鄭 艷，金 鑫，侯林鋒，余小柳

(1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術學院 測繪遙感信息學院，廣東 廣州 510510；2.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101)

0 引言

為確保佛山市軌道交通三號線換乘車站桂城站施工期間其上方的廣佛線的運營安全，采用自動化監(jiān)測系統(tǒng)對既有地鐵結構的變形進行了動態(tài)實時監(jiān)控。考慮到佛山市地鐵三號線桂城站地質(zhì)條件差、周圍環(huán)境復雜的項目特點，施工監(jiān)測采用測量機器人自動化監(jiān)測、第三方監(jiān)測采用靜力水準自動化監(jiān)測兩種不同方法對換乘車站進行監(jiān)。

1 工程概況

桂城站為佛山三號線的第二十五座車站，是三號線與已運營廣佛線的換乘站。車站有效站臺中心里程為BK53+018.727，設計起終點里程為BK52+879.427～BK53+090.827。車站為地下三層12 m島式車站，全長211.4 m，標準段寬為20.9 m，車站基坑開挖深度為24.22～26.27 m。

本車站基坑開挖深度范圍內(nèi)的巖土層劃分為8大層(各層內(nèi)可再細分亞層)，巖土分層自上至下分別為：(1)素填土、(2-1B)淤泥質(zhì)土、(2-2-1)粉細砂、(2-1A)淤泥、(2-4)粉質(zhì)粘土、(3-1)粉細砂、(3-2)中砂、(3-3)礫砂、(5N-1)粉質(zhì)粘土、(6)全風化碎屑巖、(7)強風化泥質(zhì)粉砂巖、(8)中等風化泥質(zhì)粉砂巖。

車站揭露的軟土層具有高含水量，透水性差，低強度，高壓縮性、靈敏度高的，容易引起壓縮沉降，松散狀砂土中等液化，壓縮性大，導水作用強，結構強度差，容易引發(fā)基坑失穩(wěn)。

車站附近無地表水分布，地表水文地質(zhì)條件簡單。由于本車站砂層普遍分布，地下水豐富，地層滲透性好，所以主要影響為地下水。地下水位的變化受地形地貌和地下水補給來源等因素控制，地下水位埋深較淺。每年4～10月為雨季，大氣降雨充沛，水位會明顯上升，而在冬季因降水減少，地下水位隨之下降，水位年變化幅度為2.5～3.0 m。地下水類型按賦存方式主要為砂層孔隙承壓水和基巖裂隙水。砂層孔隙承壓水賦存于砂層之中，水量豐富，滲透性中等～強；基巖裂隙水，賦存于強～中等風化基巖中，水量較少，滲透性弱～微透水。綜合所述，本車站場地水文地質(zhì)條件復雜程度中等。

2 風險源識別

2.1 換乘節(jié)點與既有線距離太近，且因歷史原因未完成施工

佛山軌道交通3號線與既有廣佛線桂城站為十字交叉換乘，在車站負三層進行節(jié)點換乘；按照廣佛線桂城站的原設計方案，該換乘節(jié)點為廣佛線完成施工并預留。但在廣佛線桂城站負三層結構施工時，發(fā)生漏水漏砂；在結構僅完成一半情況下，施工方將換乘節(jié)點臨時回填。因此，三號線桂城站二次開挖換乘節(jié)點風險高，施工難度大。

2.2 換乘節(jié)點埋深周邊的地層圍巖等級差

換乘節(jié)點為地下負三層結構，埋深約17～22 m，周邊的地層為(3-1)粉細砂、(3-2)中砂、(3-3)礫砂、(5N-1)粉質(zhì)粘土、(6)全風化碎屑巖、(7)強風化泥質(zhì)粉砂巖等；一方面工程性質(zhì)差，另一方面既有廣佛線桂城站施工時土方開挖、漏水漏砂時注漿搶險等對周邊地層擾動較大，導致該部位工程地質(zhì)風險較高。

