胡自全， 胡銀林， 姜雁飛， 裴洪濤

(1. 西安市地下鐵道有限責(zé)任公司， 西安 710018; 2. 遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 遼寧鞍山 114051)

測量機(jī)器人在黃土地區(qū)地鐵結(jié)構(gòu)安全保護(hù)中的應(yīng)用

胡自全1， 胡銀林2， 姜雁飛1， 裴洪濤1

(1. 西安市地下鐵道有限責(zé)任公司， 西安 710018; 2. 遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 遼寧鞍山 114051)

以西安地鐵2號線安全保護(hù)區(qū)內(nèi)施工的南門廣場改造提升項(xiàng)目及南門隧道工程為依托，對永寧門車站及鐘樓站—永寧門區(qū)間隧道進(jìn)行測量機(jī)器人自動化監(jiān)測。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，證明自動化監(jiān)測具有較高的可靠性，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)測量手段應(yīng)用于地鐵結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測。研究顯示，受上覆土體開挖的影響，盾構(gòu)隧道會出現(xiàn)隆起及豎橢圓受力變形。

城市軌道交通； 測量機(jī)器人； 監(jiān)測； 地鐵結(jié)構(gòu)安全； 隧道； 黃土

西安是世界上第一個在黃土地區(qū)大規(guī)模建設(shè)地鐵工程的城市。西安市區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造為沉降凹陷區(qū)，底部片巖及花崗巖上覆5 500～6 000 m厚度的新生界沉積，第四系沉積厚914～1 095 m，距地表15 m以內(nèi)的黃土大部分有較強(qiáng)濕陷性。這些黃土具有高壓縮性、濕陷性、隨含水量的增高抗剪強(qiáng)度急劇減小的特點(diǎn)，當(dāng)?shù)叵滤裆钶^淺時，濕陷性黃土在地下水的作用下，呈飽和狀態(tài)，簡稱飽和軟黃土，其具有軟、流塑性、易變形、自穩(wěn)性較差、承載力低的特點(diǎn)[1]。西安地鐵線網(wǎng)規(guī)劃范圍內(nèi)有較大厚度的第四紀(jì)堆積層，上部以黃土、古土壤為主，下部以粉質(zhì)黏土夾砂層為主。地下車站和區(qū)間的埋深在地面以下39 m以內(nèi)，主要處于黃土地層，局部地區(qū)在全斷面砂層、富水河卵石地層等[2]。

西安南門廣場改造提升項(xiàng)目一期工程和南門隧道工程，其基坑侵入地鐵2號線永寧門站和永寧門站—鐘樓站區(qū)間的控制保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，安全控制等級為特級[3]。為保護(hù)地鐵2號線的結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營安全，承包商對工程影響范圍內(nèi)的地鐵隧道實(shí)施測量機(jī)器人自動化監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)信息化施工；同時積累研究資料，為本地區(qū)類似工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)[4]。

1 工程概述

西安市南門廣場改造提升項(xiàng)目一期工程和南門隧道工程分為3個部分：南區(qū)擬建為地下2層停車庫，北區(qū)擬建為地下1層演職人員用房，南、北區(qū)之間為南門隧道工程，見圖1。南區(qū)基坑開挖面積約14 850 m2，深度為11.5 m，基坑緊臨永寧門站；北區(qū)基坑開挖面積約4 200 m2，深度約6.5 m，北鄰護(hù)城河及西安古城墻，下部為永寧門站—鐘樓站區(qū)間盾構(gòu)隧道；南門隧道開挖深度約9 m，基坑底部至區(qū)間盾構(gòu)隧道最小凈距為1.97 m。

南門廣場改造提升項(xiàng)目南區(qū)基坑單層部分面積約為500 m2，最大開挖深度約6.7 m，基坑底距區(qū)間頂約4.2 m，卸荷比例為62%，卸載后土體符合工程抗浮設(shè)計(jì)要求。北基坑開挖深度6.8 m，距離區(qū)間頂約 5.6 m，區(qū)間上部卸荷面積約1 600 m2，卸荷比為56%，卸載后剩余土體滿足盾構(gòu)區(qū)間抗浮要求。市政下穿隧道工程開挖最大深度約為9 m，距離區(qū)間頂約2.1 m，區(qū)間上部卸荷面積約2 600 m2，卸荷比為81%。

