自動化監(jiān)測技術(shù)在天津地鐵3號線金獅橋站—天津站站盾構(gòu)穿越高速鐵路工程中的應(yīng)用

李 明

（中鐵隧道集團(tuán)技術(shù)中心，河南洛陽 471009）

自動化監(jiān)測技術(shù)在天津地鐵3號線金獅橋站—天津站站盾構(gòu)穿越高速鐵路工程中的應(yīng)用

李 明

（中鐵隧道集團(tuán)技術(shù)中心，河南洛陽 471009）

為解決對盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)的高速鐵路沉降監(jiān)測問題，以天津地鐵3號線金獅橋站—天津站站盾構(gòu)施工為依托，對既有城際鐵路進(jìn)行自動化監(jiān)測。主要研究內(nèi)容及結(jié)論為：1）介紹該工程穿越城際鐵路情況及高鐵監(jiān)測特點和需求，說明高鐵監(jiān)測中必須實施自動化監(jiān)測手段；2）高鐵監(jiān)測項目較多，對路基及鋼軌沉降自動化監(jiān)測重點項目進(jìn)行研究；3）結(jié)合鐵路特點進(jìn)行靜力水準(zhǔn)和自動全站儀2套自動化系統(tǒng)的測點布設(shè)以及在實施過程中的注意事項，說明只有充分考慮環(huán)境特殊性才能有效發(fā)揮每種自動化監(jiān)測手段的預(yù)期效果；4）通過數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)兩者穩(wěn)定性較好，說明采用智能型電子全站儀加棱鏡監(jiān)測手段解決目前鋼軌自動化監(jiān)測難題的手段是可靠的，為以后的高鐵鋼軌自動化監(jiān)測提供一種新思路。

高速鐵路；靜力水準(zhǔn)；智能型電子全站儀；自動化監(jiān)測；鋼軌；盾構(gòu)

0 引言

隨著城市地下交通規(guī)模的擴(kuò)大及高速鐵路網(wǎng)的逐漸形成，盾構(gòu)區(qū)間下穿高速鐵路將不可避免。如何保證施工期間的高鐵運營安全，是地鐵施工亟需解決的問題。其中，作為重要角色的監(jiān)測更應(yīng)引起高度重視，只有及時發(fā)現(xiàn)問題才能防患于未然。

目前，國內(nèi)自動化監(jiān)測應(yīng)用在既有地鐵隧道的案例比較多，如崔天麟等［1］、張成平等［2］分別結(jié)合北京地鐵5號線崇文門站下穿既有隧道工程，詳細(xì)敘述了各種自動化監(jiān)測的應(yīng)用，也為之后既有地鐵線監(jiān)測開拓了視野；胡明慶等［3］結(jié)合武漢市軌道交通2號線隧道工程盾構(gòu)下穿京廣鐵路施工實例，針對軌面采取了常規(guī)的監(jiān)測實施，總結(jié)了鐵路軌道受盾構(gòu)穿越影響的規(guī)律；張建坤等［4］在北京地鐵8號線二期工程下穿某既有線路基的工程中，使用了靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)對路基沉降進(jìn)行了自動化監(jiān)測；張建坤等［5］對戶外靜力水準(zhǔn)在安裝、使用過程中的影響測量精度的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了探討；劉永中［6］通過對測量機(jī)器人自動化變形監(jiān)測的研究與應(yīng)用，實現(xiàn)了地鐵隧道在狹長空間的自動監(jiān)測，解決了實時監(jiān)測的難題；焦瑩等［7］肯定和描述了激光掃描技術(shù)（測量機(jī)器人）在隧道及重要工程中的應(yīng)用；劉銀偉［8］以天津地鐵3號線鐵東路站—北站盾構(gòu)區(qū)間隧道為背景，對盾構(gòu)施工穿越既有鐵路引起的地表沉降、深層土體位移以及和應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了研究，工程實例與本文非常相近，但沒有對鋼軌實施自動化監(jiān)測。

針對封閉運行的高速鐵路實施自動化監(jiān)測的案例較少，且自動化監(jiān)測一般只針對路基或結(jié)構(gòu)，針對鋼軌本身的自動化監(jiān)測案例就更少。本文結(jié)合天津地鐵3號線天津站站—金獅橋站盾構(gòu)區(qū)間穿越京津城際鐵路工程，提出了2種自動化監(jiān)測結(jié)合運用的辦法。

