陳小鴻

(福建經(jīng)緯測繪信息有限公司，福建 福州 350001)

因為地鐵隧道所處環(huán)境往往比較復雜，管線和地質(zhì)條件多變，并且地鐵隧道經(jīng)常穿越居住區(qū)和商業(yè)區(qū)，所以其安全性十分重要。地鐵建造最為常用的就是盾構(gòu)隧道施工技術(shù)，但是這種方式往往會擾動原地層，導致地層發(fā)生隆起、沉降等變形，進一步影響到地表建筑。當面臨既有線路運營、小半徑曲線及上軟下硬巖質(zhì)等問題時，怎樣安全穿過運行中的既有地鐵線路開展施工活動是一大難題[1-2]。對地鐵隧洞變形情況實施監(jiān)測，分析其變形趨勢，是保證施工和臨近地鐵、建筑物安全的主要手段。然而，由于隧洞內(nèi)情況復雜、條件有限、人工監(jiān)測存在一定困難，并且不能保證數(shù)據(jù)準確性，因此多采用自動化監(jiān)測方式。自動化監(jiān)測可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)快速、精準地傳輸至技術(shù)人員手中，幫助技術(shù)人員及時發(fā)現(xiàn)異常，確保工程安全進行[3-4]。下面以某市區(qū)地鐵三號線下穿地鐵四號線為例，介紹自動化實時監(jiān)測技術(shù)的應用要點，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理分析，進一步總結(jié)出本項目施工活動對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，為相關(guān)工程提供指導和參考。

1 工程概況

將某市區(qū)內(nèi)地鐵三號線下穿地鐵四號線部分作為研究對象，在施工時期對現(xiàn)場開展了實時自動化監(jiān)測工作，取得實測數(shù)據(jù)并進行整理分析。在此部位的線路中，平面曲線半徑最小值為340 m，線間距為10.0～15.0 m，隧道軌面埋深為11～31 m。區(qū)間左線起終點里程為 ZCK29+706至ZCK31+311，短鏈為8.414m，區(qū)間長度為1601.732 m；右線起終點里程為YCK29+701至YCK31+311。

2 監(jiān)測系統(tǒng)概況

2.1 監(jiān)測設備

當行車區(qū)間密度較大時，傳統(tǒng)監(jiān)測手段實施較為困難，并且也無法采集和反饋數(shù)據(jù)，滿足不了工程需求，因此選取進口全站儀(萊卡TCA2003)開展地鐵四號線軌道和隧道結(jié)構(gòu)變形持續(xù)遠程自動化實時監(jiān)測。由于軌道結(jié)構(gòu)和隧道結(jié)構(gòu)較為復雜，所以將水平位移、隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測點設置于地鐵四號線結(jié)構(gòu)上，同時選用自動化監(jiān)測手段。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)

CR10作為一類智能控制模塊，可以把CR10和傳感器相連接入通信網(wǎng)絡，達到遠程自動化監(jiān)測變形目的，并具有遠程控制、遠程數(shù)據(jù)采集和持續(xù)測量的功能，解決了由于地鐵使用時期軌行區(qū)禁止人員入內(nèi)而導致監(jiān)測工作無法開展的問題。與此同時，MD9能夠把傳感器和多組CR10構(gòu)成的分項監(jiān)測連接起來，形成一個完整的監(jiān)測網(wǎng)絡。通過這個監(jiān)測網(wǎng)絡，能夠達到實時持續(xù)監(jiān)測目的，并且各分項監(jiān)測之間采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)互不干擾，可以使工作效率得到很大提高。一個功能健全的動態(tài)自動化監(jiān)測系統(tǒng)能夠在沒有技術(shù)人員操作的情況下，順利完成自動監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、處理及儲存、報表編制等操作，監(jiān)測系統(tǒng)組件包括棱鏡、自動化全站儀、供電與通訊電纜、專用軟件、計算機。監(jiān)測開始前將4臺全站儀架設在地鐵四號線隧道里，每臺全站儀負責監(jiān)測的沉降范圍是80 m，除基準點不受變形區(qū)影響，其余所有監(jiān)測點都在變形區(qū)可影響區(qū)域里。由于地面控制中心開展地鐵隧道變形遠程監(jiān)測活動借助網(wǎng)絡實現(xiàn)，所以現(xiàn)場要將通信網(wǎng)絡布設好。