2.3 既有廣佛線的桂城站正常運營，對換乘節(jié)點施工前的注漿及后續(xù)的開挖施工要求更高

為保證既有廣佛線的正常運營，要求換乘節(jié)點的施工安排在運營結束后的夜間，一方面安排相關人員進入廣佛線桂城站的軌行區(qū)進行人工巡視，另一方面采用全自動機器人和靜力水準進行自動化實時監(jiān)測。但技術手段都有一定的局限性和滯后性，故對施工前的注漿施工及后續(xù)開挖施工在工藝方法和施工參數(shù)選擇上都具有超前性，避免出現(xiàn)較大偏差影響既有廣佛線桂城站的正常運營。

3 自動化監(jiān)測方案及實施

根據(jù)要求，本項目采用徠卡TS30測量機器人和HD-2NJ103靜力水準儀兩種不同儀器對換乘車站進行監(jiān)測，將兩者的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，現(xiàn)簡要介紹一下這兩種自動化監(jiān)測手段的原理及實施[1-4]。

3.1 基準點布置

在地鐵桂城站受施工影響區(qū)域外的地鐵隧道左右線兩端分別布設4個基準點，共8個基準點，它們分布在離施工段較遠，受基坑施工影響較小的穩(wěn)定區(qū)域。監(jiān)測點在整個監(jiān)測過程中都必須保持良好的穩(wěn)定性且不易被破壞。

3.2 監(jiān)測點布置

監(jiān)測斷面的設計為：既有地鐵廣佛線桂城站換乘節(jié)點及兩側50 m范圍的既有線結構。

本項目擬于換乘節(jié)點地鐵一號線左右線隧道各布設17個監(jiān)測斷面，施工影響區(qū)域每個斷面間隔約5～10 m，共34個斷面，每個監(jiān)測斷面分別布設4個監(jiān)測點。

監(jiān)測點的布設情況見圖1。

圖1 監(jiān)測點布設現(xiàn)場照片

3.3 靜力水準自動化監(jiān)測

本項目采用晶硅式靜力水準儀自動化監(jiān)測，晶硅式靜力水準儀是一種差壓式的傳感器，利用各個監(jiān)測點之間的壓力值的變化計算出沉降量，傳感器精度高，體積小、量程大，在其量程之內(nèi)，靜力水準儀可以隨著地面走勢安裝而不需要調(diào)平，全密封結構可以埋設于地下方便道路交通。靜力水準傳感器如圖2所示。

圖2 靜力水準傳感器

3.4 監(jiān)測項目及監(jiān)測點數(shù)量統(tǒng)計表

本工程的監(jiān)測范圍上下行線隧道區(qū)間監(jiān)測總長度110 m，根據(jù)設計要求和規(guī)范，確定本項目監(jiān)測項目、測點布置和精度要求，如表1所示。

表1 監(jiān)測項目、測點布置及精度要求

4 監(jiān)測結果分析

4.1 監(jiān)測概況

桂城站地下連續(xù)墻動工日期為2017年8月11日，2018年7月基坑開挖，至2019年5月底板全部澆筑完成。為了解地下連續(xù)墻施工及基坑開挖期間對廣佛線桂城站的影響，需對桂城站進行監(jiān)測，達到信息化施工，為地鐵運營安全保護措施提供依據(jù)。

4.2 監(jiān)測項目報警值、控制值及監(jiān)測預警分類

根據(jù)設計要求、相關規(guī)范，確定各監(jiān)測項目報警值及控制值，如表2所示。

表2 隧道結構安全控制指標

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.3.1 隧道結構水平位移監(jiān)測

根據(jù)施工進度于2017年7月23日進行首次觀測，至2019年6月10日，所有測點累計位移最大監(jiān)測點是S17-1，累計位移值為1.76 mm，最后一個月的平均變形速率為0.009 mm/d；累計位移最小監(jiān)測點是S12-3，累計位移值為0.01 mm。各觀測點沒有發(fā)現(xiàn)異常變形，累計位移量未超過設計報警值(4.25 mm)和控制值(5 mm)。

4.3.2 下行線水平位移監(jiān)測

根據(jù)施工進度于2017年7月23日進行首次觀測，至2019年6月10日，所有測點累計位移最大監(jiān)測點是X5-2，累計位移值為1.79 mm，最后一個月的平均變形速率為0.006 mm/d；累計位移最小監(jiān)測點是X4-3，累計位移值為0.04 mm。各觀測點沒有發(fā)現(xiàn)異常變形，累計位移量未超過設計報警值(4.25 mm)和控制值(5 mm)。