1 工程概況

天津站站—金獅橋站區(qū)間在右線DK15＋446.32（津山鐵路里程約下行線K137＋596.45）處下穿津山鐵路線，在右線DK15＋411.94（京津城際下行線里程K116＋457.73）處下穿京津城際。

津山鐵路線為雙線鐵路（路基寬約7.2 m），位于隧道上方，與隧道基本正交（相交角約90°），交匯區(qū)域共22 m。京津城際為雙線鐵路，路基頂寬為13.4 m，底寬為27 m，高5 m，樁基礎(chǔ)底端距離隧道結(jié)構(gòu)頂約為2 m。

天津站站—金獅橋站區(qū)間隧道內(nèi)徑為5.5 m，隧道頂在津山鐵路下埋置深度約17.8 m。在城際鐵路下埋深約24 m，主要通過地層為粉質(zhì)黏土、粉土層及粉砂層。本節(jié)點區(qū)域范圍有影響的地下水有2層，分別為上層第四系孔隙潛水和賦存于第Ⅱ陸相層及以下粉砂、粉土中微承壓水。

隧道與鐵路平剖面如圖1和圖2所示。

圖1 隧道與鐵路位置關(guān)系平面圖Fig.1 Plan sketch showing relationship between shield-bored Metro tunnel and existing high-speed railway

圖2 隧道與鐵路位置關(guān)系剖面圖（單位：m）Fig.2 Profile showing relationship between shield-bored Metro tunnel and existing high-speed railway（m）

2 選擇自動化監(jiān)測的原因

1）數(shù)據(jù)采集速度快、頻率高，滿足各方尤其是第三方產(chǎn)權(quán)單位（鐵路部門）對數(shù)據(jù)關(guān)注的需要。

2）對于處于封閉運行的高速鐵路，不允許在白天用常規(guī)人工上道監(jiān)測，必須采取自動化監(jiān)測。

3）對于特殊時間段如雨天、大霧天氣，人工上道監(jiān)測非常危險，而監(jiān)測工作不能因此停滯，必須有自動化監(jiān)測項目提供的數(shù)據(jù)。

4）鐵路內(nèi)來往列車較多，人工上道作業(yè)風(fēng)險較大，一旦冒進(jìn)作業(yè)，或者出現(xiàn)協(xié)調(diào)問題及通訊故障不能及時了解列車接近情況，則會帶來嚴(yán)重后果。

3 監(jiān)測對象及手段

高鐵監(jiān)測最主要的監(jiān)測對象是鐵路路基、鐵路鋼軌及接觸網(wǎng)桿，最重要的監(jiān)測項目是隆沉監(jiān)測。本工程中，在監(jiān)測過程中對上述主要監(jiān)測對象采取的自動化監(jiān)測手段分別是靜力水準(zhǔn)監(jiān)測、智能型電子全站儀監(jiān)測。當(dāng)然，也可以采用電水平尺等類似監(jiān)測手段，但應(yīng)考慮到電水平尺設(shè)置在軌枕時的固定問題，原則上禁止對既有地鐵設(shè)施進(jìn)行鉆孔等破損性施工。應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件選擇合適的接觸網(wǎng)桿監(jiān)測方法，經(jīng)濟(jì)允許時，盡量采用自動化監(jiān)測。

4 測點布設(shè)及注意事項

自動化監(jiān)測成本較高，測點布設(shè)除了要滿足工程需要外，還要兼顧經(jīng)濟(jì)，在點位的選取上應(yīng)深思熟慮。下文結(jié)合本工程穿越既有鐵路的工程實際，介紹測點布設(shè)的方法及注意事項。

4.1 靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測

4.1.1 監(jiān)測目的及原理

1）監(jiān)測目的。實時監(jiān)測施工影響范圍內(nèi)的路基隆沉情況。

2）監(jiān)測原理。該方法及所選用的儀器依據(jù)連通管原理的方法，用電容傳感器，測量每個測點容器內(nèi)液面的相對變化，再通過計算求得各點相對于基點的相對沉陷量。

4.1.2 測點布設(shè)

1）測點布設(shè)范圍為盾構(gòu)左右軸線外各30 m距離，基點布設(shè)在30 m外。

2）測點布設(shè)在沿軌道走向的一側(cè)路基上，如有要求則兩側(cè)路基均可布設(shè)。

3）在左、右軸線上方各布設(shè)一個測點，隧道輪廓線上各布設(shè)一個測點。如盾構(gòu)左右線間隔較遠(yuǎn)，則在中間布設(shè)一個測點，外輪廓線外按照3，5，7，9 m位置各布設(shè)一個測點。在30 m外設(shè)置一個該斷面靜力水準(zhǔn)基點。靜力水準(zhǔn)測點布設(shè)如圖3和圖4所示。