3 監(jiān)測結(jié)果和分析

3.1 道床變形曲線

根據(jù)最后得到的變形數(shù)據(jù)能夠看出：在地鐵三號線右線穿過四號線右線后，監(jiān)測點R7-9處的沉降最大，變形值達-6.4 mm，并保持穩(wěn)定；在地鐵三號線左線穿過四號線右線后，監(jiān)測點R4-7為沉降值最大點，變形值達-11.2 mm，且受到右線和左線的疊加影響。兩個監(jiān)測點的沉降值均符合設計要求，也在可控制范圍之內(nèi)(地鐵設施沉降絕對值不得大于20 mm)，主要監(jiān)測面沉降隨時間變化曲線見圖1至圖4。

圖1 三號線右線穿過四號線右線道床垂直位移變化曲線

圖2 三號線右線穿過四號線左線道床垂直位移變化曲線

圖3 三號線左線穿過四號線右線道床垂直位移變化曲線

圖4 三號線左線穿過四號線左線道床垂直位移變化曲線

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析和安全性判斷

以各監(jiān)測點垂直方向變形及施工進度為基礎(chǔ)，分時期和階段選取線性或非線性回歸方程對時域之外的沉降量進行推算[5]。對于地鐵施工和運行期間的安全性評價來說，沉降監(jiān)測結(jié)果是一項非常關(guān)鍵的依據(jù)。根據(jù)業(yè)主企業(yè)及國家標準，在地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降速度大于2 mm/天或沉降值快到警報值10 mm時，要立刻將沉降情況上報給相關(guān)部門和業(yè)主單位，并組織施工單位技術(shù)人員對其原因進行分析，便于快速給出應對方案。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果將地鐵結(jié)構(gòu)沉降大致分成三個不同的階段，具體如下：

第一沉降階段(7月2日至7月21日)，在此期間累計變形值波動范圍為±1 mm，表示施工活動未對測點造成影響，隧洞狀態(tài)比較穩(wěn)定，隧洞結(jié)構(gòu)隨時間變化的幅度較小。

第二沉降階段(7月22日至8月20日)，在此期間累計變形值增加速度呈現(xiàn)上升趨勢，造成此現(xiàn)象的原因是地鐵四號線里的危險部位與地鐵三號線盾構(gòu)施工發(fā)生交匯，而盾構(gòu)機在掘進過程中需要不斷對扭矩、注漿壓力、注漿量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進行調(diào)整，在調(diào)整過程中勢必會對地鐵四號線造成影響。在盾構(gòu)機從地鐵四號線下方完全穿過并完成二次注漿工作后，監(jiān)測結(jié)果變化幅度逐漸減小，慢慢回歸平穩(wěn)狀態(tài)。參考工程力學相關(guān)經(jīng)驗，能夠借助對數(shù)函數(shù)來對施工活動造成的土體沉降量進行擬合。

第三沉降階段(8月21日至9月5日)，在此期間累計變形值回歸平緩狀態(tài)，與第一階段相似，在某一值上下波動，波動幅度較小，表示隧道又回到了平穩(wěn)狀態(tài)，地鐵結(jié)構(gòu)在此時是安全穩(wěn)定的。

以監(jiān)測角度進行分析，沉降值與時間關(guān)系圖中拐點的確定尤為重要，第一、三階段沉降過程較為平穩(wěn)，對其預測選取了時間序列里的AR(t)模型(自回歸模型)。下面重點說明第二階段擬合情況，第一、三階段不在這里展開敘述。

