趙少鵬,王怡,程良水

(杭州市勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 310012)

0 引 言

隨著中國城市化進(jìn)度的加快,城市人口的迅速增長,地上公共交通已不能滿足人口增長帶來的交通需求,因此,近年來,我國地下交通蓬勃發(fā)展,越來越多的城市開始興建地鐵線路。以浙江省為例,目前已有多地陸續(xù)開建城市軌道交通項(xiàng)目,其中杭州市目前已運(yùn)營的軌道交通總里程已達(dá)到 516 km。

受到地質(zhì)條件、施工環(huán)境和施工技術(shù)等多種因素影響,軌道交通設(shè)施自運(yùn)營開始就存在不同程度的結(jié)構(gòu)病害與安全隱患,加之周邊大量市政或商業(yè)開發(fā)建設(shè),會(huì)導(dǎo)致既有軌道交通結(jié)構(gòu)出現(xiàn)形變,造成結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)下降;結(jié)構(gòu)形變嚴(yán)重時(shí),會(huì)對行車安全造成重大威脅。因此,為了確保軌道交通結(jié)構(gòu)的安全,對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測是非常重要的。

1 形變監(jiān)測對象及方法

城市軌道交通結(jié)構(gòu)監(jiān)測對象包括地下車站和區(qū)間、高架車站和區(qū)間、地面車站和區(qū)間以及附屬建(構(gòu))筑物的結(jié)構(gòu)。監(jiān)測項(xiàng)目一般包括:水平位移監(jiān)測、豎向位移監(jiān)測、收斂監(jiān)測等。

由于軌道交通結(jié)構(gòu)內(nèi)觀測條件差,為保證監(jiān)測項(xiàng)目精度,首先建立平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng);平面控制網(wǎng)、高程控制網(wǎng)是水平位移監(jiān)測、豎向位移監(jiān)測、收斂監(jiān)測的監(jiān)測基準(zhǔn)。

1.1 平面控制網(wǎng)

由于城市軌道交通結(jié)構(gòu)大部分建設(shè)在地下,與地面構(gòu)筑物相比,空間相對封閉,且呈狹長帶狀分布,不利于監(jiān)測控制網(wǎng)布設(shè)。因此,水平位移監(jiān)測平面控制網(wǎng)宜采用導(dǎo)線測量布設(shè),并建立獨(dú)立坐標(biāo)系[1],獨(dú)立坐標(biāo)系方向分別沿里程方向與垂直里程方向,一般以沿里程方向?yàn)閄軸,垂直于里程方向?yàn)閅軸。平面控制網(wǎng)布設(shè)如圖1所示。

1.2 高程控制網(wǎng)

豎向位移監(jiān)測高程控制網(wǎng)可采用國家高程系統(tǒng),也可以采用自定義高程系統(tǒng),高程控制網(wǎng)應(yīng)具備穩(wěn)定、可靠的高程起算點(diǎn)。高程控制網(wǎng)的工作基準(zhǔn)點(diǎn)宜布設(shè)在外部作業(yè)影響范圍外的車站內(nèi),數(shù)量應(yīng)不少于3個(gè),高程控制網(wǎng)布設(shè)示意圖如圖2所示。

圖2 高程控制網(wǎng)布設(shè)示意圖

1.3 水平位移監(jiān)測

水平位移監(jiān)測以平面控制網(wǎng)為基準(zhǔn),在觀測支架上觀測平面控制網(wǎng)工作基準(zhǔn)點(diǎn)棱鏡進(jìn)行后視定向,然后觀測布設(shè)在斷面上的監(jiān)測點(diǎn)(如棱鏡),采集坐標(biāo)。監(jiān)測點(diǎn)水平位移為本次測量值與初始值在Y方向的坐標(biāo)差值,計(jì)算公式如下:

yi=Yi-Y0

(1)

式中yi為監(jiān)測點(diǎn)水平位移累計(jì)變化量,Yi為監(jiān)測點(diǎn)本次測量值,Y0為監(jiān)測點(diǎn)初始值。

1.4 豎向位移監(jiān)測

豎向位移可通過三種方式進(jìn)行監(jiān)測:①精密水準(zhǔn)測量;②三角高程測量;③靜力水準(zhǔn)測量。采用精密水準(zhǔn)測量時(shí),水準(zhǔn)路線應(yīng)從高程控制網(wǎng)工作基準(zhǔn)點(diǎn)出發(fā),沿線路形成閉合路線,由工作基準(zhǔn)點(diǎn)高程計(jì)算各監(jiān)測點(diǎn)高程,通過計(jì)算各監(jiān)測點(diǎn)歷次高程之差求取豎向位移;采用三角高程測量時(shí),與水平位移監(jiān)測方法相同,在觀測支架上觀測平面控制網(wǎng)工作基準(zhǔn)點(diǎn)棱鏡進(jìn)行后視定向,然后采集監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo);采用靜力水準(zhǔn)測量時(shí),通過測量每個(gè)測點(diǎn)液位高度變化或不同測點(diǎn)間的液體壓力變化來計(jì)算豎向位移。豎向位移計(jì)算公式如下:

hi=Hi-H0

(2)