圖3 靜力水準(zhǔn)測點布設(shè)平面示意圖（單位：m）Fig.3 Plan layout of hydrostatic leveling monitoring points（m）

圖4 靜力水準(zhǔn)測點布設(shè)剖面示意圖（單位：m）Fig.4 Profile showing layout of hydrostatic leveling monitoring points（m）

4）具體布設(shè)時，在預(yù)設(shè)位置先將道床碎石除去，露出地基土表面，之后澆注邊長約15 cm的混凝土墩臺，形成一個穩(wěn)定的基座后，再將靜力水準(zhǔn)儀用螺栓固定在基座上，周圍回填碎石。靜力水準(zhǔn)布點示意如圖5所示。

圖5 靜力水準(zhǔn)布點示意詳圖Fig.5 Detail of installation of hydrostatic leveling monitoring points

4.1.3 注意事項

1）測點布設(shè)要牢固可靠，日常要進(jìn)行測點巡視，避免測點松動給列車運營造成危害。

2）該系統(tǒng)布設(shè)在露天環(huán)境，要考慮到夏季蒸發(fā)、冬季冰凍影響，在進(jìn)行液體灌注時要加入適當(dāng)?shù)姆纼鲆翰⑦M(jìn)行油封。建議夏季對靜力水準(zhǔn)儀采取一定的遮蓋措施。如確實因為其他因素使液體明顯減少，影響系統(tǒng)工作，則應(yīng)在保留之前隆沉值后，在最短的時間內(nèi)對整個管路重新注入液體，并調(diào)整系統(tǒng)重新工作。

3）由于系統(tǒng)布設(shè)在鐵路路基上，既受露天環(huán)境影響，又受列車運營震動影響，故在工程施工影響前，應(yīng)持續(xù)觀測1～7 d，以便掌握外界環(huán)境帶來的數(shù)據(jù)變化規(guī)律；然后以數(shù)據(jù)變化相對穩(wěn)定的時間段采集的數(shù)據(jù)作為修正參考，重新輸入每個儀器計算參數(shù)作為初始值，下次測量選取在相同的時間段內(nèi)進(jìn)行。

4）建議在每個靜力水準(zhǔn)墩臺上設(shè)置一個人工沉降測點，以便在天窗時間內(nèi)進(jìn)行人工復(fù)核。

5）應(yīng)經(jīng)常性地比較與另一套自動化系統(tǒng)智能型電子全站儀監(jiān)測的數(shù)據(jù)，以便相互佐證，尤其是在不允許人工上道復(fù)核的時間內(nèi)。

4.2 智能型電子全站儀監(jiān)測

4.2.1 監(jiān)測目的及原理

1）監(jiān)測目的。實時監(jiān)測施工影響范圍內(nèi)的鐵路鋼軌隆沉情況。

2）監(jiān)測原理。本系統(tǒng)采用徠卡TS30全站儀，相對于一般全站儀具有較高的測量精度和自動識別、搜索目標(biāo)能力，同時具備最快的加速度和轉(zhuǎn)速。其采用的壓電陶瓷驅(qū)動技術(shù)，使全站儀擁有極佳的動態(tài)跟蹤性能幫助測量人員極大地提高作業(yè)效率，且運行聲音較普通馬達(dá)驅(qū)動要安靜得多，高效、節(jié)能、環(huán)保。

自動目標(biāo)識別（ATR）原理是先自主發(fā)射一束紅外光束，按類似自準(zhǔn)值的原理經(jīng)目標(biāo)棱鏡反射后由CCD相機(jī)所接收，然后通過圖像處理功能實現(xiàn)目標(biāo)的精確照準(zhǔn)，不受白天黑夜影響。

4.2.2 測點布設(shè)

1）測點布設(shè)在施工主要影響區(qū)域，對應(yīng)靜力水準(zhǔn)測點位置，在左右軸線上方各布設(shè)一組（2個，左右軌各一個）測點，隧道輪廓線上各一組測點，左右軸線中間布設(shè)一個測點，外輪廓線外5 m處各布設(shè)一組測點。智能型電子全站儀測點布設(shè)平面如圖6所示。

