地鐵隧道及軌道變形遠程自動化監(jiān)測及分析

李春芳

（中鐵十七局集團第六工程有限公司　福建省　福州市　350000）

地鐵隧道及軌道變形遠程自動化監(jiān)測及分析

李春芳

（中鐵十七局集團第六工程有限公司福建省福州市350000）

隨著城市建設(shè)的大規(guī)模發(fā)展，按照軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃，地鐵骨架線將首先建成，新建換乘地鐵站不可避免地要穿越既有線車站結(jié)構(gòu)或區(qū)間隧道，新建地鐵車站有上穿或下穿既有線結(jié)構(gòu)兩種方式。例如，北京地鐵5號線東單暗挖車站從既有1號線區(qū)間隧道上面穿越，崇文門暗挖車站從既有1號線下面穿過[1]。北京地鐵4號線宣武門車站將下穿既有地鐵2號線宣武門站施工，西單站暗挖部分將從既有1號線區(qū)間隧道上面穿越。由于新建地下工程施工而引起的對既有地下結(jié)構(gòu)影響的問題已是地鐵建設(shè)中一個亟待解決的技術(shù)關(guān)鍵。為保證既有線結(jié)構(gòu)的安全和正常運營，在地下穿越工程施工期間，需要對既有線地鐵進行全天候的實時監(jiān)控量測。傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)在高密度的行車區(qū)間內(nèi)無法實施，且不能滿足對大量數(shù)據(jù)采集、分析以及及時準確的反饋，因此采用遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)對既有線的結(jié)構(gòu)和軌道變形進行24h監(jiān)控量測。

地鐵隧道；遠程；自動化監(jiān)測

1　工程概況

北京地鐵4#線西單站位于西長安街與宣武門內(nèi)大街、西單北大街相交處十字路口的東側(cè)，呈南北走向，與既有1#線西單地鐵車站呈“T”字形換乘。該車站中部采用雙孔并行大斷面暗挖隧道下穿長安街、上跨既有地鐵1#線區(qū)間隧道（圖1），是全線風(fēng)險等級高的重難點控制工程之一。該工程實施過程中最核心的問題是控制變形，不但要減少兩孔隧道之間的相互影響，還要減少對上部繁華街道和下部繁忙地鐵運營線的影響。

圖1　新建車站與既有1#線位置關(guān)系縱斷面

暗挖段上跨1#線既有區(qū)間，暗挖段底板板底與1#線既有區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)頂凈距0.5m，為即新建地下工程從既有地下結(jié)構(gòu)上部垂直穿越的近接施工。新建4#線西單車站暗挖段施工卸載以后對1#線區(qū)間隧道的影響不可忽視。新建4#線西單車站暗挖段上跨1#線既有區(qū)間，暗挖段底板板底與1#線既有區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)頂凈距0.5m，且既有區(qū)間結(jié)構(gòu)二襯施工時間較早，沒有配鋼筋，抗變形能力差。4#線西單站上穿施工時，在暗挖隧道開挖卸載以后，將產(chǎn)生向上推力，使既有隧道上浮，若上浮量過大，1#線區(qū)間結(jié)構(gòu)縱向內(nèi)力就會超出初始狀態(tài)較多。因此，區(qū)間結(jié)構(gòu)在縱向上裂縫會進一步加劇，裂縫的增多增深可能會使二襯出現(xiàn)碎裂而影響1#線行車安全。根據(jù)既有隧道結(jié)構(gòu)竣工資料及現(xiàn)狀檢測結(jié)果，經(jīng)過計算分析表明，既有隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀安全度已經(jīng)達到臨界狀態(tài)。因此，既有1#線區(qū)間隧道因卸載以后產(chǎn)生的危害應(yīng)引起高度重視。同時，為保證既有1#線正常運營，就必須保證軌道幾何形位（包括軌距、水平、高低及相應(yīng)的變化率）不受影響。如結(jié)構(gòu)變形影響引起軌道變形，也會影響1#線的運營安全。

2　監(jiān)測項目、監(jiān)測原理及測試系統(tǒng)

2.1監(jiān)測項目

既有線結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測，采用采用靜力水準儀，布設(shè)方案為：以4#線西單站穿越中心線為基準，在其下寬80m的區(qū)域作為重點監(jiān)測區(qū)域，間距4m，共布設(shè)20個測點（包含基點）。既有線軌道變形監(jiān)測采用在地鐵排水溝中布設(shè)靜力水準系統(tǒng)（需將靜力水準系統(tǒng)小型化）的方法進行監(jiān)測，布設(shè)方案為：在其下寬80m的區(qū)域作為重點監(jiān)測區(qū)域，上、下行線共布設(shè)18個沉降測點（包含基點），具體布置如圖2。