圖1 工程平面示意Fig.1 Schematic diagram of engineering

地表為全新統(tǒng)人工填土，土質(zhì)布局疏密不均，在地下排污管道滲漏處和地下水位線變化處含水量較高；其下為上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土(局部為飽和軟黃土)及殘積古土壤，再下為粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂、中砂及粗砂等[5]，濕陷等級為Ⅰ級(輕微)～Ⅱ級(中等)，有部分飽和軟黃土分布，埋深在水位附近，屬非自重濕陷性黃土場地，地下水位深度為6.10～11.50 m，相應(yīng)高程395.22～404.21 m，地下水位年變幅為2.0 m左右，工程地質(zhì)如圖2所示。

圖2 工程地質(zhì)剖面Fig.2 The profile of engineering geology

本工程上跨已經(jīng)運(yùn)營的地鐵盾構(gòu)隧道，施工過程中可能存在以下風(fēng)險：

1) 基坑正常開挖卸載引發(fā)基底隆起或側(cè)向變形，從而導(dǎo)致正在運(yùn)營的盾構(gòu)隧道發(fā)生變形,結(jié)構(gòu)變形會導(dǎo)致軌道變形，若超過限值將影響地鐵的運(yùn)營安全；

2) 隧道的變形及上部卸載產(chǎn)生偏壓作用，導(dǎo)致內(nèi)力重新分布，從而可能引起管片開裂或螺栓被拉壞，或盾構(gòu)隧道與車站接口處發(fā)生破壞；

3) 永久結(jié)構(gòu)施工完成后，建筑物對地基的壓力可能對隧道產(chǎn)生附加壓力作用，在此荷載作用下，隧道內(nèi)力及變形可能超限；

4) 在基坑傾覆或地層大幅失水的情況下，隧道的內(nèi)力及變形可能超限。

為研究工程施工對已建成地鐵工程的影響，筆者根據(jù)地質(zhì)勘察及設(shè)計(jì)文件對基坑開挖過程進(jìn)行仿真研究，如圖3所示。市政隧道開挖后的區(qū)間豎向位移，最大值增加至9 mm，所有結(jié)構(gòu)施作完成后區(qū)間的最大隆起量回落至4 mm，基坑開挖完成后盾構(gòu)隧道的總位移基本以豎向隆起為主，拱頂處隆起量最大，拱底處最小，區(qū)間隧道有被拉為橢圓的趨勢。

圖3 隧道隆沉Fig.3 Tunnel subsidence

2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)研究及工程監(jiān)測實(shí)施

2.1自動化監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)建立的測量機(jī)器人自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)，支持DNS、HTTP和FTP協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測的自動化、可視化和遠(yuǎn)程控制，具有高精度測量、穩(wěn)定可靠的測量數(shù)據(jù)、本地化的解決方案、節(jié)省時間費(fèi)用成本等特點(diǎn)。

測量機(jī)器人自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)(見圖4)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，其系統(tǒng)構(gòu)成簡述如下：

1) 感知層由測量機(jī)器人、基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測點(diǎn)、無線控制器、電源及溫度、氣壓等傳感器等構(gòu)成。電源為測量儀器設(shè)備、無線控制器、傳感器及其他裝備供給電力?；鶞?zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)在不受工程影響的穩(wěn)定區(qū)域，各監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行測量時采用相同的儀器設(shè)備及作業(yè)流程。測量機(jī)器人通過后方交會基準(zhǔn)點(diǎn)定向后，不進(jìn)行溫度和氣壓的測定，直接測量監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)，然后對施測結(jié)果進(jìn)行差分處理，即按極坐標(biāo)的方法測量測站點(diǎn)至基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)的斜距、水平角和垂直角，將測站點(diǎn)至具有代表性氣象條件的基準(zhǔn)點(diǎn)測量值與其基準(zhǔn)值相比，求得差值[6-7]。監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份及同步。

