文／彭樂平 上海京海工程技術(shù)有限公司 上海 200137

引言：

上海是世界超級城市，而新建城市設(shè)施與軌交設(shè)施的空間關(guān)系越來越緊密。在運(yùn)營地鐵線路保護(hù)區(qū)內(nèi)的工程建設(shè)，尤其是大型基建項(xiàng)目受地質(zhì)條件、自然環(huán)境等因素的影響，可能對運(yùn)營地鐵線造成比較大的影響，存大重大的安全事故風(fēng)險。因此，為保證基坑開挖、運(yùn)營地鐵線安全，必須對基坑支護(hù)本體及周邊環(huán)境實(shí)施變形監(jiān)測。對于開挖深，距離地鐵近、存定重大風(fēng)險的工程項(xiàng)目需要運(yùn)用多種監(jiān)測手段，包括對地鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時自動化監(jiān)測。

目前，對運(yùn)營地鐵線路監(jiān)測手段主要有傳統(tǒng)人工測量（包括人工沉降、人工收斂、傾斜測量等）、自動化測量（包括自動化沉降、自動化收斂、自動化位移測量等）。而地鐵天窗時間受限，傳統(tǒng)人工測量頻率低、費(fèi)時費(fèi)力，而自動化監(jiān)測系統(tǒng)尤其是自動化收斂監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)時監(jiān)測，且安裝方便、效率高，解決了人工監(jiān)測的不足。本文以某保護(hù)區(qū)內(nèi)基坑項(xiàng)目開挖周期內(nèi)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測及后期收斂治理中自動化收斂監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)用為例，基于自動化收斂監(jiān)測系統(tǒng)對地鐵隧道進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，及時將各施工階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息、報表及病害發(fā)展情況，提供給業(yè)主、監(jiān)理和施工方，既保證了施工安全，又保證了地鐵線路的安全運(yùn)營，本項(xiàng)目監(jiān)測方法和結(jié)論對類似項(xiàng)目具有一定的參考意義[1]。

1.自動化收斂監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 原理

自動化收斂監(jiān)測系統(tǒng)是由激光測距儀、采集箱、采集網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)處理平臺、電纜線等部件組成。系統(tǒng)通過無線網(wǎng)通訊技術(shù)，遠(yuǎn)程控制測距儀采集數(shù)據(jù)。利用激光測距對準(zhǔn)隧道另一端的測量靶標(biāo)，激光測距儀測出兩點(diǎn)之間的距離即為隧道的直徑，與施工前所測初始值相比較，所得差值即為隧道直徑收斂累計(jì)變化量，把采集到的收斂測值數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫內(nèi)，后期通過電腦辦公軟件或手機(jī)端的運(yùn)用軟件處理所得到的收斂數(shù)據(jù)，可以生成相關(guān)變形量的報表，報告總結(jié)等各種成果資料。

1.2 系統(tǒng)組成

1.2.1 激光測距儀

使用測距儀HD-CJY030 系列，測程0.05～30m，并支持串行接口，有線連接電源和信息線，測量精度1.0mm，測量儀器及支架安裝位置符合地鐵運(yùn)營對限界的要求。

1.2.2 采集箱、采集網(wǎng)關(guān)

目前采集模塊一般采用工控機(jī)和通訊卡的形式。工控機(jī)就是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是一種采用總線結(jié)構(gòu)，對生產(chǎn)過程及機(jī)電設(shè)備、工藝裝備進(jìn)行檢測與控制的工具總稱，能夠采集和存儲激光測距儀測量數(shù)據(jù)，利用通訊可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，遠(yuǎn)程控制等。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理平臺

采用我公司基于廠家采集軟件進(jìn)一步研發(fā)的監(jiān)護(hù)測量管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目監(jiān)測點(diǎn)位布置、數(shù)據(jù)的查詢和統(tǒng)計(jì)、變形和歷時曲線的生成，測量數(shù)據(jù)采集等功能。施工期間的數(shù)據(jù)通過該系統(tǒng)可以實(shí)時發(fā)布，數(shù)據(jù)結(jié)果和變形曲線可很方便的查詢和導(dǎo)出，可采用網(wǎng)頁客戶展示，有網(wǎng)絡(luò)接入的電腦，可以隨時訪問進(jìn)行查看與處理[2]。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

目前主流的自動化收斂監(jiān)測系統(tǒng)主要持術(shù)參數(shù)一般為：

（1）數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)采樣速率至少每分鐘一次；

（2）數(shù)據(jù)能夠發(fā)送至專用服務(wù)器，并實(shí)時發(fā)布；

（3）采集器的數(shù)據(jù)存儲器至少能存儲7 天以上的每小時正點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)；

（4）能夠按照規(guī)定的正點(diǎn)時間，實(shí)時發(fā)送觀測數(shù)據(jù)，并具備時鐘校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)重新下載、數(shù)據(jù)重新發(fā)送功能；