圖2　隧道及軌道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測點布置

2.2測試原理

靜力水準儀依據(jù)連通器原理，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。如圖3所示，設(shè)共布設(shè)有n個測點，1#點為相對基準點，初始狀態(tài)時各測量安裝高程相對與（基準）參考高程面▽H0間的距離則為：Y01、Y02…Y0i…Y0n；各測點安裝高程與液面間的距離則為h01、h02、h0i…h(huán)0n，則有：

圖3　測量原理

當發(fā)生不均勻沉陷后，設(shè)各測點安裝高程相對于基準參考高程面▽H0的變化量為：Δhj1、Δhj2…Δhji…Δhjn（j為測次代號，j= 1，2，3……）；各測點容器內(nèi)液面相對于安裝高程的距離為hj1、hj2、…、hji、…、hjn。

則j次測量i點相對于基準點1的相對沉陷量Hi1為：

由（2）式可得：

由（1）式可得：

將（5）式代入（4）得：

即只要用電容傳感器測得任意時刻各測點容器內(nèi)液面相對于該點安裝高程的距離hji（含hj1及首次的h0i），則可求得該時刻各點相對于基準點1的相對高程差。如把任意點g（1，2…i，n）做為相對基準點，將f測次作為參考測次，則按（6）式同樣可求出任意測點相對g測點（以f測次為基準值）的相對高程差Hij：

2.3數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)

監(jiān)測功能包括對各類傳感器的實測數(shù)據(jù)進行自動采集和對實測的信號做出越限報警。同時為滿足對地鐵隧道安全監(jiān)測的各種不同的管理要求，本系統(tǒng)提供了5種不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集方式，以增加系統(tǒng)的靈活性，便于遠程服務(wù)[2]。

（1）數(shù)據(jù)采集單元（DAU）定時測量方式（即無人值班方式）。根據(jù)監(jiān)控主機所設(shè)定的測量時間，DAU能自動定時地進行選測和巡測。該方式主要用于日常常規(guī)測量。

（2）人工干預(yù)測量方式。必要時，測試人員可通過監(jiān)控主機任意進行測量。該測量方式的優(yōu)先權(quán)高于其它任何方式，主要用于在特殊情況下可任意加密測次及對重點監(jiān)測部位實施任意頻次的測量。

（3）網(wǎng)絡(luò)化測量方式。本系統(tǒng)具備有網(wǎng)絡(luò)化的管理功能，任何一臺計算機聯(lián)入此網(wǎng)絡(luò)后，可在計算機終端上實施數(shù)據(jù)采集；資料查詢等。

（4）人工測量方式。作為一種后備方式，當監(jiān)控主機或通信線路發(fā)生故障時，在恢復(fù)通信之前采用便攜式計算機實施人工數(shù)據(jù)采集。DAU由于采用全模塊化結(jié)構(gòu)，更換模塊非常方便，DAU不會因為模塊故障而長期停測。

（5）遠程控制測量方式。本系統(tǒng)提供了遠程控制測量功能，通過遠方辦公室的計算機，可在任何地方自如地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和通信。

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動的數(shù)據(jù)采集、計算、圖形制作、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)信息管理、系統(tǒng)的自檢、而且能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化遠程操作，是真正意義上的遠程監(jiān)測系統(tǒng)。

3　儀器安裝、調(diào)試及保護

儀器的安裝如圖4～5所示，按要求在測點預(yù)埋φ180三個均布的M8×40（伸出長度）螺桿[3]。安裝注意事項如下：

圖4　地鐵隧道側(cè)壁靜力水準儀安裝

圖5　地鐵軌道基礎(chǔ)靜力水準儀安裝

（1）檢查各測墩頂面水平及高程是否符合設(shè)計要求。

（2）檢查測墩予埋鋼板及三根安裝儀器螺桿是否符合設(shè)計要求。

（3）提前將儀器主體容器塑料管連接處用水沖洗干凈。

（4）在測墩鋼板上安放儀器，用水平儀測定并調(diào)整頂板水平及高程，具體可以通過調(diào)節(jié)水準螺栓來調(diào)整。

（5）用槽架穩(wěn)定并保護連接管，同時用連接管連接儀器，并在因其中加入SG溶液以排除連接管中氣泡。

（6）在主體容器內(nèi)放入浮子。

（7）在主體容器上安裝頂板，并將傳感器裝于其上。

在水準管和儀器安裝完成時，將電纜和電容器焊接好并對焊接處采取絕緣措施。

3芯屏蔽電纜的紅芯接測量模塊的信號接線端口，白、黃芯接激勵（橋壓）接線端口。當容器液位上升時，電容比測值應(yīng)變小，否則將白、黃芯接線位置互換。

4　監(jiān)測結(jié)果分析與反饋

4.1控制標準

為了總變形值、上浮速率都在控制范圍內(nèi)，按照允許值的70%、80%作為預(yù)警值、報警值；并在每一施工步序中進行分解、確保每一步序的結(jié)構(gòu)變形都在控制指標內(nèi)。根據(jù)施工影響分析計算中體現(xiàn)的變形規(guī)律分解總變形值，控制標準見表1。