式中hi為監(jiān)測點(diǎn)豎向位移累計(jì)變化量,Hi為監(jiān)測點(diǎn)本次高程值,H0為監(jiān)測點(diǎn)初始高程值。

1.5 收斂監(jiān)測

收斂監(jiān)測可采用全站儀觀測布設(shè)在隧道兩腰處的監(jiān)測棱鏡或采用手持激光測距儀測量收斂測線。采用全站儀進(jìn)行收斂監(jiān)測觀測方法與水平位移監(jiān)測方法一致,通過后方交會(huì)進(jìn)行后視定向,然后采集隧道兩腰處的監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo),計(jì)算兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的距離與初始距離變化。采用手持激光測距儀進(jìn)行收斂監(jiān)測時(shí),取多次收斂測線穩(wěn)定測量平均值為本次測量值,與初始值對比,計(jì)算收斂值。收斂監(jiān)測計(jì)算公式如下:

(3)

或:

li=Li-L0

(4)

2 自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)

由于城市軌道交通運(yùn)營時(shí)間長,監(jiān)測人員能夠進(jìn)入內(nèi)部進(jìn)行作業(yè)的時(shí)間相對較短,因此,優(yōu)先采用自動(dòng)化系統(tǒng)對其結(jié)構(gòu)形變進(jìn)行監(jiān)測。自動(dòng)化監(jiān)測的特點(diǎn):①監(jiān)測頻率高,觀測精度高;②相較于傳統(tǒng)的通訊技術(shù)產(chǎn)品,其具備傳輸速度快、延遲率低和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)[2];③不受運(yùn)營時(shí)間限制,可根據(jù)需要設(shè)置觀測時(shí)段;④速度快,能夠?qū)崟r(shí)快速獲取變形量,并繪制時(shí)程曲線。

自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)是利用變形監(jiān)測軟件系統(tǒng),遠(yuǎn)距離向測量機(jī)器人傳輸測量指令,由測量機(jī)器人在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)依照規(guī)定的測量流程智能地開展數(shù)據(jù)采集,并將所采集的數(shù)據(jù)通過通訊模塊傳輸回服務(wù)器并存儲(chǔ),再由數(shù)據(jù)分析模塊開展分析計(jì)算,進(jìn)而給出每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo),通過比較歷次坐標(biāo)數(shù)值的變化計(jì)算出變形數(shù)值并制作出變形過程中的時(shí)程曲線。自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)組成圖

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

本項(xiàng)目地下設(shè)置兩層地下室,基坑由杭州某特教綜合樓地下室基坑與地鐵車站C出入口及1號風(fēng)亭地下通道基坑兩部分組成,開挖深度分別為 10.65 m、9.84 m,安全等級為一級。項(xiàng)目北側(cè)為城市道路,道路下方為已運(yùn)營杭州地鐵2號線某地鐵車站。

依據(jù)支護(hù)設(shè)計(jì)資料,新建地下通道基坑緊鄰車站結(jié)構(gòu),距離區(qū)間隧道最近水平距離約 3.9 m;特教綜合樓基坑結(jié)構(gòu)外墻與地下隧道區(qū)間距離約 26.3 m;該項(xiàng)目與軌道交通相對平面位置示意圖如圖4所示、相對剖面位置示意圖如圖5所示。

圖4 相對平面位置示意圖

圖5 相對剖面位置示意圖

3.2 場地巖土工程條件

依據(jù)巖土工程勘察資料,該項(xiàng)目基坑支護(hù)涉及的土層及其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)列于表1中。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3.3 監(jiān)測內(nèi)容和方法

該基坑工程位于城市軌道交通控制保護(hù)區(qū)[3]50 m范圍內(nèi),基坑開挖影響區(qū)間隧道與地鐵車站。為不影響軌道交通的正常運(yùn)營,本項(xiàng)目軌道交通結(jié)構(gòu)監(jiān)測采用自動(dòng)化監(jiān)測方案,監(jiān)測對象為車站和區(qū)間隧道,監(jiān)測內(nèi)容以水平位移、豎向位移和水平收斂為主。自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置定時(shí)坐標(biāo)采集,控制網(wǎng)工作基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)及監(jiān)測棱鏡初始值坐標(biāo)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中,坐標(biāo)采集時(shí)全站儀先通過網(wǎng)絡(luò)從計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中讀取控制網(wǎng)工作基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行后視定向,后視定向經(jīng)平差計(jì)算精度滿足設(shè)置要求后,再根據(jù)設(shè)置好的監(jiān)測斷面進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)采集,然后將坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸回計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中,以當(dāng)天多次測量的平均值作為監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算各個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目的變化量。水平位移、豎向位移及收斂按照公式(1)～(3)進(jìn)行計(jì)算。該項(xiàng)目監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)如圖6所示。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)圖

