運(yùn)行軌道自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)計(jì)與分析

萬永世，王洪生，田曉龍，霍得嘯，范 劍

（1.天津市地球物理勘探中心，天津 300171）

對(duì)正式運(yùn)營的軌道交通隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，進(jìn)出場時(shí)間通常會(huì)受到較多限制，24 h內(nèi)的有效工作時(shí)間較短，若采用傳統(tǒng)人工監(jiān)測的方式難以完成隧道內(nèi)監(jiān)測任務(wù)[1-3]。自動(dòng)化監(jiān)測能實(shí)時(shí)監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)變化，不僅節(jié)約了人力，而且免受進(jìn)場時(shí)間的限制[4-6]。本文以蘇州市軌道交通6號(hào)線的軌道保護(hù)監(jiān)測項(xiàng)目為例，設(shè)計(jì)了該項(xiàng)目的工作方案，并對(duì)該軌道交通的運(yùn)行區(qū)間進(jìn)行長期監(jiān)測，包括橫向位移、縱向位移、豎向位移、凈空收斂和差異沉降[7-10]。結(jié)合項(xiàng)目成果，本文分析了該軌道交通的安全性和穩(wěn)定性，為及時(shí)判斷既有線結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營安全狀況提供了依據(jù)，為可能發(fā)生的事故提供了及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，使有關(guān)各方有時(shí)間做出反應(yīng)，避免惡性事故的發(fā)生，確保既有線路的安全運(yùn)營。

1 工程概況

項(xiàng)目的監(jiān)測對(duì)象為蘇州市軌道交通6號(hào)線與既有3號(hào)線之間的李公堤西換乘站，車站長度為206.83 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為23.10 m，站臺(tái)寬度為14 m，有效站臺(tái)中心里程處底板埋深約為27.4 m，車站頂板覆土約為2.90 m，換乘節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)埋深約為27.50 m。監(jiān)測前對(duì)車站環(huán)境進(jìn)行評(píng)估發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致車站形變的主要因素為：

1）基坑出現(xiàn)降水、土體卸載產(chǎn)生基坑變形，重載車輛和材料堆載、隧道掘進(jìn)等施工活動(dòng)易對(duì)周邊土體產(chǎn)生擾動(dòng)；工程在坑內(nèi)局部挖深較大部位施工時(shí)，可能進(jìn)行局部降水產(chǎn)生影響。

2）水土流失易造成既有軌道交通結(jié)構(gòu)車站變形、隧道管片開裂、滲漏水、隧道凈空變化甚至隧道結(jié)構(gòu)變形過大等病害，嚴(yán)重的還將導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)變形，對(duì)列車的運(yùn)營產(chǎn)生威脅。

3）車站或區(qū)間施工開挖面上部有微承壓水、下部有承壓水影響，施工過程中若水控制不利，則易產(chǎn)生滲漏水，導(dǎo)致水土流失、周邊土體變形，從而導(dǎo)致既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形。

4）地層較軟弱，變形敏感，基坑開挖時(shí)空效應(yīng)明顯；主體結(jié)構(gòu)施工期加載，通過已建成的下部結(jié)構(gòu)將應(yīng)力傳遞至下部巖土體，使得周邊巖土體應(yīng)力重分布、周邊土體變形，從而導(dǎo)致既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形。

2 監(jiān)測方案

2.1 基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)

車站、區(qū)間施工過程中軌道保護(hù)監(jiān)測項(xiàng)目如表1所示。

表1 監(jiān)測項(xiàng)目及其監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量

在自動(dòng)化監(jiān)測的斷面測量中，需布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)作為變形監(jiān)測的起始依據(jù)，具體布設(shè)方案為：①基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在項(xiàng)目變形區(qū)外30 m的穩(wěn)定位置處，上下行線各布設(shè)兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)組；②每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)組包括6個(gè)L型小棱鏡基準(zhǔn)點(diǎn)，所有儀器、設(shè)備的安裝位置均應(yīng)滿足行車限界要求；③隧道上行線、下行線每6 m布設(shè)一個(gè)斷面，拱頂、拱腰兩側(cè)各布設(shè)一個(gè)點(diǎn)，道床布設(shè)兩個(gè)點(diǎn)，每個(gè)斷面共5個(gè)點(diǎn)；④車站、出入場線上行線、下行線每10 m布設(shè)一個(gè)斷面，側(cè)墻布設(shè)兩個(gè)點(diǎn)，道床布設(shè)一個(gè)點(diǎn)，每個(gè)斷面共3個(gè)點(diǎn)。各監(jiān)測項(xiàng)目報(bào)警值如表2所示。

表2 地鐵結(jié)構(gòu)監(jiān)測報(bào)警值

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

1）水平位移觀測時(shí)，觀測點(diǎn)距離測站的最大距離D約為150 m，儀器的測角精度為0.5"。由于隧道中采用強(qiáng)制對(duì)中架設(shè)儀器，同時(shí)固定安裝小棱鏡，采用儀器固有的自動(dòng)照準(zhǔn)功能，因此觀測誤差主要來源于儀器的系統(tǒng)誤差。利用TS50型全站儀觀測最遠(yuǎn)點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差，儀器標(biāo)稱精度為方向觀測精度±0.5"，測距±0.6 mm+1×10-6D，則有：