表1　既有線上浮控制標準

隧道施工過程中對既有線進行24h不間斷監(jiān)測，全部監(jiān)測數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析）均由計算機管理，若出現(xiàn)較大沉降或沉降速率加速時，及時反饋信息。

4.2監(jiān)測結(jié)果分析

既有線北側(cè)線路以上浮值為最大的測點BG06和BJ06為例，繪出結(jié)構(gòu)和軌道的上浮歷程規(guī)律如圖6所示；南側(cè)線路以上浮值為最大的測點NG04-1和NJ06為例，繪出結(jié)構(gòu)的上浮歷程規(guī)律如圖7所示；軌距變化的歷程規(guī)律如圖8所示。

圖6　既有線北側(cè)軌道及結(jié)構(gòu)上浮時程曲線

圖7　既有線南側(cè)軌道及結(jié)構(gòu)上浮時程曲線

由圖6～7所示，同一側(cè)結(jié)構(gòu)和軌道上浮歷程曲線形狀相似，結(jié)構(gòu)和軌道變形相互對應(yīng)，與實際情況是相符的。結(jié)構(gòu)和軌道上浮的最大值為3.2mm，沒有超過控制標準。

圖8　軌距變化時程曲線

從單個歷程曲線分析，上浮隨施工過程主要經(jīng)歷以下三個階段：

（1）微小變形階段。開挖初期，隧道開挖卸載量不大，對既有線影響較小，上浮量很小，增加也很緩慢。

（2）急劇增加階段。隨著開挖工作面的增加，隧道開挖卸載量增加幅度大，對既有線影響較大，上浮變形速率迅速增加，上浮變形量急劇增大。該階段一直持續(xù)到開挖和初期支護基本完成，上浮達到最大值。變化的機理主要是由于隧道開挖引起地層應(yīng)力釋放，造成圍巖應(yīng)力重分布，既有線上方荷載及約束解除。該階段是上浮變形的主要階段。

（3）緩慢變形階段。當開挖和初支完成后，變形速率逐漸減小，上浮變形有所回落。隨著二襯的施作，既有線實際上又經(jīng)歷了加載和恢復(fù)約束的過程，所以上浮變形減小。

比較南側(cè)和北側(cè)的歷程曲線，兩者也有所不同。南側(cè)的變化速率比北側(cè)的大，南側(cè)的回落現(xiàn)象也較為明顯。這與施工順序產(chǎn)生的力學(xué)作用也是相符的。隧道的開挖和支護都是從南側(cè)進行的，南側(cè)首先受到影響，因此南側(cè)的變化速率大。澆筑二襯也是從既有線南側(cè)開始的，所以南側(cè)上浮變形回落現(xiàn)象較為明顯。

從圖8軌距的變化歷程曲線看，軌距變化很小，在施工高峰期測到了軌距變化，但變化在0.1mm以內(nèi)。因此，既有線上方開挖隧道在上浮量控制在一定范圍內(nèi)的情況下，隧道開挖對既有線軌距的影響很小。

5　結(jié)論

（1）結(jié)構(gòu)和軌道上浮滿足各分階段控制目標要求，最終的最大值為3.2mm，也沒有超過控制標準的要求。

（2）從單個歷程曲線分析，上浮隨施工過程主要經(jīng)歷了微小變形階段、急劇增加階段和緩慢變形階段。

（3）既有線上方開挖隧道在上浮量控制在一定范圍內(nèi)的情況下，隧道開挖對既有線軌距的影響很小。

[1]徐春明，汪春桃，孫澤信，等.地鐵保護區(qū)變形自動化監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究[J].工程勘察，2014（12）：14～15.

[2]劉朝明，文志云.遠程監(jiān)控管理技術(shù)及在軌道交通建設(shè)中的應(yīng)用[J].上海建設(shè)科技，2005（5）：11～12.

[3]劉紹堂，李建新，周躍寅.光纖變形監(jiān)測方法在隧道工程中的應(yīng)用研究進展[J].公路，2014（10）：4～15.

[4]付麗麗，葉亞林，陳昊，等.自動化監(jiān)測技術(shù)在地鐵隧道中的應(yīng)用[J].城市勘測，2012（6）：143～147.

[5]張士宇，蔣宏偉，呂洪斌，等.自動化監(jiān)測技術(shù)在地鐵運營監(jiān)測中的應(yīng)用[J].科技和產(chǎn)業(yè)，2014（4）：131～134.

U231+.92

A

1673-0038（2015）21-0232-03

2015-5-2

李春芳（1978-），男，工程師，本科，主要從事軌道交通、地鐵工作。