4.3.3 隧道結構豎向位移監(jiān)測

1)上行線豎向位移監(jiān)測。根據(jù)施工進度于2017年7月23日進行首次觀測，至2019年6月10日，所有測點累計沉降最大監(jiān)測點是S8-1，累計沉降值為-1.96 mm，最后一個月的平均變形速率為-0.001 mm/d；累計沉降最小監(jiān)測點是S10-2，累計沉降值為0.04 mm。各觀測點沒有發(fā)現(xiàn)異常變形，累計沉降量未超過設計報警值(8.5 mm)和控制值(10 mm)。

2)下行線豎向位移監(jiān)測。根據(jù)施工進度于2017年7月23日進行首次觀測，至2019年6月10日，所有測點累計沉降最大監(jiān)測點是X8-4，累計沉降值為-1.94 mm，最后一個月的平均變形速率為-0.013 mm/d；累計沉降最小監(jiān)測點是X1-2，累計沉降值為-0.07 mm。各觀測點沒有發(fā)現(xiàn)異常變形，累計沉降量未超過設計報警值(8.5 mm)和控制值(10 mm)。

4.3.4 隧道結構收斂監(jiān)測

1)上行線隧道結構收斂監(jiān)測。根據(jù)施工進度于2017年7月23日進行首次觀測，至2019年6月10日，所有測點累計收斂最大監(jiān)測點是JGC-02-26，累計收斂值為2.50 mm，最后一個月的平均變形速率為-0.013 mm/d；累計收斂最小監(jiān)測點是JGC-02-19，累計收斂值為0.10 mm。各觀測點沒有發(fā)現(xiàn)異常變形，累計收斂值未超過設計報警值(4.25 mm)和控制值(5 mm)。上行隧道收斂累計計量曲線如圖3所示。

圖3 上行隧道收斂累計計量曲線圖

2)下行線隧道結構收斂監(jiān)測。根據(jù)施工進度于2017年7月23日進行首次觀測，至2019年6月10日，所有測點累計收斂最大監(jiān)測點為JGS-02-01，累計收斂值為2.70 mm，最后一個月的平均變形速率為-0.006 mm/d；累計收斂最小監(jiān)測點為JGS-02-09，累計收斂值為0.10 mm。各觀測點沒有發(fā)現(xiàn)異常變形，累計收斂值未超過設計報警值(4.25 mm)和控制值(5 mm)。下行隧道收斂累計計量曲線如圖4所示。

圖4 下行隧道收斂累計計量曲線圖

4.3.5 車站頂部沉降監(jiān)測

根據(jù)施工進度于2017年9月1日進行首次觀測，2018年7月基坑開挖，至2019年6月10日，開挖期間所有測點累計沉降最大監(jiān)測點是CJ30，累計沉降值為-2.95 mm，最后一個月的平均變形速率為-0.019 mm/d；累計沉降最小監(jiān)測點是CJ2，累計沉降值為-0.26 mm。各觀測點沒有發(fā)現(xiàn)異常變形，累計沉降量未超過設計報警值(10 mm)和控制值(12.5 mm)。

4.3.6 站廳層沉降監(jiān)測

根據(jù)施工進度于2017年9月1日進行首次觀測，2018年7月基坑開挖，至2019年6月10日，開挖期間所有測點累計沉降最大監(jiān)測點為JGC-02-50，累計沉降值為-2.70 mm，最后一個月的平均變形速率為0.001 mm/d；累計沉降最小監(jiān)測點為JGC-02-13，累計沉降值為-0.13 mm。各觀測點沒有發(fā)現(xiàn)異常變形，累計沉降量未超過設計報警值(10 mm)和控制值(12.5 mm)。站廳層沉降觀測累計計量曲線圖如圖5所示。

圖5 站廳層沉降觀測累計計量曲線圖

4.3.7 既有線換乘節(jié)點監(jiān)測

2019年6月14日桂城站既有線換乘節(jié)點開始水平注漿，7月17日水平注漿施工完成，東西側各注漿24個孔，累計共48個孔，注漿時間為廣佛線晚上停運后至次日早上5點左右。8月6日開始進行換乘節(jié)點負三層洞門破除及土方掏挖，9月15日桂城站既有線換乘節(jié)點全部施工完成。

