智能位移檢測技術(shù)在地鐵上應(yīng)用

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摘要：介紹了一種新型智能位移檢測技術(shù)在地鐵工程施工現(xiàn)場安全監(jiān)測上的應(yīng)用情況。這種位移監(jiān)測設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷的施工現(xiàn)場變形位移檢測，24h在線上報(bào)受地鐵施工影響的鐵路運(yùn)行區(qū)域的地面沉降、路基沉降、鐵路軌道變形、接觸網(wǎng)立柱傾斜與沉降等多種位移變形數(shù)據(jù)。與之配套的施工安全監(jiān)測系統(tǒng)可對現(xiàn)場上報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并根據(jù)規(guī)范設(shè)定的安全限值進(jìn)行數(shù)據(jù)異常、超限等報(bào)警，還可提供監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線瀏覽、分析、數(shù)據(jù)報(bào)表等多種功能，是一種可靠、高效的新型智能監(jiān)測技術(shù)。

關(guān)鍵詞：在線位移監(jiān)測；施工安全監(jiān)測；地鐵施工；鐵路保護(hù)

地鐵施工以地下施工為主，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工程施工難度大，而建成后的地鐵線路一般也都位于城市核心功能區(qū)域，影響范圍內(nèi)房屋建筑、橋梁、鐵路等分布密集。為了保障地鐵施工和運(yùn)行過程中的安全，在地鐵施工工地、影響區(qū)域和運(yùn)行現(xiàn)場常常采用各種監(jiān)測儀器進(jìn)行結(jié)構(gòu)的變形或位移監(jiān)測，比如全站儀、水準(zhǔn)儀等人工測量設(shè)備。然而人工監(jiān)測存在監(jiān)測周期長、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)，尤其在營業(yè)線鐵路站場內(nèi)，鐵路股道和運(yùn)營車輛多，監(jiān)測干擾大，在施工安全連續(xù)監(jiān)測方面存在較大的安全隱患。一些自動(dòng)化的變形監(jiān)測設(shè)備，如測量機(jī)器人雖然可以實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測，但這些設(shè)備性價(jià)比較差，儀器設(shè)備成本高、維護(hù)困難，應(yīng)用推廣較難。本文介紹一種新型智能位移監(jiān)測設(shè)備，如圖1所示，它采用多傳感器融合技術(shù)，利用基準(zhǔn)信號發(fā)射器和觀測靶標(biāo)之間的無線信號、基準(zhǔn)姿態(tài)角度等建立測量關(guān)系矩陣解算獲得目標(biāo)靶點(diǎn)的實(shí)際位移變動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)在100m測量范圍內(nèi)0.3~1mm的位移變動(dòng)測量精度。該儀器包括多個(gè)信號發(fā)生器，可以同時(shí)監(jiān)測多個(gè)測量目標(biāo)的位移變化數(shù)據(jù)，無需旋轉(zhuǎn)掃描，完成一次測量僅需10s左右，具有測量速度快、效率高的優(yōu)勢。同時(shí)該儀器還可以通過建立高程基準(zhǔn)網(wǎng)和全測邊的平面控制網(wǎng)來建設(shè)測量基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)大區(qū)域范圍的多臺(tái)儀器聯(lián)測和數(shù)據(jù)平差，并能通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)將檢測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)，是一種高效可靠的新型施工安全監(jiān)測手段，特別適用于鐵路、地鐵施工安全領(lǐng)域監(jiān)測應(yīng)用。在合肥市軌道交通3號線天水路站—岱河路站區(qū)間隧道施工過程中，利用該智能位移監(jiān)測儀，對受施工影響的合肥東站鐵路股道群進(jìn)行了安全監(jiān)測，取得了良好的效果。

