。基于此，本文下述将对其开展详细研究。

2 基于监测反馈技术的地铁盾构施工塌陷预警

2.1 塌陷预警监测点布置

在对地铁盾构施工塌陷预警时，首先需要完成对塌陷预警测点的布置。可采用控制网布设的方式，结合地铁盾构施工技术方案、监测精度要求以及工程造价等多方面综合考虑，按照图2所示完成对测点的布置。

图2 塌陷预警监测点布置图

在对预警测点布置时，还应当遵循以下两点原则：第一，预警测点应当布置在与施工影响区域较远且稳固的地面位置上，并且确保布置位置易于保存；第二，预警测点与站点之间的平面布局范围应超过90°，并且两点之间应当具备良好的通视条件[5]。在各个测点上采用水准测量仪进行测定，测点的埋设方式应当按照地铁盾构施工测量规范要求的形式进行埋设，针对倾斜位置上的测点可采用平面测量仪进行测定，在结构上下分别埋设水平位移测点[6]。在具体实施时，应当对测点埋设区域及周围设施进行调查，并确保钻孔埋设测点保持不损坏。在完成对预警测点的埋设后，还需要对其进行合理保护。

2.2 基于监测反馈技术的地铁盾构施工周围建(构)筑物沉降与位移监测

为实现对地铁盾构施工周围建筑物和构筑物的沉降监测，引入监测反馈技术，在上述各个测点布置完毕基础上，利用监测仪器采用几何水准测量法减小观测，所使用的仪器设备为电子水准仪，水准仪的测量精度应小于等于0.3 mm。在测量过程中，为电子水准仪配备铟钢尺进行辅助观测[7]。在对沉降数据进行监测时，要求沉降监测点测站高差中的误差应小于0.5 mm；两侧读数得到的测量误差不得超过0.7 mm，视线长度不得超过50 m不得小于3 m。电子水准仪需采用最先进的监测水平沉降MEMS技术，并且能够实现对监测数据的远程传输，将数据传输到服务器端。

针对建筑物和构筑物在水平方向上的位移量进行监测，可采用全站仪完成观测，并将全站仪上获取到的观测数据进行记录，并生成外业观测数据文件。针对水平方向上的位移沉降可采用方向法实现测定。全站仪观测测回数为2，一测回的水平方向标准差为0.5 s，测距中误差应小于1 mm+1 ppm，基准点以及工作基点网边长应小于或等于300 m。由于在开展地铁盾构施工时通常是全封闭的运营状态，不允许监测人员进入到现场开展监测工作，因此需要引入监测反馈技术，开展对地铁盾构施工的自动化沉降及水平位移监测，以此替代人工操作，从而实现对地铁盾构施工的连续、精准监测[8]。可尝试引入具备监测反馈技术的测量机器人完成自动化监测，利用机器人为监测预警提供实时的线路结构三维方向上的监测数据，从而为后续塌陷险情是否发生的判断提供更有利的数据依据。监测过程中的具体内容是观测地铁盾构施工及周围路基、轨枕等变形情况，并结合现场施工条件及要求对其变形对路基沉降和轨道位移影响情况进行分析和记录，及时发现塌陷趋势。在监测过程中还需要对监测网进行分区处理，图3为监测分析示意图。

图3 监测分析示意图

将监测范围确定在地铁盾构施工周围既有线路的100 m以内，结合盾构施工情况和列车停靠情况变化，为了能够避免地铁盾构施工对监测的影响，将检测对象与施工进度进行结合，并实现如图3所示的分区独立监测。将每一个站台都看作是一个独立的监测区域，避免地铁盾构施工、上下站旅客等对监测造成的干扰。为了确保最终得到的监测结果具备高精度要求，并为后续塌陷预警提供有力依据，在各个测点完成监测后，还需要对监测数据的绝对参数和相对参数进行复核，并在监测点周围设置复核点。根据复核点上的数据，判断测点数据的准确度。将监测数据中不在实际监测数据变化允许范围内的数据去除，避免对最终塌陷预警造成影响。

