趙楊

（中國(guó)建筑技術(shù)集團(tuán)有限公司，北京 100013）

0 引言

隨著城市的發(fā)展以及地表空間資源的逐步緊張，地下空間開(kāi)發(fā)進(jìn)程不斷加速，地鐵等大型城市地下空間工程越來(lái)越多。在地鐵隧道的施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，可能會(huì)受到鄰近地表加載卸載、保護(hù)區(qū)內(nèi)基坑開(kāi)挖以及近距離隧道穿越等因素的影響，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生變化，進(jìn)而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)沉降變形，引發(fā)安全問(wèn)題，因此，需要對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，變形監(jiān)測(cè)是其中的重要監(jiān)測(cè)內(nèi)容。

針對(duì)大型盾構(gòu)隧道的變形監(jiān)測(cè)，目前常見(jiàn)的相關(guān)技術(shù)如下：第一，精密水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)憑借測(cè)量精度高的優(yōu)勢(shì)，在隧道監(jiān)測(cè)工作中得到了廣泛應(yīng)用，但作業(yè)效率低、強(qiáng)度大，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；第二，GPS技術(shù)，該技術(shù)具有全天候、實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，可在一定程度上達(dá)到連續(xù)性監(jiān)測(cè)的效果，但在地鐵隧道工程中會(huì)出現(xiàn)GPS 信號(hào)被遮擋而無(wú)法使用的問(wèn)題；第三，三維激光掃描技術(shù)，該技術(shù)高效、快速且自動(dòng)化程度高，但精度不足。上述幾種技術(shù)難以兼顧低成本、大規(guī)模布設(shè)和準(zhǔn)確測(cè)量等多方面的監(jiān)測(cè)需要。而測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)在全站儀的基礎(chǔ)上，集成利用自準(zhǔn)原理和CCD圖像處理功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的全天候自動(dòng)識(shí)別、找準(zhǔn)與跟蹤，并獲取距離、角度等信息，可配合數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，在隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方面有廣闊的應(yīng)用前景。

1 工程概況

青島地鐵某線進(jìn)行基坑開(kāi)挖施工，為監(jiān)測(cè)鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)受基坑開(kāi)挖影響的沉降變形情況，在相應(yīng)區(qū)段布設(shè)全站儀機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)區(qū)間沿線的地勢(shì)相對(duì)平穩(wěn)，地面高程3.33～6.25m，變化不大，地表主要分布厚度1～6.7m 的第四系全新統(tǒng)人工填土，下伏基巖為燕山晚期閃長(zhǎng)巖，局部可見(jiàn)花崗斑巖呈脈狀產(chǎn)出，局部受構(gòu)造作用影響發(fā)育，構(gòu)造巖花崗斑巖（塊狀碎裂巖），強(qiáng)風(fēng)化層厚4.3～26m；隧道洞身穿越強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)巖地層，地下水主要為巖裂隙水，多為弱透水層，水量較貧，局部接力裂隙發(fā)育，受構(gòu)造影響破碎帶裂隙水含量豐富。

監(jiān)測(cè)區(qū)段隧道采用復(fù)合式盾構(gòu)開(kāi)挖，起點(diǎn)里程為K16+975.000，終點(diǎn)里程為K17+917.9，左線全長(zhǎng)為805.402m，右線全長(zhǎng)為813.000m，左右線均為單洞單線隧道，兩線隧道中軸線間距14m。在地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中，監(jiān)測(cè)地鐵隧道的結(jié)構(gòu)變形，通過(guò)對(duì)分布式光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，確保地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全，保證其正常使用。