1工程概況

合肥地鐵3號線天水路站與岱河路站區(qū)間，在文忠路大橋東側(cè)附近需要下穿合肥東站貨運(yùn)股道群（8股道），該股道群位于合肥東站蕪湖端咽喉區(qū)，合肥東站—三十里鋪站區(qū)間［1］。穿越處地鐵區(qū)間隧道里程為右DK31+360至右DK31+435，股道群由南到北依次為：L3線、淮南上行線、聯(lián)4線、牽2線、牽1線、聯(lián)3線、聯(lián)5線、淮南下行線。區(qū)間隧道與鐵路線交角約為67~71°，穿越處線路縱坡為7.10‰，隧頂覆土厚度約13.8~14.3m。左右線隧道穿越淮南上行線處的運(yùn)營里程約為K96+153.333、K96+167.641，左右線隧道穿越淮南下行線處的運(yùn)營里程約為K96+90.930、K96+113.333。天水路站合肥東站現(xiàn)有規(guī)模為二級四場，并預(yù)留了三級四場的發(fā)展條件。主要辦理各方向的直通、區(qū)段、摘掛及小運(yùn)轉(zhuǎn)列車的到發(fā)、解編及市郊列車的到發(fā)作業(yè)，據(jù)統(tǒng)計(jì)日均辦理作業(yè)車在9000輛以上［1］。區(qū)間隧道施工會(huì)引起鐵路基床的變形，進(jìn)而影響軌道的平順性，對鐵路的運(yùn)營安全直接造成影響，施工過程對附近建筑物、構(gòu)筑物也會(huì)帶來一定影響［2］。為確保隧道下穿施工時(shí)鐵路的安全，需要針對隧道下穿推進(jìn)的各工況進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控測量，把施工引起的一系列動(dòng)態(tài)變化信息及時(shí)反饋到施工單位，使之能及時(shí)調(diào)整優(yōu)化施工參數(shù)，以避免危及鐵路安全運(yùn)營的事故發(fā)生。

2現(xiàn)場安全監(jiān)測實(shí)施方案

根據(jù)相關(guān)工程規(guī)范和國家標(biāo)準(zhǔn)［3-9］，經(jīng)工程設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工單位和上海鐵路局合肥段各方協(xié)商，確認(rèn)的施工現(xiàn)場監(jiān)測項(xiàng)目主要包括：地表沉降、鐵路路基沉降、鐵路軌道變形和接觸網(wǎng)立柱傾斜與沉降［3-5，8］。圖3是受地鐵施工影響的鐵路區(qū)域監(jiān)測點(diǎn)布置圖，在現(xiàn)場共布置包括地表沉降監(jiān)測點(diǎn)240個(gè)，鐵路股道監(jiān)測點(diǎn)149個(gè)和接觸網(wǎng)立柱監(jiān)測點(diǎn)15個(gè)在內(nèi)的共404個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。其中地表沉降監(jiān)測測點(diǎn)的埋設(shè)采用人工挖掘地表，然后埋入直徑20～30mm的圓頭鋼筋，四周用水泥砂漿填實(shí)，鋼筋需插入地下深約30~50cm，測點(diǎn)標(biāo)靶（直徑50mm）采用強(qiáng)力膠粘結(jié)固定在鋼筋連接板上［3-5，8］。對地鐵隧道掘進(jìn)影響范圍內(nèi)5對接觸網(wǎng)立柱進(jìn)行沉降及傾斜監(jiān)測，每根立柱布設(shè)3個(gè)測點(diǎn)，現(xiàn)場共布設(shè)15個(gè)測點(diǎn)。施工方法為：在立柱基部距地面高出10cm處設(shè)置一個(gè)沉降測點(diǎn)；另在立柱1.8m高度位置，立柱相鄰兩面各布設(shè)一個(gè)水平面內(nèi)位移測點(diǎn)測量傾斜。監(jiān)測點(diǎn)必須保證在與接觸網(wǎng)安全距離以內(nèi)，如果侵限可以向下移動(dòng)。立柱監(jiān)測點(diǎn)同樣采用特定強(qiáng)力膠水涂抹粘貼立柱表面，安裝時(shí)無需停電。鐵路股道監(jiān)測點(diǎn)采用鎖軌器與鐵路股道連接，標(biāo)靶也用強(qiáng)力膠水固定在鎖軌器上［3，4］。在地鐵隧道盾構(gòu)施工期間（約1個(gè)月）和施工后的地質(zhì)穩(wěn)定階段（3個(gè)月）［4，5，8］，設(shè)定的檢測頻率如表1所示?，F(xiàn)場安裝的該監(jiān)測設(shè)備獲取的實(shí)時(shí)變形數(shù)據(jù)通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)直接上報(bào)到云端數(shù)據(jù)中心，通過處理后形成監(jiān)測數(shù)據(jù)報(bào)表和報(bào)告反饋給相關(guān)部門。

