地鐵保護(hù)區(qū)變形監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳喜鳳，劉嶺

(1.浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310014)

1 引 言

地鐵作為城市的生命線，其沿線自然而然會成為商業(yè)經(jīng)濟(jì)開發(fā)的焦點(diǎn)。地鐵沿線的某些施工活動特別是緊鄰地鐵的大型基坑開挖，會引起周圍地基地下水位和應(yīng)力場的變化，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降、位移、裂縫、傾斜等變形，致使運(yùn)營中的地鐵隧道面臨一定的安全威脅。鑒于地鐵隧道在城市交通中的重要性，其保護(hù)等級高，對變形的控制指標(biāo)極為嚴(yán)格[1，2]。因此在基坑施工期間，必須對鄰近的地鐵車站及區(qū)間隧道(以下稱為“地鐵保護(hù)區(qū)”[3])進(jìn)行全方位變形監(jiān)測，以掌握基坑施工過程中鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變化，為建設(shè)方及地鐵相關(guān)方提供及時(shí)、可靠的信息。

關(guān)于基坑施工對鄰近地鐵隧道的影響，一些學(xué)者對隧道垂直位移或水平位移做過相關(guān)研究，并得出了一些有益的結(jié)論[4～6]，但鮮有學(xué)者對地鐵保護(hù)區(qū)隧道變形監(jiān)測進(jìn)行過較為全面而詳盡的闡述。另外，目前國內(nèi)地鐵保護(hù)區(qū)監(jiān)測的現(xiàn)狀為：①以人工監(jiān)測、人工處理數(shù)據(jù)為主；②測期相當(dāng)頻繁，尤其在基坑開挖階段須每天監(jiān)測；③數(shù)據(jù)處理時(shí)間極其緊張，作業(yè)時(shí)段一般為夜間0：30-3：40，測量完畢后須盡快完成監(jiān)測成果的計(jì)算、整理與分析，6：30前向有關(guān)單位提交監(jiān)測成果及分析報(bào)告，以及時(shí)反饋?zhàn)冃吻闆r，確保地鐵結(jié)構(gòu)安全；④可積累大量監(jiān)測資料，但數(shù)據(jù)成果零散，無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，難以用其進(jìn)行縱向比較、分析，亦無法實(shí)現(xiàn)變形預(yù)測，因此亟須開發(fā)一個集數(shù)據(jù)處理、管理和預(yù)測分析于一體的系統(tǒng)。鑒于上述情況，本文從一個地鐵保護(hù)區(qū)監(jiān)測實(shí)例出發(fā)，在系統(tǒng)介紹其監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上，闡述基于Visual Basic語言和Access數(shù)據(jù)庫技術(shù)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)。

2 工程概況

某市地鐵1號線南延線某站及區(qū)間隧道西側(cè)開挖一面積約 31 868 m2，周長約 771 m的大型基坑，項(xiàng)目所處場地為河漫灘地貌單元?？拷罔F1號線西側(cè)的基坑邊長約為 248 m，基坑開挖深度為 16.80 m～17.80 m，項(xiàng)目基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)距地鐵區(qū)間隧道最近約 23.40 m；基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)距離車站主體最近約 7.25 m?；优c地鐵的位置關(guān)系如圖1所示。監(jiān)測范圍為基坑邊線對應(yīng)的地鐵線路及沿線前后各外放 60 m，監(jiān)測距離共 368 m。

圖1 基坑與地鐵的位置關(guān)系

3 監(jiān)測內(nèi)容

3.1 沉降監(jiān)測

隧道沉降監(jiān)測是地鐵保護(hù)區(qū)變形監(jiān)測中最基本也是最重要的監(jiān)測項(xiàng)目，采用精密水準(zhǔn)測量方法。根據(jù)規(guī)范要求，沉降監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)按Ⅱ級垂直位移監(jiān)測控制網(wǎng)的技術(shù)要求，布設(shè)附合或閉合水準(zhǔn)路線進(jìn)行觀測，并進(jìn)行嚴(yán)密平差?；鶞?zhǔn)點(diǎn)一般布設(shè)在遠(yuǎn)離變形區(qū) 80 m～120 m外相對穩(wěn)定的地方，兩端各2個。沉降變形監(jiān)測網(wǎng)按Ⅱ級垂直位移監(jiān)測網(wǎng)技術(shù)要求，布設(shè)附合或閉合水準(zhǔn)路線，在基坑邊線對應(yīng)的地鐵線路區(qū)域內(nèi)，每 10 m布設(shè)1個沉降點(diǎn)，外延部分每 20 m布設(shè)1個沉降點(diǎn)，其中，車站與區(qū)間隧道連接縫兩側(cè) 0.5 m處各布設(shè)1個點(diǎn)作為差異沉降點(diǎn)，用于監(jiān)測車站和隧道之間的差異沉降量。本項(xiàng)目車站及區(qū)間隧道共布設(shè)76個沉降監(jiān)測點(diǎn)。