2 全站機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施與運(yùn)行

2.1 全站機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)設(shè)備、參考點(diǎn)、監(jiān)測(cè)對(duì)象和傳輸控制設(shè)備四個(gè)系統(tǒng)組成。其中，監(jiān)測(cè)設(shè)備由高精度全自動(dòng)測(cè)量全站儀、自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成；參考點(diǎn)由設(shè)置在變形影響范圍外的基準(zhǔn)點(diǎn)（至少2點(diǎn)）組成；監(jiān)測(cè)對(duì)象由若干個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成；傳輸控制設(shè)備由通信網(wǎng)絡(luò)及遠(yuǎn)程電腦組成。

通過(guò)測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移、水平位移情況，基準(zhǔn)點(diǎn)分別布設(shè)于監(jiān)測(cè)范圍大小里程兩側(cè)相對(duì)穩(wěn)固的位置，每側(cè)布設(shè)3 個(gè)徠卡GDR1 棱鏡組作為基準(zhǔn)點(diǎn)組，左右線合計(jì)12 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)；于監(jiān)測(cè)范圍中部設(shè)置工作基點(diǎn)，即自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)站，布設(shè)時(shí)避開(kāi)隧道內(nèi)管線，建立固定觀測(cè)支架、安裝全站儀。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目隧道結(jié)構(gòu)豎向位移、隧道結(jié)構(gòu)水平位移說(shuō)明測(cè)點(diǎn)采用鉆孔方式埋設(shè)，利用膨脹螺絲將徠卡L型棱鏡固定在隧道結(jié)構(gòu)側(cè)壁上，并調(diào)整棱鏡方向使其正對(duì)測(cè)站測(cè)點(diǎn)間距10～20m，左線19個(gè)、右線19個(gè)，合計(jì)38個(gè)數(shù)量38個(gè)

各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)預(yù)警值和控制值見(jiàn)表2。

表2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值和預(yù)報(bào)警值

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目變化速率控制值/（mm/天）累計(jì)變量預(yù)警值/mm 控制值/mm隧道結(jié)構(gòu)豎向位移隧道結(jié)構(gòu)水平位移1 1 3 3 5 5

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

通過(guò)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件的合理配置，完成定時(shí)采集數(shù)據(jù)的任務(wù)。監(jiān)測(cè)過(guò)程中定期對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，并采用人工方式對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核。自2020年8月完成隧道內(nèi)基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)、儀器調(diào)試、初始數(shù)據(jù)采集，至2021年11月，整個(gè)監(jiān)測(cè)期間歷時(shí)約500 天，共進(jìn)行1646 次觀測(cè)，如表3 所示，順利實(shí)現(xiàn)了對(duì)地鐵隧道左右兩線的連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)。

表3 監(jiān)測(cè)工作量統(tǒng)計(jì)表

序號(hào)1234測(cè)試天數(shù)/次數(shù)477 346 477 346項(xiàng)目隧道結(jié)構(gòu)豎向位移（右線）隧道結(jié)構(gòu)豎向位移（左線）隧道結(jié)構(gòu)水平位移（右線）隧道結(jié)構(gòu)水平位移（左線）

各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目特征監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總情況見(jiàn)表4。

表4 特征監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

過(guò)程累計(jì)變量序號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)論監(jiān)測(cè)項(xiàng)目位置最大值/mm-1.4-1.6 1.4 1.1最后100天平均變化速率最大值/mm位置（時(shí)間）1 2隧道結(jié)構(gòu)豎向位移隧道結(jié)構(gòu)水平位移左線右線左線右線YSK17+271.000（2021年7月31日）ZSK17+131.000（2021年3月29日）YSK17+291.000（2020年12月24日）ZSK17+071.000（2021年5月11日）最終累計(jì)變量最大值/mm 0.5 0.5 0.5 0.8 YSK17+351.000 ZSK17+051.000 YSK17+051.000 ZSK17+311.000 0.01 0.01 0.01 0.01正常正常正常正常

2.3 全站儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析總結(jié)

自2020年8月5日完成隧道內(nèi)基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)、儀器調(diào)試、初始數(shù)據(jù)采集，至2021年11月24日，整個(gè)監(jiān)測(cè)期間該監(jiān)測(cè)段隧道結(jié)構(gòu)豎向位移、水平位移等多個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均處于正常范圍。