2.3 地铁盾构施工塌陷险情发生、处理及预警响应

在上述基于监测反馈技术的地铁盾构施工周围建(构)筑物沉降监测及得到沉降监测数据的基础上，针对具体地铁盾构施工中出现的塌陷险情发生进行及时的反馈和处理。当出现塌陷问题时，需要施工单位在现场完成疏散人员、拉警戒线等操作，并及时采取应急抢险措施。在塌陷问题处理完毕后，按照本文上述论述内容，再重新针对周围构筑物和建筑物以及地表沉降情况进行监测，并结合得到的监测结果预测下一次塌陷问题是否会产生，并给出相应的预警。通常情况下，当测点上单次监测变量和累计沉降值超过设定的阈值时，说明有出现塌陷问题的趋势。同时，根据监测数据的变化情况及未来发展趋势也能够对塌陷险情做出预警提醒。通常情况下，在完成对塌陷问题的处理后的一段时间中，监测到的数据变化幅度不大，并且滞后沉降数据的持续时间较长，且变化不大。在实际应用中，为了实现对塌陷问题的可视化预警，除了将监测到的数据变化情况绘制成曲线图以外，还需要针对不同塌陷程度，用不同的指示灯进行表示。将塌陷严重程度划分为轻度、中度和重度，分别对应指示灯的黄色、橙色和红色，若没有出现塌陷问题，则指示灯始终为绿色。除此之外，不同的指示灯也对应着不同的应对措施，在通过指示灯明确塌陷的程度后，可在第一时间采取相应的解决措施，以此避免塌陷问题的进一步恶化，从而将塌陷时对周围的影响程度降低到最低。为了确保对地铁盾构施工的塌陷预警有序、有效进行，根据工程需要，还可对第三方检测现场项目部进行构建，并由项目相应的负责小组完成上述操作。由于在塌陷预警时需要监测的内容较多，并且监测周期较长，因此需要对全过程进行监督，所有的监测方案都需要通过三级审核，在审核合格后才能够真实应用到具体地铁盾构施工项目当中。

3 对比分析

在上述论述基础上，为了进一步验证基于监测反馈技术的地铁盾构施工塌陷预警方法在实际应用中的效果，以某地铁施工项目为依托，获取该项目的相关数据资料，并利用本文上述提出的预警方法对其施工中塌陷问题进行预警。为了确保实现对本文预警方法的应用验证及对比，选择将传统基于物探技术的预警方法作为对照组，将本文方法作为实验组，分别利用两种预警方法对该地铁施工项目的塌陷问题进行预警。已知该地铁施工项目在施工过程中会对地铁线路上以及周围附属的建筑设施造成一定影响，并使其产生不同程度的沉降和水平方向为位移，若不对其进行合理控制，则将会发生塌陷事故。该地铁施工项目设计最高速度为320 km/h，一般运营时的最高速度为320 km/h。在该铁路施工项目线路上，分别按照本文预警方法和传统预警方法设置多个预警测点，并随机选择5个预警测点作为实验研究测点。针对实验组和对照组各自5个研究测点对地铁盾构施工中竖直方向沉降和水平方向位移情况监测结果进行记录，并将其与实际竖直方向沉降和水平方向位移对比，初步验证两种预警方法的应用精度。为了方便比较，将上述论述内容绘制成表1。

表1 实验组与对照组预警方法研究测点监测精度

从表1可以看出，实验组预警方法中各个测点的沉降和位移监测结果与实际数据相差较小，仅为±0.02 mm，而对照组预警方法中各个测点的沉降和位移监测结果与实际数据相差较大，均超过0.1 mm。由此可以初步判断，实验组与对照组两种预警方法相比，在对各个测点的监测精度上，明显实验组优势更大。

在实现对两种预警方法的精度对比后，再对其预警响应速度进行对比。在上述地铁施工项目基础上，人为控制其各个阶段上的沉降情况。假设沉降值超过5.00 mm时，视为出现塌陷问题，对比两种预警方法在监测到预警时的响应时间作为评价指标，响应时间越短，则说明预警响应速率越快，越能够及时对地铁盾构施工中的塌陷问题做出快速响应；反之，响应时间越长，则说明预警响应速率越慢，无法对地铁盾构施工中的塌陷问题做出快速响应。根据上述论述，将记录结果绘制成表2。

表2 实验组与对照组预警方法塌陷预警响应时间记录

结合表2中的数据进一步证明，本文提出的基于监测反馈技术的预警方法在实际应用中能够实现对地铁盾构施工塌陷问题的快速响应，进一步提高地铁盾构施工的安全性。

4 结束语

通过本文上述论述，将监测技术与塌陷预警相结合，提出了一种全新的预警方法，并结合对比分析的方式验证新的预警方法具有更明显的精度优势和快速响应优势。将该预警方法应用于实际可以实现对地铁线路及周围建筑物塌陷问题的快速预警响应。在实际应用本文塌陷预警方法时，通过监测统计出大量盾构施工阶段的数据，为了方便对数据进行分析，并根据数据变化确定塌陷趋势，需要构建时程变化曲线图。为了确保盾构施工的安全，需要将各个测点上累计的变形量控制在合理范围内，针对现场变形值操作阈值范围的问题，应当及时告知现场施工人员，并采取合理的措施，从而使变形得到合理控制，避免塌陷问题的产生。在今后的研究当中，还将针对这一预警方法制定专项监测方法，并尝试引入信息化的自动反馈机制，以此确保在进行监测和预警的过程中能够实现对地铁盾构施工的及时反馈，从而为后续应对措施的制定和实施提供重要支撑。