2）具體布設(shè)時將棱鏡通過連接構(gòu)件固定在鋼軌上（如圖7所示），將智能型電子全站儀固定在自制的支架上，支架通過混凝土堆澆注在穩(wěn)定的平面上。整個過程要保證支架、混凝土堆具有足夠的穩(wěn)定性，將測量儀器連接在無線發(fā)射終端上。智能型全站儀設(shè)置如圖8所示。棱鏡測點布設(shè)實景如圖9所示。

圖6 智能型電子全站儀測點布設(shè)平面示意圖（單位：m）Fig.6 Plan layout of intelligent electronic total station monitoring points（m）

圖7 連接構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure of connection part

圖8 智能型全站儀設(shè)置示意圖Fig.8 Installation of intelligent electronic total station

4.2.3 注意事項

1）智能型電子全站儀的位置選取極為重要，難度也較大。要有一定的高度，確保視野的開闊，距離不能太遠(yuǎn)，要在施工影響區(qū)域外，要避免風(fēng)吹日曬，要有穩(wěn)定電源，還要做好防盜。在城市環(huán)境中，滿足上述所有要求是很挑剔和苛刻的。因此，最佳的選擇是將儀器設(shè)置在附近滿足條件的建筑物中，且應(yīng)打開窗戶。另外一個要素就是要固定好儀器本身，避免晃動及儀器附近經(jīng)常性的人員走動等外界原因干擾。另外，盡量采用高精度的全站儀，測距精度在1 mm＋2 ppm，測角精度在1″及以上。上述采用的智能型電子全站儀為徠卡TS30（0.5″，0.6 mm＋1 ppm）。

圖9 棱鏡測點布設(shè)實景圖Fig.9 Picture of prism monitoring point

2）當(dāng)儀器位置選擇好后，應(yīng)先架設(shè)儀器再指導(dǎo)棱鏡測點的布設(shè)。儀器操作人員應(yīng)與軌道棱鏡測點布設(shè)人員通過對講機(jī)隨時溝通，布點人員要轉(zhuǎn)動棱鏡對準(zhǔn)全站儀方向，以確保全站儀能夠看到并能自動搜索成功。尤其是在需要布設(shè)很多棱鏡測點情況下，為保證全站儀都能自動識別和搜索到，反復(fù)微整棱鏡位置也是必不可少的重要步驟。

3）相對靜力水準(zhǔn)自動化系統(tǒng)，該套系統(tǒng)受外界環(huán)境的影響更加敏感，故在工程施工影響前，更應(yīng)做好數(shù)據(jù)積累工作，應(yīng)持續(xù)觀測1～7 d或者更長時間，直到徹底掌握外界環(huán)境帶來的數(shù)據(jù)變化規(guī)律。如數(shù)據(jù)變化幅度較大，而測試頻率要求又較高，則可通過比對連續(xù)多天、每天整點的數(shù)據(jù)，然后對每個整點的多次數(shù)據(jù)各自求平均值，以得到各整點的環(huán)境影響參考值，待下次在該時間取得數(shù)據(jù)后，減去環(huán)境影響參考值即得到該時間段內(nèi)測點的工程影響變化量。

4）建議在每個棱鏡位置對應(yīng)的軌道上設(shè)置一個人工沉降測點，以便在天窗時間內(nèi)進(jìn)行人工復(fù)核。

5）應(yīng)經(jīng)常性地比較與另一套自動化系統(tǒng)靜力水準(zhǔn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，以便相互佐證，尤其是在不允許人工上道復(fù)核的時間內(nèi)。

5 數(shù)據(jù)對比分析

如圖10所示，選取同一位置附近時，采用2種方法的測點數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)整體吻合性較高，普遍差值在－1～1 mm，最大差值為0.7 mm。靜力水準(zhǔn)數(shù)據(jù)相對全站儀數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定和滑順，部分時間受鋼軌振動原因及全站儀系統(tǒng)原因影響，全站儀數(shù)據(jù)會有一定的跳躍，但總的效果較為理想。

圖10 測點沉降歷時曲線圖（2011年）Fig.10 Settlement Vs time in 2011

如圖11所示，靜力水準(zhǔn)與全站儀兩者沉降曲線在形態(tài)上最大的不同產(chǎn)生在鐵路工務(wù)部門抬道整修等特殊工況下。

由于棱鏡是通過連接構(gòu)件固定在鋼軌上的，故鋼軌的人為干預(yù)過程也得到了監(jiān)測系統(tǒng)的記錄。由圖11可知，在軌道沉降約4.5 mm時，工務(wù)部門進(jìn)行了軌道抬升修整工作，上抬幅度約6.5 mm，之后會因為擾動后密實穩(wěn)定需要，回落約2 mm，盡量使鋼軌達(dá)到預(yù)定理想狀態(tài)，確保行車安全。而靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)是安裝在鐵路路基上的，故累計沉降無法得到消除。