圖4 變形監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成Fig.4 The Components of deformation monitoring system

2) 網(wǎng)絡(luò)層包含移動網(wǎng)絡(luò)、防火墻和服務(wù)器，移動網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，防火墻確保系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全[8]。服務(wù)器通過系統(tǒng)控制軟件，即測量機(jī)器人變形監(jiān)測系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)測量模塊、數(shù)據(jù)管理分析及三維顯示處理模塊，進(jìn)行系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控、數(shù)據(jù)采集、存儲、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)分發(fā)及警報發(fā)送。

3) 應(yīng)用層包括手機(jī)終端、辦公電腦終端及其他手持電腦終端，它通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議提供訪問、管理、電子郵件、短信息及虛擬終端服務(wù)。

2.2測量精度分析

測量機(jī)器人自動化監(jiān)測采用極坐標(biāo)法進(jìn)行測量，為便于監(jiān)測工作的開展，以隧道縱向?yàn)閄軸，以水平垂直于隧道方向?yàn)閅軸，垂直于隧道方向?yàn)閆軸建立監(jiān)測獨(dú)立坐標(biāo)系。設(shè)(Xc,Yc,Zc)為測站坐標(biāo)，(XJ,YJ,ZJ)為監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)，L為測距，α為平面角度測量值，β為豎直角度測量值，可得

(1)

方差式為

(2)

坐標(biāo)測量精度

(3)

平面測量精度

(4)

高程測量精度

(5)

收斂線的測量精度

(6)

本項(xiàng)目監(jiān)測采用徠卡TM30全站儀，測角精度為0.5″，精密棱鏡測距精度為0.6mm+1ppm，取mα=±0.5″，mβ=±0.5″，L=200m，計(jì)算得mL=±0.8mm，mP≤±1.0mm，mh≤±0.9mm，mPm≤±0.9mm，mSL≤±1.44mm，即在200m測距范圍內(nèi)，極坐標(biāo)測量精度完全滿足規(guī)范要求的測量精度[9-10]，測量機(jī)器人完全滿足地鐵結(jié)構(gòu)安全保護(hù)變形監(jiān)測的需求。

2.3監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

監(jiān)測范圍位于永寧門地鐵站上、下行線隧道及永寧門站以北100m的雙線區(qū)間隧道。結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測項(xiàng)目為拱頂沉降、隧道沉降、凈空收斂等，每5m設(shè)一個監(jiān)測斷面[11]，監(jiān)測斷面的布置間距根據(jù)現(xiàn)場具體情況進(jìn)行調(diào)整，如圖5所示。

圖5 測點(diǎn)布置示意Fig.5 Schematic diagram of monitoring points′ arrangement

測量機(jī)器人安裝在監(jiān)測工作區(qū)中部或兩端道床上方1.2m左右的位置，基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在工程影響范圍以外的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定區(qū)域。每一個監(jiān)測斷面布設(shè)6個監(jiān)測棱鏡，道床上布設(shè)1個沉降監(jiān)測點(diǎn)，拱頂布設(shè)1個沉降監(jiān)測點(diǎn)，中腰位置兩側(cè)各布設(shè)4個位移監(jiān)測點(diǎn)，用于計(jì)算上下兩條收斂線的收斂值。

為了驗(yàn)證機(jī)器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，在永寧門車站北端右線車站內(nèi)選擇50m范圍進(jìn)行人工監(jiān)測，從進(jìn)場施工到主體結(jié)構(gòu)封頂期間每3周測量1次，隧道沉降和拱頂沉降采用水準(zhǔn)儀測量，凈空收斂采用全站儀前方交會法測量棱鏡坐標(biāo)，通過坐標(biāo)反算棱鏡中心距離，測量結(jié)果與自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析[12-14]。