3.2 水平位移監(jiān)測

水平位移監(jiān)測可獲取基坑施工對地鐵結(jié)構(gòu)水平方向的影響。水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)采用Ⅱ等導(dǎo)線測量方法，一般在上下行隧道兩端各布設(shè)2個基準(zhǔn)點(diǎn)，由于隧道狹長，還需根據(jù)線路長度和通視情況在中間埋設(shè)若干工作基點(diǎn)，工作基點(diǎn)布設(shè)的原則是要有利于監(jiān)測點(diǎn)的測量。點(diǎn)位埋設(shè)時(shí)，位于最兩端的基準(zhǔn)點(diǎn)采用固定支架安裝小棱鏡，作為定向點(diǎn)，其余的基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)均采用強(qiáng)制對中方式進(jìn)行埋設(shè)，作為測站點(diǎn)，埋設(shè)位置均選于側(cè)墻腰線處，強(qiáng)制對中裝置與小棱鏡如圖2所示。水平位移監(jiān)測點(diǎn)一般與沉降監(jiān)測點(diǎn)對應(yīng)布設(shè)，測量時(shí)將儀器架設(shè)在工作基點(diǎn)上采用極坐標(biāo)法[7]測得監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)。本項(xiàng)目上下行線分別布設(shè)4個基準(zhǔn)點(diǎn)，2個工作基點(diǎn)及27個水平位移監(jiān)測點(diǎn)。需要說明的是，數(shù)據(jù)處理時(shí)上下行線分別建立獨(dú)立的坐標(biāo)系統(tǒng)，沿隧道方向?yàn)閄軸，垂直隧道方向?yàn)閅軸，從而監(jiān)測點(diǎn)Y坐標(biāo)的變化即反映了隧道的水平位移情況。

圖2強(qiáng)制對中裝置與小棱鏡

3.3 斷面收斂及斷面變形監(jiān)測

本項(xiàng)目在上下行區(qū)間隧道各布設(shè)5個斷面用于監(jiān)測隧道的收斂及變形情況。收斂監(jiān)測方法如圖3所示，在隧道兩側(cè)腰線上布設(shè)一條水平基線，A、B兩點(diǎn)分別粘貼測距反光片，利用TM30全站儀測量A、B兩點(diǎn)坐標(biāo)(X1，Y1)、(X2，Y2)，則水平基線長度為

(1)

S的變化即反映了隧道的收斂情況。

圖4為斷面變形監(jiān)測示意圖，利用TM30無棱鏡測距功能，按一定步長360°連續(xù)采樣，為確保監(jiān)測結(jié)果可靠，每個斷面有效掃描點(diǎn)數(shù)不少于30個，本項(xiàng)目掃描32個。圖中黑線為設(shè)計(jì)斷面，固定不變，紅線為實(shí)測斷面，二者之間的差異為超欠挖量，在前后兩次測量中超欠挖量的變化值即反映了隧道斷面的變形情況(斷面上各點(diǎn)以向外拉張為正，向內(nèi)壓縮為負(fù))。斷面變形監(jiān)測初期獨(dú)立觀測兩次，誤差范圍內(nèi)取均值確定首期值。

圖4 斷面監(jiān)測示意圖

3.4 垂直度監(jiān)測

基坑影響區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)側(cè)墻或風(fēng)亭需要進(jìn)行垂直度(或稱傾斜度)監(jiān)測。在監(jiān)測斷面(車站側(cè)墻或風(fēng)亭)同一鉛垂線的上、下部各粘貼1個反射片，在斷面的垂線方向設(shè)置固定測站，用全站儀分別測量上、下兩點(diǎn)，得其坐標(biāo)(X1，Y1，H1)、(X2，Y2，H2)，則垂直度P(以‰為單位)計(jì)算公式為：

P=(Y1-Y2)×1000/(H1-H2)

(2)