（5）以國家公共通信網(wǎng)（GPRS 或CDMA）的通信方式進(jìn)行通信；

（6）自動站數(shù)據(jù)上傳到地區(qū)中心站的頻次至少應(yīng)每小時1 次，可根據(jù)需要進(jìn)行1 分鐘、5 分鐘、10 分鐘或半小時等的實(shí)時加密上傳。

2.工程案例

2.1 工程概況

本項(xiàng)目基坑開挖面積約6000 m2，開挖深度約15m。本項(xiàng)目影響對應(yīng)段均為地下隧道結(jié)構(gòu)，地下室結(jié)構(gòu)外邊線與地鐵結(jié)構(gòu)下行線隧道最小凈距離約10m,基坑邊線平行地鐵延長線距離60m，道床絕對高程約為-18.0m，本區(qū)間隧道為內(nèi)徑5.5m 單圓通縫，頂部覆土深度為12.0m。施工期間采用了人工與自動化兩種監(jiān)測手段，收斂監(jiān)測包括了人工收斂測量與自動化收斂監(jiān)測系統(tǒng)。另因?yàn)榛邮┕て陂g隧道收斂累計(jì)變形超過2cm，收斂設(shè)計(jì)值超過6cm,且隧道內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的滲漏情況，經(jīng)專題會議討論，相關(guān)專家會診，在地下結(jié)構(gòu)施工期間采用了隧道外微擾動注漿治理的手段，對本項(xiàng)目人工收斂變形累計(jì)超2cm 段進(jìn)行了隧道外微擾動注漿治理。

2.2 收斂監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)施

2.2.1 監(jiān)測內(nèi)容與范圍

區(qū)間投影范圍60m，外放范圍南北各60m，監(jiān)測范圍為上下行線各180m，其中投影范圍內(nèi)每5 環(huán)布設(shè)1 個監(jiān)測點(diǎn)，4倍基坑深度外放范圍內(nèi)每10環(huán)布設(shè)1個監(jiān)測點(diǎn)，環(huán)號從175 環(huán)至320 環(huán)，人工收斂與自動化收斂點(diǎn)上下行線布各設(shè)20 個直徑收斂監(jiān)測斷面，共計(jì)布設(shè)40 個，人工與自動化激光測距儀同斷面布設(shè)。其中后期注漿上行線230-255 環(huán)，對應(yīng)里程SK18+476～SK18+508.4，采用隧道外微擾動注漿，自動化激光測距儀于5 環(huán)內(nèi)加布置一臺，共增加5 臺。

2.2.2 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

測距儀安置在隧道腰線的一端，一般裝于膘線以下0.813m 處，要求固定，為了提高精度，隧道另一端對應(yīng)位置的設(shè)測量靶標(biāo)標(biāo)志，激光測距儀安裝在支架上，支架由膨脹螺絲固定在隧道管片上，安裝時要求光斑對應(yīng)對預(yù)定位置處測量靶標(biāo)標(biāo)志，方便后期測距儀核正，同時人工點(diǎn)與自動點(diǎn)基本處于同一管片水平位置，以便測量成果中人工自動化可以比對。自動化收斂監(jiān)測系統(tǒng)安裝流程為：確定安裝位置、安裝支架、安裝儀器與采集箱、軟件設(shè)置、調(diào)整激光位置、系統(tǒng)配制、數(shù)據(jù)采集、成果使用等。安裝位置示意見圖1。

圖1 安裝位置示意圖

2.3 自動化收斂變形數(shù)據(jù)分析

2.3.1 施工工況

本項(xiàng)目施工從2016 年7 月開工，至2018 年12 月完成樁基圍護(hù)施工（其中因外部因素停工17 個月），基坑所有分區(qū)開挖從2018 年12 月至2019 年6 月，結(jié)構(gòu)施工從2019 年5 月至2019 年12 月，注漿施工從2019 年8 月15 日至10 月13 日。具體時間節(jié)點(diǎn)如下表：

2.3.2 自動化收斂變形分析

本次自動化收斂變形增大主要發(fā)生在基坑開挖期間，兩個分區(qū)施工存在交叉影響加劇了隧道收斂變形，每個分區(qū)施工期間對隧道收斂都有影響，其中上行線隧道直徑收斂最大累計(jì)變形量達(dá)到27.8mm（SSL10-2019年8 月18 日）的，下行線隧道收斂最大12.60mm（XSL 10-2019 年8 月18 日）的變形。隧道收斂變形減小主要發(fā)生在隧道外注漿期間，通過對近側(cè)上行線隧道外的西側(cè)注漿（東側(cè)地下管線太多無法實(shí)施)，本次注漿在上行線西側(cè)布設(shè)兩排注漿孔，歷時1 月，有效的控制與減小了隧道收斂的變形，其中上行線隧道收斂減小23.04mm（SSL09）的變形，上行線隧道收斂減小6.80mm（XSL10）的變形。