隧道結(jié)構(gòu)豎向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：監(jiān)測(cè)過(guò)程中累計(jì)變量在-1.6～1.3mm 范圍，最大值為-1.6mm（ZSK17+131.000，2021年3月29日）；最終累計(jì)變量最大值為0.5mm（YSK17+351.000）；最后100 天平均變化速率最大值為0.01mm/天；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均處于正常范圍。隧道結(jié)構(gòu)19 個(gè)測(cè)點(diǎn)處豎向位移累計(jì)變量時(shí)程曲線見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)19 個(gè)測(cè)點(diǎn)處豎向位移（左線）累計(jì)變量時(shí)程曲線

圖2 隧道結(jié)構(gòu)19 個(gè)測(cè)點(diǎn)處豎向位移（右線）累計(jì)變量時(shí)程曲線

隧道結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：監(jiān)測(cè)過(guò)程中累計(jì)變量在-1.4～1.4mm 范圍，最大值為1.4mm（YSK17+291.000，2020年12月24日）；最終累計(jì)變量最大值為0.8mm（ZSK17+311.000）；最后100 天平均變化速率最大值為0.01mm/天；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均處于正常范圍。隧道結(jié)構(gòu)19 個(gè)測(cè)點(diǎn)處水平位移累計(jì)變量時(shí)程曲線見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 隧道結(jié)構(gòu)19 個(gè)測(cè)點(diǎn)處水平位移（左線）累計(jì)變量時(shí)程曲線

圖4 隧道結(jié)構(gòu)19 個(gè)測(cè)點(diǎn)處水平位移（右線）累計(jì)變量時(shí)程曲線

監(jiān)測(cè)期間現(xiàn)場(chǎng)巡查，隧道結(jié)構(gòu)正常使用，未見(jiàn)明顯病害；外部作業(yè)工程、周邊環(huán)境未見(jiàn)異常；監(jiān)測(cè)設(shè)施設(shè)備未發(fā)生被破壞情況。

在整個(gè)基坑施工過(guò)程中，通過(guò)對(duì)全站機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理分析發(fā)現(xiàn)，在鄰近基坑開(kāi)挖過(guò)程中，隧道結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)較大的變形，隧道的整體安全狀況良好?？梢哉J(rèn)為，該地鐵隧道區(qū)段布設(shè)實(shí)施的全站機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可在鄰近基坑開(kāi)挖過(guò)程中保證地鐵運(yùn)營(yíng)的安全。

3 結(jié)論

為了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)鄰近基坑開(kāi)挖過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)的變形情況，掌握變形程度及變形趨勢(shì)，保證地鐵隧道的運(yùn)營(yíng)安全，提出在隧道結(jié)構(gòu)中布設(shè)全站機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)掌握地鐵隧道的安全狀態(tài)。工程實(shí)踐證明，相較于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段，全站機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì)：

第一，全站機(jī)器人監(jiān)測(cè)是一種人為影響因素少、自動(dòng)化程度高的監(jiān)測(cè)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)效率較高；第二，采用光學(xué)測(cè)量，結(jié)果為直觀的位移數(shù)據(jù)，可信度較高，數(shù)據(jù)可接受度高；第三，受地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間的限制較小，可實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，能夠很好地滿足連續(xù)性監(jiān)測(cè)的需要，且系統(tǒng)穩(wěn)定性高；第四，工作人員不進(jìn)入實(shí)地即可采集到數(shù)據(jù)，可以消除一些安全風(fēng)險(xiǎn)，且能節(jié)約人力成本。

該監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的成功實(shí)施，對(duì)于積累全站機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)、提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水平等有指導(dǎo)意義，且表明全站機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)中效果良好，可保證地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全，有較高的推廣與使用價(jià)值。