2.4控制值及監(jiān)測頻率

本工程參考舊金山、倫敦、北京、廣州、深圳等地的類似工程經(jīng)驗(yàn)和深圳、上海地區(qū)的控制標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮各種因素，確定隧道結(jié)構(gòu)變形安全保護(hù)監(jiān)測控制指標(biāo)：地鐵隧道、車站絕對沉降量及水平位移不大于20mm，凈空收斂不大于20mm[15]。當(dāng)監(jiān)測的變形值達(dá)到控制值的70%時發(fā)出預(yù)警，達(dá)到控制值的80%時發(fā)出報警。自工程降水實(shí)施開始監(jiān)測工作，至本工程全部完成且車站和隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后結(jié)束監(jiān)測。確定監(jiān)測頻率為6h/次，在施工過程中根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整頻率。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1自動化測量數(shù)據(jù)的可靠性分析

測量機(jī)器人的測量精度和可靠性受監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計(jì)、測量儀器設(shè)備本身的精度和測量外部環(huán)境的影響?？梢酝ㄟ^對監(jiān)測網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和采用高精度的測量機(jī)器人除去前兩種因素帶來的影響。研究發(fā)現(xiàn)，列車的振動和氣流對監(jiān)測精度影響不大。

基于對永寧門車站北端下行線試驗(yàn)段人工監(jiān)測數(shù)據(jù)和自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)研究，得出兩種監(jiān)測技術(shù)在拱頂隆沉、周邊收斂、隧道隆沉的數(shù)據(jù)對比圖，如圖6所示，圖中正值為隆起，負(fù)值為沉降。機(jī)器人自動化監(jiān)測車站軌行區(qū)底部隆起、拱頂隆起和凈空收斂的數(shù)據(jù)與人工測量數(shù)據(jù)之差在[-1，+1]之間，證明自動化監(jiān)測能較好地監(jiān)測地鐵結(jié)構(gòu)的變化值。

圖6 監(jiān)測數(shù)據(jù)比較Fig.6 Contrast diagram of monitoring data

2013年6月中下旬的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，隧道結(jié)構(gòu)滲水對隧道內(nèi)部測量環(huán)境的改變會導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)粗差。如圖7所示，在車站右線軌行區(qū)的1個監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的突變，經(jīng)現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)是施工縫滲水導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)粗差。

3.2上腹土體開挖對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的影響

圖7 Y14+620車站軌行區(qū)底部沉降Fig.7 Track area subsidence in Y14+620

為研究在濕陷性黃土及飽和軟黃土條件下，鄰近地鐵的基坑施工及上腹土體開挖對地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，選取上腹土體卸荷比最大的市政下穿隧道段區(qū)間盾構(gòu)隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。分別選取基坑開挖前、隧道基坑見底、隧道主體結(jié)構(gòu)封頂、通車、隧道通車5個月后盾構(gòu)隧道左線監(jiān)測 數(shù)據(jù)，分 析 隧 道 底 部 沉 降、拱頂沉降、凈空收斂(上、下收斂線)，見圖8，圖中正值表示隆起，負(fù)值表示沉降。

圖8 隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)分析圖Fig.8 Data analysis chart of tunnel monitoring

開挖前，受工程降水的影響，鐘樓—永寧門區(qū)間盾構(gòu)隧道底部和拱頂均出現(xiàn)沉降，沉降量小于3mm?；油练介_挖卸載后隧道底部和拱頂均開始隆起，至2014年4月底南門隧道通車后隆起達(dá)到最大值，隧道底部最大隆起14.7mm，拱頂上浮13.2mm。這一階段拱頂上浮量小于隧道底部隆起量，隧道凈空收斂值在[-2，+2]之間，上下收斂線之差在[-1，+1]之間。