3.5 地下水位監(jiān)測

在基坑施工降水階段，地下水位是一項(xiàng)十分重要的監(jiān)測項(xiàng)目。選用SWJ90鋼尺水位儀從觀測井測得，測量時(shí)，打開頂蓋，放下測頭，測頭接觸到地下水面時(shí)蜂鳴器響，測讀孔口讀數(shù)即為地下水位值。

3.6 隧道裂縫、滲漏監(jiān)測

項(xiàng)目實(shí)施前，對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的裂縫、滲漏水等初始狀態(tài)進(jìn)行檢查與記錄，隨后定期對監(jiān)測范圍進(jìn)行巡視，對于新發(fā)生的裂縫及時(shí)觀測，用精密電子游標(biāo)卡尺(可精確到 0.01 mm)量出每條裂縫的長度和寬度，求得裂縫的變化值。若發(fā)現(xiàn)滲漏情況，即拍照記錄，并對滲漏作出分析。

4 地鐵隧道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

從功能上講，系統(tǒng)共分為5個模塊，其總體設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

4.2 系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.2.1 控制網(wǎng)穩(wěn)定性分析

控制網(wǎng)作為變形監(jiān)測的基準(zhǔn)，其穩(wěn)定性至關(guān)重要。本地鐵保護(hù)區(qū)變形監(jiān)測的沉降控制網(wǎng)和水平位移控制網(wǎng)均需要每月復(fù)測一次。該模塊提供了幾種常用的穩(wěn)定性分析方法[8～10]，可根據(jù)不同方法分析結(jié)果做出綜合評判。該子系統(tǒng)中包含了水準(zhǔn)網(wǎng)及導(dǎo)線網(wǎng)的平差處理子程序。圖6為控制網(wǎng)穩(wěn)定性分析的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

圖6 控制網(wǎng)穩(wěn)定性分析詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理模塊是系統(tǒng)的核心，其詳細(xì)流程如圖7所示。這里做以下幾點(diǎn)說明：

(1)由于監(jiān)測報(bào)表(Excel表格)中要列出各監(jiān)測點(diǎn)(或斷面)的初值觀測值、上次觀測值及本次觀測值，從而直觀得到本次變化量和累計(jì)變化量，所以直接導(dǎo)入上期監(jiān)測報(bào)表即可，另外各監(jiān)測項(xiàng)的點(diǎn)位布設(shè)圖也預(yù)設(shè)在上期監(jiān)測報(bào)表中，本期計(jì)算時(shí)直接導(dǎo)入上期報(bào)表，可方便快捷地提取相關(guān)信息。

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理可刪除原始測量數(shù)據(jù)中可能包含的無效數(shù)據(jù)、多余數(shù)據(jù)等，確保生成的觀測手簿清晰簡潔、數(shù)據(jù)可靠。

(3)按照3中所述計(jì)算出各監(jiān)測項(xiàng)中各測點(diǎn)的本次觀測值輸出到Excel報(bào)表中，Excel中預(yù)設(shè)的公式可自動計(jì)算本次變化量、累計(jì)變化量及相關(guān)變化曲線圖。

(4)隧道斷面變形計(jì)算及顯示是本系統(tǒng)的一個難點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)隧道斷面掃描數(shù)據(jù)(擴(kuò)展名為.obs)，可以分析斷面的整體變形和局部變形情況。系統(tǒng)將監(jiān)測斷面按照區(qū)間、斷面里程、測量周期、下行線斷面或上行線斷面進(jìn)行劃分，根據(jù)每個斷面原始觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行斷面截面橢圓基準(zhǔn)擬合，再結(jié)合斷面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，即可計(jì)算出斷面各點(diǎn)本期超欠挖量，該值相對于上一期的比較值即為斷面點(diǎn)本期變形量，相對于首期的比較值即為斷面點(diǎn)累計(jì)變形量。每一斷面本期觀測值采用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一管理。系統(tǒng)采用圖形顯示界面，除了可直觀顯示如圖4所示的超欠挖計(jì)算界面外，還可根據(jù)用戶需要，給出斷面上任一360°連續(xù)采樣點(diǎn)各期變形圖形，以便分析斷面的局部變形，并根據(jù)實(shí)際情況預(yù)警。