依據(jù)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)預(yù)評估報(bào)告,各監(jiān)測項(xiàng)目控制值、報(bào)警值及預(yù)警值如表2所示。按照本項(xiàng)目施工順序,進(jìn)行分階段控制:①圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工階段,各監(jiān)測項(xiàng)目報(bào)警值<1.5 mm;②地下通道基坑施工階段,車站水平位移報(bào)警值<3.6 mm,其他監(jiān)測項(xiàng)目報(bào)警值<3 mm;③特教樓基坑施工階段,車站水平位移報(bào)警值<4.8 mm,其他監(jiān)測項(xiàng)目報(bào)警值<4 mm。

表2 監(jiān)測項(xiàng)目控制值、報(bào)警值及預(yù)警值

3.4 自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本項(xiàng)目自2018年10月—2019年10月進(jìn)行樁基施工,2019年11月—12月進(jìn)行出入口及風(fēng)亭地下通道土方開挖,2020年1月—4月進(jìn)行出入口及風(fēng)亭地下通道主體施工,2020年6月—12月進(jìn)行特教綜合樓基坑土方開挖,2021年1月—4月進(jìn)行特教綜合樓地下主體施工,2021年4月底基坑施工達(dá)到±0,2021年5月進(jìn)行上部主體施工。

本項(xiàng)目各測項(xiàng)累計(jì)值隨時(shí)間變化曲線如圖7～圖12所示。由曲線可以看出隨著基坑深度的不斷開挖,軌道交通結(jié)構(gòu)的形變也隨之發(fā)生,越靠近基坑部位變形量越大,當(dāng)?shù)叵率沂┕ぶ痢?后,變形逐漸穩(wěn)定并有所回落。其中,在樁基施工階段對軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響較小,各測項(xiàng)最大累計(jì)變形量為 1.2 mm,小于設(shè)計(jì)報(bào)警值;在出入口及風(fēng)亭地下通道土方開挖施工階段各測項(xiàng)變形量均開始增加,最大累計(jì)變形量為 2.5 mm,小于設(shè)計(jì)報(bào)警值,且隨著地下室地板結(jié)構(gòu)澆筑完畢后部分回落;在特教樓基坑開挖及地下結(jié)構(gòu)施工階段軌道交通結(jié)構(gòu)變形量進(jìn)一步增加,此階段基坑開挖作業(yè)面大,時(shí)間周期長,基坑施工導(dǎo)致的時(shí)空效應(yīng)明顯,各測項(xiàng)中水平位移累計(jì)變化最大,達(dá)到了 4.7 mm,未超設(shè)計(jì)控制值,變化特征與場地地質(zhì)條件基本吻合,隨著地下結(jié)構(gòu)施工結(jié)束,軌道交通結(jié)構(gòu)變形亦逐漸趨于穩(wěn)定。

圖7 上行線累計(jì)水平位移隨時(shí)間變化曲線

圖8 上行線累計(jì)豎向位移隨時(shí)間變化曲線

圖9 上行線累計(jì)水平收斂隨時(shí)間變化曲線

圖10 下行線累計(jì)水平位移隨時(shí)間變化曲線

圖11 下行線累計(jì)豎向位移隨時(shí)間變化曲線

圖12 下行線累計(jì)水平收斂隨時(shí)間變化曲線

由于本項(xiàng)目涉及的城市軌道交通結(jié)構(gòu)大部位于性狀較差的黏質(zhì)粉土與淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中,但底部位于性狀較好的可塑～硬可塑狀粉質(zhì)黏土或黏土中,因此在受周邊外部作業(yè)影響會(huì)產(chǎn)生一定量的形變,其形變以往基坑方向的水平位移為主,相應(yīng)的水平收斂也會(huì)產(chǎn)生影響,豎向位移變化相對較小,各項(xiàng)目監(jiān)測項(xiàng)目數(shù)據(jù)變化與地質(zhì)條件基本吻合。經(jīng)監(jiān)測成果分析認(rèn)為,該項(xiàng)目形變監(jiān)測方案科學(xué)、合理,監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠,有效保障了基坑施工過程中城市軌道交通的安全運(yùn)行,達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)期要求。

4 結(jié) 語

城市軌道交通結(jié)構(gòu)受周邊外部作業(yè)影響會(huì)產(chǎn)生形變,一個(gè)完善的監(jiān)測體系能及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握軌道交通結(jié)構(gòu)形變的變化趨勢,為城市軌道交通結(jié)構(gòu)病害治理提供數(shù)據(jù)支撐,為其安全運(yùn)營提供保障。