南門隧道通車后隧道呈下沉趨勢，其中隧道底部沉降速率大于拱頂沉降，隧道通車5個月后拱頂沉降與隧道底部沉降差均為正值，即隧道拱頂?shù)降来驳膬艨兆兇?。在隧道橫斷面布設(shè)的上、下收斂線的值均為負(fù)值，即隧道左右側(cè)壁凈空變小。拱頂沉降與隧道沉降之差得出的結(jié)論和隧道凈空收斂監(jiān)測的數(shù)據(jù)相吻合。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在工程開挖前受工程降水影響，盾構(gòu)隧道周邊發(fā)生土體固結(jié)沉降及地下水水位降低，導(dǎo)致隧道產(chǎn)生的浮力降低，使隧道產(chǎn)生不大于4mm的沉降，且拱頂沉降略大于隧道底部沉降，收斂監(jiān)測值變化為正值，使得隧道橫向中心線管片受到擠壓，如圖9(a)所示，在這個階段盾構(gòu)隧道呈整體沉降，并有向橫橢圓變化的趨勢。

隨著盾構(gòu)隧道上腹土體的開挖，盾構(gòu)管片上方的土體壓力逐漸減小，盾構(gòu)隧道整體上浮，且拱頂上浮量大于隧道底部，收斂變化為負(fù)值，在這個階段盾構(gòu)隧道呈整體上浮，并有向豎橢圓變化的趨勢，如圖9(b)所示。

南門下穿隧道封頂后，受上方構(gòu)筑物自重壓力的影響，盾構(gòu)隧道有出現(xiàn)沉降的趨勢，但由于構(gòu)筑物的自重小于原隧道上方土體的質(zhì)量，盾構(gòu)隧道相比于開挖前的隧道仍有上浮。這和工程研究階段數(shù)值模擬的開挖過程,即隧道變化以豎向隆起為主，拱頂處最大，隧道底部處最小，隧道有被拉為橢圓的趨勢相一致?；娱_挖見底后，盾構(gòu)隧道持續(xù)隆起，至主體結(jié)構(gòu)封頂后達(dá)到穩(wěn)定值，是數(shù)值模擬時所沒有預(yù)見到的。

圖9 管片變化趨勢Fig.9 Change tendency of tunnel structure

4 結(jié)論

本文以西安市南門廣場改造提升項(xiàng)目一期工程為依托，對處于黃土地區(qū)地鐵車站及區(qū)間盾構(gòu)隧道實(shí)施測量機(jī)器人自動化監(jiān)測，對比分析研究各施工階段采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)論如下：

1) 通過對測量機(jī)器人自動化測量數(shù)據(jù)與人工測量數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，測量機(jī)器人自動監(jiān)測系統(tǒng)完全能夠代替人工測量應(yīng)用在地鐵工程結(jié)構(gòu)安全保護(hù)工作中，監(jiān)測區(qū)域結(jié)構(gòu)滲漏水，可能會引起自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)粗差。

2) 在基坑開挖前降水階段，盾構(gòu)隧道整體沉降，并呈橫橢圓受力變形狀態(tài)；黃土地區(qū)上腹開挖的盾構(gòu)隧道，受土體卸荷的影響，盾構(gòu)隧道呈整體上浮的趨勢變化，襯砌環(huán)呈豎橢圓受力變形狀態(tài)；主體結(jié)構(gòu)封頂后隧道出現(xiàn)沉降，并逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

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Application of Measuring Robot in Safety Protection of Subway Structure in Loess Area

HU Ziquan1, HU Yinlin2, JIANG Yanfei1, PEI Hongtao1

The upgrading project in the South Gate Plaza and the project of South Gate tunnel located in the safety protection area of Xi'an Subway Line 2 are studied. The automatic monitoring by the measuring robot is adopted for Yongningmen station and the sectional tunnel between the Zhonglou station and Yongningmen station. The analysis of the monitoring data proved that the automatic monitoring system with high reliability could replace the traditional means of measurement used for safety monitoring for subway structures. Research shows that the shield tunnel will uplift and has vertical elliptical deformation influenced by upper soil excavation.

urban rail transit; measuring robot; monitoring; protection structures of subway; tunnel; loess

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.016

2016-10-31

2016-11-30

胡自全，男，碩士，工程師，從事城市軌道交通工程建設(shè)技術(shù)管理工作,287113131@qq.com

U231

A

1672-6073(2017)05-0087-06

(編輯：郝京紅)