3.3 建立擬合模型并分析擬合效果

目前，主要采用確定模型法和回歸分析法來分析結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和變形原因，在這兩種方法中回歸分析法使用相對更為廣泛。回歸分析法又細分為非線性和線性兩類[6]，包括對數(shù)趨勢、指數(shù)趨勢、多項式趨勢、線性趨勢。趨勢項可以借助最小二乘法來擬合曲線，并以此預測其趨勢。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，可以把地鐵結(jié)構(gòu)沉降大致分成3個不同時期：當開挖面未經(jīng)過監(jiān)測點時，監(jiān)測點狀態(tài)在一段時間內(nèi)保持相對穩(wěn)定，這一階段的預測方式可以選取平穩(wěn)時間序列或一元線性回歸函數(shù)；當開挖面經(jīng)過監(jiān)測點且時間未超過半個月時，這一階段的預測方式可以選取對數(shù)函數(shù)曲線；當開挖面經(jīng)過監(jiān)測點且時間超過半個月時，監(jiān)測點狀態(tài)繼續(xù)保持相對穩(wěn)定，這一階段的預測方式與第一階段相同。由此可以看出，至少有兩個拐點存在于沉降量變化曲線上，假如僅僅選取一種多項式對其擬合，必然導致多項式有很高的階次，應用在長時間的預報預測中不太適合，所以此次沉降預測工作中曲線擬合選擇了分段擬合方式。如圖5所示，L10-3典型監(jiān)測點處的沉降預測選擇了對數(shù)函數(shù)來進行擬合，7月22日為其拐點。L10-3監(jiān)測點的沉降預測擬合相關(guān)系數(shù)R2為0.9959，說明效果較好，選取線性回歸擬合來進行對比，結(jié)果如圖6所示。對比結(jié)果，對數(shù)函數(shù)的擬合效果明顯高于線性函數(shù)(R2=0.9540)、多項式函數(shù)(R2=0.9767)及指數(shù)函數(shù)(R2=0.9852)的擬合效果，表示選取對數(shù)函數(shù)更適合此次地鐵結(jié)構(gòu)沉降預測擬合。

圖5 對數(shù)函數(shù)擬合預測結(jié)果

圖6 線性、多項式、指數(shù)函數(shù)擬合預測結(jié)果

3.4 影響變形因素分析

地鐵三號線下穿地鐵四號線，對地鐵四號線隧道結(jié)構(gòu)的影響主要分為如下幾個方面：第一，可能使隧道結(jié)構(gòu)橫截面整體出現(xiàn)豎向或水平變形；第二，可能使隧道出現(xiàn)縱向不均勻變形；第三，可能使隧道結(jié)構(gòu)在局部出現(xiàn)豎向或水平變形。當隧道位移累積到一定值后，由于隧道工法不同，其結(jié)構(gòu)受影響程度和形式也有所差異，若采用盾構(gòu)法施工，其環(huán)縫接頭和縱縫接頭的張開量會增大，使隧道結(jié)構(gòu)的耐久性和防水性能大大降低。借助自動化實時監(jiān)測得出，盾構(gòu)法施工會使盾構(gòu)隧道受到擾動，損壞地層或使被破壞的土體再次發(fā)生固結(jié)，這是盾構(gòu)法使四周地層發(fā)生變形的重要因素。重點分析引起隧道結(jié)構(gòu)變形的因素，對盾構(gòu)施工和結(jié)構(gòu)沉降變形之間的關(guān)系進行總結(jié)，對減少施工活動對土工環(huán)境破壞、保證施工安全等方面非常重要。

4 結(jié)語

地鐵結(jié)構(gòu)沉降變形對地鐵安全性至關(guān)重要，通過自動化實時監(jiān)測技術(shù)分析了某市區(qū)內(nèi)地鐵三號線下穿地鐵四號線部分的變形情況，得到如下結(jié)論：

(1)地鐵三號線右線穿過四號線右線后，監(jiān)測點R7-9處的沉降最大，變形值達-6.4 mm；地鐵三號線左線穿過四號線右線后，監(jiān)測點R4-7為沉降值最大點，變形值達-11.2 mm，且受到右線和左線的疊加影響。兩個監(jiān)測點的沉降值均符合設計要求，在可控制范圍20 mm之內(nèi)。

(2)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可以把地鐵結(jié)構(gòu)沉降大致分成3個不同時期，針對不同時期給出了比較合適的預測擬合方式，在第二階段沉降變化較大，建議使用對數(shù)函數(shù)進行預測擬合,效果較好。

(3)盾構(gòu)法施工會使盾構(gòu)隧道受到擾動，損壞地層或使被破壞的土體再次發(fā)生固結(jié)。分析引起隧道結(jié)構(gòu)變形因素，對盾構(gòu)施工和結(jié)構(gòu)沉降變形之間的關(guān)系進行總結(jié)，對減少施工活動對土工環(huán)境破壞、保證施工安全非常重要。