金 鴻 王賓賓

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

1 概述

地鐵是一種特殊的地下工程，空間狹小、環(huán)境復(fù)雜，隧道在地面建筑設(shè)施和地下施工環(huán)境的影響下時常出現(xiàn)變形，而隨著我國地鐵線路開通數(shù)的增加，相應(yīng)的地鐵事故頻繁發(fā)生，給國家和個人帶來巨大的經(jīng)濟損失[1]。為確保地鐵周邊環(huán)境及設(shè)施的安全，使地鐵隧道施工能夠順利進行，加強施工過程中的地鐵隧道監(jiān)測和基坑具有非常重要的意義。

地鐵隧道變形監(jiān)測具有高精度、高頻率和高時效性的特點，但是地鐵隧道變形監(jiān)測[2]環(huán)境復(fù)雜，天窗時間段，存在安全隱患，傳統(tǒng)人工作業(yè)模式難以滿足地鐵監(jiān)測的要求。采用全天候、自動化的變形監(jiān)測[3]方式是地鐵隧道監(jiān)測的最優(yōu)方案，全站儀自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)可以對變形監(jiān)測區(qū)域進行全天候、高精度、高頻率、安全穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集分析[4]，生成變形曲線和變形報告，預(yù)測安全事故、消除隱患，保證地鐵的安全施工和運營。

2 智能全站儀[5]自動化監(jiān)測原理

基于瑞士徠卡TS50智能型全站儀(測角精度：±0.5″；測距精度：±(0.6 mm+1 ppm))和自動監(jiān)測軟件建立監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1所示。測量地表在三維方向——X,Y,Z方向(其中：X,Y為水平方向，Z為垂直沉降方向)的變形變位值。采用全站儀極坐標法[6]和三角高程法[7]自動觀測隧道每個斷面的監(jiān)測棱鏡，利用每個棱鏡觀測的三維坐標，分別進行隧道豎直位移、隧道水平位移和徑向收斂的計算，其中，利用拱頂棱鏡的Z值計算隧道豎向位移，利用隧道拱腰位置兩個棱鏡的X值計算水平位移和水平收斂，利用拱頂棱鏡和軌道上棱鏡計算豎向收斂[8]。采用全站儀極坐標法和三角高程法自動觀測隧道每個斷面對應(yīng)道床的2個監(jiān)測棱鏡，利用每個棱鏡觀測的坐標Z值和斷面間距，分別進行道床橫向高差和徑向高差計算。

3 工程概況

某地塊工程場地位于西安市科技六路以南、唐延路以東、木塔寺公園以北；場地西北角為地鐵六號線車站施工工地。項目北側(cè)為地鐵六號線木塔寺站，基坑北側(cè)開挖底邊線距離地鐵征地范圍線約7.9 m，距離木塔寺站點基坑圍護樁約21.3 m；西側(cè)臨近地鐵六號線盾構(gòu)區(qū)間，基坑西側(cè)開挖底邊線距離地鐵范圍線約12.2 m，盾構(gòu)區(qū)間軌頂標高為392.076 m～394.648 m。地鐵六號線科技八路—木塔寺右線盾構(gòu)區(qū)間(YDK25+133～YDK25+371)，長度為238 m，要求對該工程影響范圍內(nèi)的相關(guān)結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測。

4 自動化監(jiān)測方案設(shè)計

首先建立智能監(jiān)測終端和測量機器人的通信，將智能監(jiān)測終端的串口通信參數(shù)設(shè)置成與智能全站儀一致，然后對全站儀設(shè)站，為全站儀建立獨立坐標系，其測站坐標和軸向可任意設(shè)置，但通常將Y軸設(shè)置為沿隧道方向，接著按照順序?qū)Ω鞅O(jiān)測點進行學(xué)習(xí)，主要獲取各監(jiān)測點的水平角、垂直角和斜距，最后為監(jiān)測點分組并制定監(jiān)測計劃進行數(shù)據(jù)采集[9]，得到各變形點的三維坐標、變形量及變形曲線圖，根據(jù)設(shè)置軟件還可以將原始觀測數(shù)據(jù)及差分處理后數(shù)據(jù)通過報警模塊發(fā)送至聯(lián)系人。

結(jié)合本項目的特點及規(guī)范[10]的要求，主要監(jiān)測項目及控制指標如表1所示。

表1 地鐵盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)監(jiān)測項目控制指標

4.1 基準的選取及布設(shè)與建立

基準點通常布設(shè)在變形區(qū)50 m以外的隧道中，布點個數(shù)可根據(jù)內(nèi)部環(huán)境靈活設(shè)置，但應(yīng)盡量大于3個，高程和平面共用，控制點選用大棱鏡，安裝在隧道主體結(jié)構(gòu)上，以提高監(jiān)測精度?；鶞庶c和測站點的點位布設(shè)位置如圖2所示。

監(jiān)測基準網(wǎng)的布設(shè)要根據(jù)現(xiàn)場的實際情況進行鉆孔方式埋設(shè)，基準點埋設(shè)在相對穩(wěn)定和方便使用的位置，遠離震動設(shè)備，便于長期保存，通視條件良好，并定期檢查基準點的穩(wěn)定性。