2.3.3 自動化收斂變形與人工比對分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證自動化收斂測量成果的可靠性，本次采用同環(huán)人工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，人工采用簡單的直接量取法，分別從兩側(cè)直徑上方接縫中間位置A 或A′向下量取取813mm（直徑為5.5m）的弦長即為水平直徑一端的位置B 和B′見下圖2，同時布點(diǎn)時與自動化收斂布置于同一斷面。測量采用徠卡TS60 高精度全站儀對于注漿范圍內(nèi)的收斂點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)的跟蹤與測量，以同時段的人工與自動化收斂成果比對如下圖3，注漿前比對圖4 人工與自動化累計(jì)變形量基本一致，差值0.2～-1.6 mm。

圖2 人工收斂布點(diǎn)示意圖

圖3 注漿前人工收斂與自動化收斂比對曲線圖

圖4 注漿期間人工收斂與自動化收斂比對曲線圖

2019年9月15 至10月13日，共完成上行線西側(cè)3.0與3.6 m 兩排共56 孔，注漿期間變形比對圖3。人工與自動化累計(jì)變形量基本一致，差值0.0～-1.6 mm。

3.收斂監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)勢

（1）自動化收斂監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時化跟蹤測量，在系統(tǒng)內(nèi)可配置測量頻率，最快達(dá)到1 秒一次，可以根據(jù)需要提供實(shí)時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，特別是微拔動注漿時，可以根據(jù)動態(tài)的變形不停的調(diào)整注漿的參數(shù)，從而達(dá)到最優(yōu)的施工方式，以達(dá)到保護(hù)與控制隧道變形的雙重目標(biāo)[3]。

（2）自動化收斂監(jiān)測系統(tǒng)相對精度更高，因測量的樣本更多，激光測距儀的標(biāo)定精度為±1mm，算術(shù)平均值中誤差為觀測值中誤差的1/，n 為觀測次數(shù)，因此多次的同一精度的觀測次數(shù)，可以達(dá)到或超過規(guī)范要求的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)。

（3）自動化收斂監(jiān)測系統(tǒng)效率更高，龍其是上海地鐵的監(jiān)護(hù)測量中，上海地鐵受平時客運(yùn)時間，節(jié)假時調(diào)整，夜間作業(yè)的天窗時間不斷的受到擠壓，所以人工夜間作業(yè)的時間在不斷的減少，而自動化系統(tǒng)不受此限制，效率更高。

（4）客觀約束條件較少，本系統(tǒng)所組成的硬件均較小，隧道內(nèi)安裝較方便，同時結(jié)互聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，能夠?qū)崟r控制測量，使用方便。

（5）自動化收斂監(jiān)測系統(tǒng)可更直觀的展示所監(jiān)測的測值，并為后續(xù)的成果利用與開發(fā)提供了一定技術(shù)支撐。

4.結(jié)論與建議

自動化收斂監(jiān)測系統(tǒng)在隧道監(jiān)測中是一種常用技術(shù)。自動化收斂技術(shù)主要是通過監(jiān)測隧道周圍的土層、建筑基礎(chǔ)、橋梁等結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動變形，自動分析隧道的變形情況。該技術(shù)可以通過傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)平臺等硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動傳輸，并運(yùn)用自動化技術(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測。自動化收斂技術(shù)可以有效地監(jiān)測隧道的運(yùn)動變形情況，并及時發(fā)現(xiàn)隧道變形的問題，進(jìn)而對問題進(jìn)行追蹤和矯正。該技術(shù)可以提高隧道的安全性，保證隧道的正常使用，減少因隧道變形帶來的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。除此之外，自動化收斂技術(shù)還可以使監(jiān)測工作自動化、數(shù)字化，提高數(shù)據(jù)采集和處理的效率和精度，降低了人工監(jiān)測成本，提高了管理效率[4]。

（1）本文中的自動化收斂監(jiān)測系統(tǒng)主要運(yùn)用于地鐵監(jiān)測的項(xiàng)目中，該系統(tǒng)可以真實(shí)，有效實(shí)時的反映隧道的變形，為在保護(hù)區(qū)基坑項(xiàng)目中有效的控制運(yùn)營地鐵隧道的變形提供了變形的依據(jù)。因此，自動化收斂監(jiān)測系統(tǒng)在此類項(xiàng)目中具的好的運(yùn)用前景，特別是在地鐵隧道外微擾動注漿加固的項(xiàng)目中。

（2）通過工程案例，結(jié)合自動化收斂監(jiān)測系統(tǒng)所取得的數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)比對分析，表明自動化收斂監(jiān)測系統(tǒng)真實(shí)可信，且具有多方面的效率優(yōu)勢與成本優(yōu)勢，結(jié)合當(dāng)前智能科技不斷更新與發(fā)展，未來自動化收斂監(jiān)測系統(tǒng)可以得更好的運(yùn)用，可完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工測量手段。

（3）自動化收斂監(jiān)測系統(tǒng)的更新與發(fā)展，可以更多的增加展示端的方式，如手機(jī)APP，大屏展示等，再結(jié)合設(shè)備的小型公，輕便化，智能化等，在上海地鐵保護(hù)區(qū)監(jiān)護(hù)項(xiàng)目及其他涉及隧道收斂監(jiān)測中得到更多的發(fā)展。