淺論天津地鐵軌道的橋墩、路基、隧道工程沉降變形監(jiān)測(cè)方法

王乃坤

摘 要：針對(duì)天津地鐵的特點(diǎn)，從基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)的選擇及選取，還有穩(wěn)定性分析及監(jiān)測(cè)實(shí)施和數(shù)據(jù)處理方面制定切實(shí)可靠的沉降監(jiān)測(cè)方案，并對(duì)天津地鐵的沉降變形監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：地鐵軌道；橋墩；路基；隧道工程；沉降；變形；監(jiān)測(cè)

引言：隨著地鐵交通網(wǎng)的建設(shè)及發(fā)展，在運(yùn)營使用中的橋墩、路基、隧道等會(huì)由于多種因素的影響，而產(chǎn)生不同程度的變形，由于傳統(tǒng)的人工變形監(jiān)測(cè)已經(jīng)滿足不了目前實(shí)際監(jiān)測(cè)工程的需要，那么目前都會(huì)運(yùn)用機(jī)器人對(duì)其進(jìn)行實(shí)施的監(jiān)測(cè)，通過對(duì)天津地鐵監(jiān)測(cè)精度的指標(biāo)及要求及監(jiān)測(cè)方案，還有監(jiān)測(cè)結(jié)果等進(jìn)行分析，再結(jié)合工程特點(diǎn)，探索高風(fēng)險(xiǎn)、高難度項(xiàng)目的施工技術(shù)控制，為類似復(fù)雜條件下城市地鐵通過橋梁施工管理積累經(jīng)驗(yàn)。

一、地鐵橋墩、路基、隧道變形原因

1.軌道結(jié)構(gòu)變形

地鐵橋墩、路基、隧道變形包括軌道結(jié)構(gòu)變形主要原因是列車荷載長(zhǎng)期對(duì)軌道產(chǎn)生反復(fù)作用，使軌道發(fā)生幾何偏差，進(jìn)而影響軌道的平整性和順暢性；除列車荷載作用外，橋墩、路基、隧道周邊建設(shè)施工的卸載、負(fù)荷、加載也會(huì)引起道床的不均勻沉降，這種沉降同樣會(huì)影響軌道的平整度及順暢性。對(duì)于鐵路來說，地鐵運(yùn)行車輛重量較輕、速度低，軌道和車輛行走部分的變形一般不會(huì)引起地鐵事故，但軌道變形造成的不平順可能會(huì)導(dǎo)致列車發(fā)生不正常振動(dòng)，這會(huì)降低列車運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少用戶的舒適度，更重要的是會(huì)加快軌道結(jié)構(gòu)部件的損壞速度，從而間接影響列車的行車安全。

2.橋墩、路基、隧道結(jié)構(gòu)變形

交通對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有促進(jìn)作用，地鐵橋墩、路基、隧道的建設(shè)同樣也會(huì)促進(jìn)周邊地區(qū)建筑行業(yè)的發(fā)展，地鐵橋墩、路基、隧道附近上方基坑施工逐漸增多，大規(guī)模的交通線網(wǎng)也不斷得以建設(shè)。地鐵橋墩、路基、隧道結(jié)構(gòu)變形發(fā)生在施工階段和運(yùn)營階段，在施工階段，地鐵暗挖橋墩、路基、隧道工程是在巖土體內(nèi)部進(jìn)行的，在開挖過程中對(duì)地下巖土的擾動(dòng)是不可避免的，這就破壞了地下巖土體原有的平衡條件。開挖時(shí)，地層初期受到的影響較小，發(fā)生的形變也是微型形變，隨著開挖的不斷深入，變形會(huì)極具增大，然后又趨于緩慢。因此，在開挖過程中應(yīng)對(duì)其相應(yīng)的拱頂下沉量和地表的下沉量進(jìn)行檢測(cè)，以便于對(duì)橋墩、路基、隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和開挖工程的安全性提供分析依據(jù)。

3.地鐵橋墩、路基、隧道變形監(jiān)測(cè)內(nèi)容

地鐵橋墩、路基、隧道變形不僅會(huì)影響列車運(yùn)行的穩(wěn)定性，還可能對(duì)整個(gè)工程及其臨近工程的結(jié)構(gòu)造成影響，因此做好地鐵變形的監(jiān)測(cè)工作，對(duì)于維護(hù)地鐵工程的安全具有實(shí)際意義。在實(shí)際的監(jiān)測(cè)過程中，不同階段的監(jiān)測(cè)任務(wù)不同，施工階段主要監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括工程支護(hù)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性、變形區(qū)的地表情況、建筑物情況、管線及其他相關(guān)環(huán)境；投入使用后監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容則為運(yùn)營情況和周邊建設(shè)情況對(duì)軌道、道床和建筑工程結(jié)構(gòu)，同時(shí)還應(yīng)對(duì)運(yùn)營地區(qū)附近的地表、建筑、管線等相關(guān)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督。對(duì)工程施工階段和投入使用后階段的變形情況進(jìn)行分析后，可知施工、使用后期間的結(jié)構(gòu)變形情況、施工階段的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況、投入使用后軌道、道床的變形情況都屬于被監(jiān)測(cè)對(duì)象。

二、地鐵橋墩、路基、隧道變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)是利用水準(zhǔn)測(cè)量?jī)x的檢測(cè)功能對(duì)橋墩、路基、隧道結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要對(duì)變形區(qū)域的斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該法在實(shí)際使用過程中存在一系列不足：

1.1該法無法使用先進(jìn)的遠(yuǎn)程測(cè)量技術(shù)，在監(jiān)測(cè)過程中不得不打斷監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)的列車運(yùn)行；