圖11 特殊狀況下沉降歷時曲線圖（2011年）Fig.11 Settlement Vs time under special conditions in 2011

6 結(jié)論與討論

通過天津地鐵3號線金獅橋站—天津站站盾構(gòu)穿越高鐵施工工程，總結(jié)出了針對高速鐵路采用的自動化監(jiān)測方法，尤其是采取棱鏡＋智能型全站儀進(jìn)行鋼軌自動化監(jiān)測是很好的一種選擇，可以有效解決鋼軌監(jiān)測難題，但要注意方式和方法，做好配套準(zhǔn)備。當(dāng)然，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，應(yīng)采用2種或多種自動化監(jiān)測手段相結(jié)合的方法，以便相互印證，避免在露天情況下某一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致無法及時獲取數(shù)據(jù)。由于本工程只采用了一臺自動全站儀，因此監(jiān)測范圍、監(jiān)測的棱鏡數(shù)量有限，如需要較大范圍測量，則需要增加儀器。較多儀器設(shè)備站點的設(shè)置問題還需要進(jìn)一步研究和探討，可能會發(fā)現(xiàn)更多、更先進(jìn)高效的方法。

（References）：

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［2］ 張成平，張頂立，駱建軍，等.地鐵車站下穿既有線隧道施工中的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)［J］.巖土力學(xué)，2009，30（6）：1861－1866.（ZHANG Chengping，ZHANG Dingli，LUO Jianjun，et al.Remote monitoring system applied to the construction of Metro station undercrossing existing Metro tunnel［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30（6）：1861－1866.（in Chinese））

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［4］ 張建坤，徐俊峰，徐國雙.靜力水準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵8號線第三方監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2011 （S1）：136－139.

［5］ 張建坤，陳昌彥，白朝旭，等.影響靜力水準(zhǔn)監(jiān)測質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)問題探討［J］.工程勘察，2012（9）：73－77，82.（ZHANG Jiankun，CHEN Changyan，BAI Chaoxu，et al.Study on the key technical problems related to accuracy of HLS［J］.Journal of Geotechnical Investigation＆Surveying，2012（9）：73－77，82.（in Chinese））

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［8］ 劉銀偉.盾構(gòu)施工下穿既有鐵路引起的地表沉降分析及數(shù)值模擬［D］.洛陽：河南科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程學(xué)院，2012.

Application of Automatic Monitoring Technology in Construction of Shield-bored Metro Tunnel Crossing Underneath High-speed Railway in Urban Area

LI Ming
（Technology Center of China Railway Tunnel Group Co.，Ltd.，Luoyang 471009，Henan，China）

The shield-bored tunnel from Jinshiqiao Station to Tianjin Railway Station Station on No.3 Line of Tianjin Metro crosses underneath Beijing-Tianjin high-speed railway.During the construction of the shield-bored tunnel，automatic monitoring is made for the high-speed railwy.The main content of the article is as follows：1）The details of the shield boring crossing underneath the existing high-speed railway lines，as well as the features and requirements of the monitoring of the high-speed railway，are presented.It is concluded that automatic monitoring must be made for the high-speed railway.2）Many items of the high-speed railway should be monitored.In the paper，the automatic monitoring of the subgrade and steel rail of the high-speed railway is studied.3）The layout of the monitoring points of the hydrostatic leveling monitoring and that of the total station monitoring，as well as the issues to which special attention should be paid，are presented in detail.It is concluded that the effect of each monitoring method cannot be maximized until the particularity of the specific environment is considered.4）The analysis on the monitoring data shows that the automatic monitoring system consisting of intelligent electronic total station monitoring and prism monitoring is reliable in the monitoring of the high-speed railway.The paper can provide a new concept for the automatic monitoring of the steel rails of high-speed railways in the future.

high-speed railway；hydrostatic leveling；intelligent electronic total station；automatic monitoring；steel rail；shield machine

10.3973/j.issn.1672－741X.2014.04.013

U 45

B

1672－741X（2014）04－0368－06

2013－11－04；

2014－02－10

李明（1981—），男，江蘇徐州人，2004年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)，土木工程專業(yè)，本科，工程師，主要從事地下工程技術(shù)與管理工作。