廣佛既有線桂城站軌行區(qū)第三方監(jiān)測安裝自動化靜力水準進行監(jiān)測，施工監(jiān)測按照測量機器人進行監(jiān)測，自動化監(jiān)測手段優(yōu)點為：儀器設備靈敏、監(jiān)測頻率高、監(jiān)測精度高、施工過程中對既有線的變形影響反應效果好。

換乘節(jié)點施工過程中，施工監(jiān)測與第三方監(jiān)測24 h現(xiàn)場值班，實時觀測軌行區(qū)變形情況，在注漿及泄水過程中通過自動化監(jiān)測多次發(fā)現(xiàn)變形趨勢，施工單位根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整施工參數(shù)或工藝，對既有線換乘節(jié)點的安全施工起了重要作用。

自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖6。

圖6 自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 工程實施效果

由于既有線車站及區(qū)間隧道白天均在運營期間不利于人工監(jiān)測工作的開展，給監(jiān)測工作帶來極大的不便，而自動化監(jiān)測技術可以較好地解決上述問題，且自動化監(jiān)測相對于人工監(jiān)測的優(yōu)勢異常明顯，所以在既有線的風險防控中，自動化監(jiān)測是不可替代的監(jiān)測手段。

通過監(jiān)測工作的實施，掌握在工程施工過程中影響范圍內(nèi)的既有線車站結構、軌道結構、區(qū)間隧道及附屬通道結構的變化，為建設方及運營方提供及時可靠的數(shù)據(jù)和信息，評定施工對既有線結構和軌道的影響，為及時判斷既有線結構安全和運營安全狀況提供依據(jù)，對可能發(fā)生的事故提供及時、準確的預報，使有關各方有時間做出反應，避免惡性事故的發(fā)生，確保既有線安全運營。

6 結論

通過測量機器人和靜力水準遠程自動化監(jiān)測在本工程中的具體應用可以發(fā)現(xiàn)：基于測量機器人和靜力水準的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，具有簡便靈活、無人值守、 實時動態(tài)的監(jiān)測特點，克服了傳統(tǒng)測量方法的不足，極大地提高了工作效率。 監(jiān)測系統(tǒng)為基坑開挖提供了準確、及時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，是運營地鐵隧道變形監(jiān)測的有效手段。

測量機器人自動化監(jiān)測和靜力水準自動化監(jiān)測具有以下優(yōu)勢[5-6]：

1)無人值守，完全自動。系統(tǒng)能對各個監(jiān)測點進行全自動(定時或連續(xù))長期監(jiān)測，無論酷暑嚴冬、刮風下雨、白天黑夜從不間斷，不丟失信息。

2)監(jiān)測精度高。系統(tǒng)能以目前大地測量方法所能達到最高精度—毫米級精度測定監(jiān)測點的位移，對盡早發(fā)現(xiàn)異常，分析變形規(guī)律，將災害消滅在萌芽狀態(tài)以及確切進行預警和預報非常必要。

3)實時處理，可視化顯示。系統(tǒng)經(jīng)計算機采集的數(shù)據(jù)是實時處理和可視化顯示的，測量結果是實時處理，保證真實再現(xiàn)現(xiàn)場情況，便于洞察變化趨勢，能給領導決策提供科學依據(jù)。

4)可靠性高，運行成本低。系統(tǒng)構成主要由全站儀、計算機和它們之間的通訊、供電電纜組成。故障率低，維護比較方便，運行成本較低。

5)監(jiān)測精度高(可達0.1 mm)，在測量豎向位移方面精度優(yōu)于測量機器人。

6)結構簡單，靜力水準系統(tǒng)、傳感器安裝方便；液體介質(zhì)采用特殊溶液，具有防凍、防霉、不揮發(fā)等特征，提高了系統(tǒng)的可靠性。

7)在風險較高的外部影響施工地區(qū)，采用測量機器人加靜力水準自動化監(jiān)測系統(tǒng)可以更好地控制施工風險，信息化指導高風險階段的施工，確?，F(xiàn)場施工安全風險可控。