圖7 數(shù)據(jù)處理流程

4.2.3 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)用于將原始觀測數(shù)據(jù)和處理后的成果數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫管理。本項(xiàng)目選用Access數(shù)據(jù)庫，用DAO技術(shù)將VB與數(shù)據(jù)庫相連接。按照監(jiān)測項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，不同的項(xiàng)目文件分別存入不同的數(shù)據(jù)庫表中，便于數(shù)據(jù)管理和查詢等操作。同時(shí)也可按結(jié)構(gòu)化(即沉降控制網(wǎng)成果文件*.ou1和水平位移控制網(wǎng)成果文件*.ou2)和非結(jié)構(gòu)化(如Word文檔和Excel文檔)數(shù)據(jù)來進(jìn)行管理，當(dāng)數(shù)據(jù)庫中含有多期數(shù)據(jù)后，便可根據(jù)用戶需要調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)快速計(jì)算變形，亦可將變形成果導(dǎo)出到Excel表。

4.2.4 圖形繪制

在4.2.2程序自動生成的本期監(jiān)測報(bào)表(Excel)中，僅含有本期變化曲線和累計(jì)變化曲線，在實(shí)際中用戶常常需要對某幾期特定的數(shù)據(jù)進(jìn)行變形分析，自動生成各期變化量曲線圖、變化速率曲線圖，使得變形分析更加直觀明了，利用Visual Basic 6.0中的MSChart控件即可實(shí)現(xiàn)此功能。

4.2.5 預(yù)測分析

該模塊主要實(shí)現(xiàn)根據(jù)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測未來的變形趨勢，采用常用的擬合分析模型來實(shí)現(xiàn)，采用的擬合分析方法有：規(guī)范雙曲線法[11]、指數(shù)曲線法[12]、多元線性回歸分析法[13]，通過研究分析，將這些方法用VB編程實(shí)現(xiàn)隧道沉降及水平位移變形的預(yù)測。因篇幅限制，這里僅列出多元線性回歸分析法對基坑降水及土方開挖期間下行線隧道內(nèi)奇數(shù)號測點(diǎn)連續(xù)2天的沉降預(yù)測結(jié)果(如表1所示)。其中，所列實(shí)測值為各測點(diǎn)的累計(jì)沉降量(“+”表示上升；“-”表示下沉)；絕對偏差(AD)=預(yù)測值-實(shí)測值；相對偏差(RD)=AD/實(shí)測值；測點(diǎn)累計(jì)沉降量的報(bào)警值為T=±3.3 mm。

由表1可以看出，多元線性回歸分析模型得到的連續(xù)2天的預(yù)測值與實(shí)測值相差較小，絕對偏差(AD)最小為 0.04 mm，最大為 0.39 mm，平均值(取絕對值后的平均值，下同)為 0.20 mm；除隧道兩端個別累計(jì)沉降量本身較小的測點(diǎn)(如X01，X03及X29，X31)外，其余測點(diǎn)的相對偏差(RD)均在20%以內(nèi)，平均值為11.2%；各測點(diǎn)絕對偏差相對于變形報(bào)警值的百分比(AD/T)均在1.2%～11.8%之間，平均為6.2%。由此可見，該模型預(yù)測結(jié)果比較切合隧道實(shí)際沉降變形情況，能夠滿足該地鐵保護(hù)區(qū)沉降變形預(yù)測的要求。

多元線性回歸分析法沉降預(yù)測結(jié)果 表1

5 結(jié) 語

地鐵保護(hù)區(qū)變形監(jiān)測是一項(xiàng)監(jiān)測內(nèi)容多、測期相當(dāng)頻繁、要求短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的工作。本文以某市地鐵1號線南延線某站及區(qū)間隧道監(jiān)測為例，系統(tǒng)介紹了地鐵保護(hù)區(qū)變形監(jiān)測的內(nèi)容，以及數(shù)據(jù)自動化處理系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于本項(xiàng)目的數(shù)據(jù)處理中，大大減輕了數(shù)據(jù)處理人員的負(fù)擔(dān)，提高了工作效率，但在變形預(yù)測方面仍存在以下問題值得進(jìn)一步研究：

(1)所選預(yù)測模型的預(yù)測效果不穩(wěn)定，需采用一定的檢驗(yàn)手段對預(yù)測模型進(jìn)行檢驗(yàn)，以保證預(yù)測的精度和可靠性。

(2)受基坑不同施工階段的影響，地鐵隧道的變形情況呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，結(jié)合各基坑施工階段特點(diǎn)，建立相應(yīng)的預(yù)測模型可能會提高預(yù)測精度。

(3)本系統(tǒng)所采用的預(yù)測模型均為擬合模型，均以假設(shè)隧道變形情況符合某規(guī)律為前提，難以從理論上達(dá)到最優(yōu)，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、蟻群算法等智能模型進(jìn)行變形預(yù)測是未來的研究方向。