3監(jiān)測結(jié)果

在線位移監(jiān)測儀現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集從2018-08-15軌道3號線左線隧道盾構(gòu)施工進(jìn)入鐵路保護(hù)區(qū)開始，隧道盾構(gòu)施工周期為8月15日至9月10日，土體二次注漿固化截止時(shí)間為2018-10-10。智能在線位移監(jiān)測儀每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置檢測頻率為1次/20min，每次檢測值為10次連續(xù)測量的統(tǒng)計(jì)均值，全天每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)測試數(shù)據(jù)為72個(gè)，通過統(tǒng)計(jì)方法得出當(dāng)天每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的代表位移變化量。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和施工實(shí)際進(jìn)度，分析盾構(gòu)施工對地面沉降變化影響值。①當(dāng)隧道盾構(gòu)機(jī)環(huán)刀進(jìn)入影響區(qū)域工作時(shí)，地面沉降變化量在1.6~2.8mm之間；②在盾構(gòu)機(jī)身進(jìn)入影響區(qū)域時(shí)，地面沉降變化量在2.5~4.8mm之間；③在盾構(gòu)機(jī)尾進(jìn)入影響區(qū)域時(shí)，地面沉降變化量在4.5~7.6mm之間；④一次注漿，地面隆起變化量在1.5~2.3mm之間；二次注漿，地面隆起變化量在1.0~1.6mm之間。表2和圖4是部分代表性測點(diǎn)2018年每周沉降變化數(shù)據(jù)和曲線圖。通過對在線位移監(jiān)測儀2018-08-15—2018-10-10監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，合肥軌道3#線隧道盾構(gòu)施工在穿越合肥東站股道群期間，地表、路基及軌道垂直位移最大變化量為7.6mm，觸網(wǎng)立柱垂直位移最大變化量為2.5mm，觸網(wǎng)立柱最大傾斜角為1.3°，隧道盾構(gòu)施工過程中沉降變形量未達(dá)到預(yù)警值，沉降值控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)［3-5，8］。10月10日隧道二次注漿達(dá)到土體固化終凝期，地表、路基及軌道垂直位移最大變化量為5.6mm，觸網(wǎng)立柱垂直位移最大變化量為2.3mm，觸網(wǎng)立柱最大傾斜角為1.3°；自10月2日起，當(dāng)日監(jiān)測點(diǎn)最大變化量在-0.2~0.2mm之間，且監(jiān)測點(diǎn)沉降值出現(xiàn)隔日重復(fù)變化現(xiàn)象明顯。根據(jù)監(jiān)測數(shù)值及相關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)定［3-5，8］，可以認(rèn)為目前合肥軌道3#線隧道盾構(gòu)施工穿越合肥東站股道群影響范圍內(nèi)土體固化已終凝，地表、路基、軌道及觸網(wǎng)立柱位移趨于穩(wěn)定。在整個(gè)監(jiān)測期間，除自動(dòng)化監(jiān)測手段外，還定期采取人工復(fù)測方式對自動(dòng)化檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行校核。人工校核主要采用電子水準(zhǔn)儀（天寶DINI03）和全站儀（徠卡TM30）等儀器，對自動(dòng)化測點(diǎn)的沉降和水平位移數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)測，通過對人工復(fù)測數(shù)據(jù)和自動(dòng)化數(shù)據(jù)的對比，發(fā)現(xiàn)雙方測值的差距都在0.5mm以內(nèi)，優(yōu)于使用的人工復(fù)測儀器的自身精度，充分說明了自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

4結(jié)束語

本文介紹的智能位移檢測設(shè)備在施工安全檢測中的成功應(yīng)用，說明了該儀器具有高效、可靠、精確的特點(diǎn)，是一種滿足現(xiàn)代化施工安全檢測領(lǐng)域要求的新型儀器，在復(fù)雜場地環(huán)境下有很好的適用性，未來可進(jìn)一步推廣到地鐵隧道施工、地鐵運(yùn)行安全監(jiān)測等相關(guān)應(yīng)用中。

作者:李永楊 劉飛 單位:安徽建筑大學(xué)勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司