觀測的點(diǎn)位中誤差為：

誤差最大點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為±0.96 mm，滿足±3.0 mm的要求。在實(shí)際監(jiān)測中，基于隧道內(nèi)的觀測條件和上述精度分析，采用徠卡TS50對(duì)隧道內(nèi)的水平位移監(jiān)測點(diǎn)觀測兩測回，距離正倒鏡各觀測一次，以滿足精度要求。

2）豎向位移觀測時(shí)，采用強(qiáng)制對(duì)中一站式測量高差的單點(diǎn)高差精度推算，測得的水平距離D＝150 m，誤差md=0.7 mm；垂直角a=15°，誤差為0.5"。設(shè)邊長觀測值和角度觀測值是獨(dú)立觀測值，列函數(shù)式h=D×tgα，對(duì)函數(shù)求全微分，利用協(xié)方差傳播律求取兩點(diǎn)間高差的方差。由于觀測邊長和觀測角是相互獨(dú)立的，因此其方差陣為：

計(jì)算得到中誤差為0.72 mm，即150 m范圍內(nèi)，在不考慮球氣差的影響下，精度小于1.0 mm。

3）凈空收斂計(jì)算采用全站儀三維非接觸軌道凈空位移量測新技術(shù)。其基本原理是利用全站儀自由設(shè)站遠(yuǎn)距離測量點(diǎn)位不同時(shí)段的三維坐標(biāo)，再將測量數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)通過軟件進(jìn)行后處理，每組斷面提供5條弦距的次變形量和累積變形量。其計(jì)算公式為：

最后輸出測點(diǎn)的三維位移矢量或測點(diǎn)相對(duì)收斂值。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)成果與分析

監(jiān)測數(shù)據(jù)共有67個(gè)點(diǎn)的橫向、縱向、豎向累積變化值及其變化速率，16個(gè)點(diǎn)對(duì)的凈空收斂累積值及其變化速率，15個(gè)點(diǎn)的差異沉降累積值及其變化速率。

本文首先分析67個(gè)點(diǎn)在3個(gè)方向上的累積變化情況，結(jié)果如圖1所示，可以看出，橫向位移均為負(fù)值，多數(shù)集中在-3～-2 mm之間，未超過表2中5 mm的預(yù)警值；縱向位移大多為正值，小于4 mm，少部分在-1～0 mm之間，未超過預(yù)警值；豎向位移絕大部分為正值，小于4 mm，未超過預(yù)警值。

圖1 3個(gè)方向的累積位移值/mm

變化速率對(duì)比如圖2所示，可以看出，橫向和縱向變化較穩(wěn)定，變化速率絕對(duì)值基本小于0.2 mm/d；豎向變化速率絕對(duì)值較大，在y296661和y296741兩點(diǎn)分別為0.788 027 mm/d和0.749 891 mm/d，但也未超過表2中的報(bào)警值。

圖2 變化速率對(duì)比圖/(mm/d)

凈空收斂累積值及其變化速率如圖3所示，可以看出，凈空收斂的點(diǎn)對(duì)中，沒有超過預(yù)警值的點(diǎn)，豎向變化速率較大的y296661所在點(diǎn)對(duì)累積值為-0.54 mm，變化速率為-0.32 mm/d，y296741所在點(diǎn)對(duì)累積值為-0.56 mm，變化速率為-0.44 mm/d，均在合理區(qū)間內(nèi)。

圖3 凈空收斂累積值及其變化速率

差異沉降累積值及其變化速率如圖4所示，可以看出，差異沉降存在兩組逼近預(yù)警值的點(diǎn)對(duì)，y297215/y297315的累積沉降值為1.87 mm，y297315/y297415的累積沉降值為-1.85 mm。

圖4 差異沉降累積值及其變化速率

在上述監(jiān)測數(shù)據(jù)中，較明顯的沉降點(diǎn)為y296661、y296741、y297215、y297315、y297415，前兩個(gè)為頂部監(jiān)測點(diǎn)，后3個(gè)為道床監(jiān)測點(diǎn)，無側(cè)墻監(jiān)測點(diǎn)，說明該軌道側(cè)墻穩(wěn)定性較好；道床監(jiān)測點(diǎn)雖接近預(yù)警值，但距離控制值10 mm相差較大，且其變化速率未超過預(yù)警值，因此對(duì)這些較大的沉降值可不予考慮。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了蘇州城市軌道換乘站的監(jiān)測方案，利用自動(dòng)化監(jiān)測方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)和道床監(jiān)測，獲取了橫向、縱向、豎向位移，計(jì)算了凈空收斂值和差異沉降值。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案符合工程項(xiàng)目需要，順利獲取了大量隧道內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)的變化值，未受軌道持續(xù)運(yùn)行影響；凈空收斂與差異沉降的計(jì)算值在誤差范圍內(nèi)，變化速率未超過控制值；該換乘站所有監(jiān)測和計(jì)算成果均未超限，其安全性較好。