基準網(wǎng)的建立通過空間自由設(shè)站邊角交會[11]的方式取得。

4.2 工作基點和監(jiān)測點的選取及布設(shè)

4.2.1工作基點布設(shè)

全站儀布置在監(jiān)測區(qū)段的中部，使全站儀兩側(cè)范圍基本相同，從而使各監(jiān)測點的誤差盡量均勻。全站儀托架采用不銹鋼材料制作，安置于隧道側(cè)壁，離道床1.2 m左右。其最外側(cè)距墻壁40 cm，儀器距離設(shè)備限界約60 cm，距線路中心線1.7 m，在空間上足以架設(shè)測量儀器，可有效避免各種設(shè)備阻擋測量視線及傳輸信號之間的相互干擾，方便全站儀自動尋找目標并保證測量精度智能全站儀安裝見圖3，現(xiàn)場布設(shè)工作基點2個。

4.2.2監(jiān)測點布設(shè)及埋設(shè)

根據(jù)規(guī)范和項目安全評估方案要求，地鐵盾構(gòu)區(qū)間段落，結(jié)合基坑與地鐵既有結(jié)構(gòu)的關(guān)系，與基坑對應(yīng)位置的監(jiān)測點斷面間距按照5 m布置(總長度約190 m，小計布設(shè)39個)，其余監(jiān)測范圍內(nèi)的斷面間距按10 m布置(總長度約50 m，小計布設(shè)8個)，共計布設(shè)44個斷面，在每個斷面道床軌道兩側(cè)、隧道兩側(cè)拱腰位置、拱頂(根據(jù)實際情況避開高壓接觸網(wǎng)線位置)各設(shè)立1個監(jiān)測點，每個斷面布設(shè)5個點位，用于監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)豎向位移、平面位移、相對收斂、隧道尺寸、道床橫向高差、道床豎向高差等內(nèi)容，棱鏡距隧道壁3 cm～5 cm，監(jiān)測斷面點位布設(shè)如圖4所示。盾構(gòu)區(qū)間斷面編號從小里程由左至右分別編號為SGC1-1,SGC1-2，…，SCG1-5,SCG44-1，SCG44-2，…，SCG44-5，如圖5所示。在對應(yīng)斷面相鄰的管片上加裝棱鏡，位置在隧道腰部平行，用于監(jiān)測隧道管片張開量，共計布設(shè)44個。

4.3 觀測要求及監(jiān)測精度

1)采用徠卡TM50智能型全站儀，該全站儀具有自動目標識別和精確瞄準的功能，而且具有小視場模式，尤其適用于地鐵隧道狹長工程。全站儀外接數(shù)據(jù)傳輸模塊(DTU)，接受DTU的指令調(diào)度進行數(shù)據(jù)采集，通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實時發(fā)送到服務(wù)器。

2)每次測量應(yīng)采集控制點和監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，以控制點坐標為基準對全站儀進行后方交會，計算出全站儀的三維坐標值，以此來推算各監(jiān)測點的三維坐標。

3)變形分析前應(yīng)首先設(shè)置初值，全站儀在經(jīng)過一段時間觀測后，選擇前面幾期較為穩(wěn)定的數(shù)值取平均后作為初值，后續(xù)測量以該初值為基準進行變形分析。

平面控制點要定期與附近的控制基標進行連測，當控制點發(fā)生位移時，在進行位移監(jiān)測時應(yīng)把控制點的位移累加進去，作為最終的位移值。

監(jiān)測觀測要求及精度要求如表2～表5所示。

表2 水平角測量

水平角測量采用方向觀測法，當連測時方向數(shù)超過三時，應(yīng)進行歸零。

表3 豎角測量

表4 距離測量

表5 監(jiān)測點精度要求 mm

4.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及結(jié)果輸出

自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)均由計算機進行處理與管理，當取得各種監(jiān)測數(shù)據(jù)后，能及時進行處理，繪制各種類型的表格及曲線圖，計算變形量，評估結(jié)構(gòu)物的安全性，確定工程技術(shù)措施。自動化監(jiān)測將所有監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至遠程云計算中心，遠程云計算中心可將海量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理計算分析，并將分析結(jié)果以云平臺的形式展現(xiàn)給用戶。

5 實驗結(jié)果及分析

本次監(jiān)測獲得一個周期7 d的沉降量同首期對比分析，通過監(jiān)測系統(tǒng)后臺自動處理，監(jiān)測成果分析見表6。

表6 一個周期內(nèi)的沉降量與首期對比分析

由表6可知，對一個周期內(nèi)10個監(jiān)測項目的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，本次各監(jiān)測項目最大周變化量2.04 mm,累計最大變化量-3.58 mm,沒有出現(xiàn)異常情況。

6 結(jié)語

結(jié)合項目實施的情況，驗證了采取自動化監(jiān)測方案的可行性，達到預(yù)期的效果。全部采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化，避免人為誤差，減輕了勞動強度，達到了快速處理數(shù)據(jù)并反饋結(jié)果。預(yù)測結(jié)構(gòu)物的安全性，及時反饋指導(dǎo)施工，調(diào)整施工參數(shù)，達到安全、快速、高效施工之目的。