1.2地鐵橋墩、路基、隧道內(nèi)可視性差，空間受到限制，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，給監(jiān)測(cè)的安全性和監(jiān)測(cè)質(zhì)量造成了不利影響；

1.3監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量受限，若設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)過多，不僅會(huì)增大工作量，還會(huì)延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)周期的長(zhǎng)度，無法準(zhǔn)確的反映出變形的真實(shí)情況；若設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)過少，無法根據(jù)有限的數(shù)據(jù)得到較為精準(zhǔn)的變形趨勢(shì)，這對(duì)后期的結(jié)構(gòu)的變形負(fù)荷分析是極為不利的。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的需求，新型的監(jiān)測(cè)技術(shù)急需被研發(fā)使用。

2.三維變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

三維變形監(jiān)測(cè)技術(shù)也被稱為激光雷達(dá)技術(shù)，該技術(shù)在實(shí)際測(cè)量時(shí)可完全擺脫人工操作，被監(jiān)測(cè)物體的幾何圖像的排列情況由掃描棱鏡中放射的激光點(diǎn)云中獲得，通過激光的快速測(cè)距功能，建立物體的三維空間模型。 對(duì)于地鐵橋墩、路基、隧道的變形監(jiān)測(cè)來說，24h不間斷監(jiān)測(cè)是保障橋墩、路基、隧道結(jié)構(gòu)和地鐵安全原型的有效手段；但地鐵運(yùn)行的密度較為密集，若能在不打斷地鐵運(yùn)行的情況下，保障測(cè)量人員的安全，同時(shí)還能保障測(cè)量結(jié)果的有效性則需要通過測(cè)量機(jī)器人的協(xié)助才能實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)。測(cè)量機(jī)器人利用遠(yuǎn)程自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可對(duì)地鐵的結(jié)構(gòu)、墻壁垂線、橋墩、路基、隧道路基等實(shí)施不間斷監(jiān)控，監(jiān)控周期段，可在短時(shí)間內(nèi)為工作人員提供地鐵運(yùn)行的安全狀態(tài)。

3.基準(zhǔn)點(diǎn)與工作基點(diǎn)的選取

監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)是橋墩、路基、隧道沉降監(jiān)測(cè)的參考系，由基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)組成?；鶞?zhǔn)點(diǎn)是沉降監(jiān)測(cè)的基本控制，應(yīng)保持其堅(jiān)固與穩(wěn)定。選擇基準(zhǔn)點(diǎn)位置的一般原則是：根據(jù)工程大小，地形地質(zhì)條件以及觀測(cè)精度的要求，基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在變形體或變形區(qū)之外，且地質(zhì)情況良好，不易被破壞的地方。個(gè)別車站發(fā)生變形，也可從相鄰車站的位置關(guān)系反映出來。因此，可以把變形監(jiān)測(cè)的工作基點(diǎn)建立在兩橋之間的車站上，如選擇車站的鋪軌控制基標(biāo)或埋設(shè)的特殊點(diǎn)作為變形監(jiān)測(cè)的工作基點(diǎn)。

4.監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)參考基準(zhǔn)的選取

一般來說，如果監(jiān)測(cè)網(wǎng)中確實(shí)存在不動(dòng)點(diǎn)，以采用固定基準(zhǔn)為最好，因其有堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。如果監(jiān)測(cè)網(wǎng)中存在著一部分點(diǎn)相對(duì)于另一部分點(diǎn)而言是穩(wěn)定的，但實(shí)際上他們也不是完全固定不變的，這時(shí)可以采用擬穩(wěn)基準(zhǔn)，應(yīng)用擬穩(wěn)平差為好。需要將車站內(nèi)的所有工作基點(diǎn)組成監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)，平差選擇擬穩(wěn)基準(zhǔn)較佳。

三、數(shù)據(jù)處理

地鐵橋墩、路基、隧道變形監(jiān)測(cè)的主要目的是通過采集其結(jié)構(gòu)的變形數(shù)據(jù)，了解地鐵的運(yùn)行情況，以便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，防止重大安全事故的發(fā)生，同時(shí)為后期的工程提供參考價(jià)值。因此，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)得出變形規(guī)律，進(jìn)而做出科學(xué)的預(yù)報(bào)是監(jiān)測(cè)工程的關(guān)鍵所在。由于現(xiàn)在的監(jiān)測(cè)手段不斷發(fā)生變化，已經(jīng)由傳統(tǒng)的單一監(jiān)測(cè)模式發(fā)展至點(diǎn)、線、面結(jié)合的立體交叉多元監(jiān)測(cè)模式，采集的數(shù)據(jù)也由離散型轉(zhuǎn)向連續(xù)性，因此對(duì)數(shù)據(jù)的分析預(yù)報(bào)也應(yīng)該由靜態(tài)分析轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)分析。

結(jié)語：根據(jù)天津地鐵天津獨(dú)有的特點(diǎn)，制定了切實(shí)可靠、可行的監(jiān)測(cè)方案，反映出了運(yùn)營的天津地鐵天津沉降變化的特征規(guī)律，并分析出了目前影響天津的主要因素是保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)施工影響，這種影響對(duì)于地鐵天津的沉降變化將是長(zhǎng)期的，并不因?yàn)楣こ痰慕Y(jié)束，影響就會(huì)馬上結(jié)束。必須對(duì)于天津保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的施工進(jìn)行嚴(yán)格審批管理和監(jiān)控管理。因此，對(duì)于運(yùn)營的地鐵必須像定期做體檢一樣，定期對(duì)地鐵進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義，這樣才能及時(shí)掌握運(yùn)營地鐵的狀況，分析出存在影響安全的主要因素，及時(shí)采取措施確保地鐵運(yùn)營的安全健康。

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