自动化监测技术在地铁隧道施工中的应用

在当前的城市经济建设项目推进过程中，地铁交通项目占有十分重要的地位，也得到了我国及各级政府的重视。在实施基础项目的建设时，地铁施工的监测作为重要的工作内容，可获取更高精度和频率的数据信息。监测工作应使用行业先进的测量设备和技术类型，从而促使城市地铁施工的监测效率达到理想程度，使地铁项目的实施更为稳定。


1、 地铁隧道项目施工监测现状


当前我国在实施地铁隧道监测时，仍倾向于使用人工的方式完成，其测量方式较为简单，且技术水平较为成熟。但人工监测方式也存在一定的问题，如在时效性和监测效率、成本及安全性等方面均存在不足。而将自动化的监测技术引入施工监测中，便可有效改善上述问题，故其成为监测工作发展的主要方向。自动化监测技术的应用能够实现在无人看守的情况下对隧道项目施工情况进行监测，并能高效地对相关数据进行分析，有效弥补人工测量方式的局限性。在我国目前的隧道施工中，隧道的横向与纵向变形、管径收敛变形等是施工监测的主要内容。其中对管道的纵向变形监测，需使用电子水平尺和水准系统协同完成。静力水准系统能够获取较为精准的监测结果，并能够监测较大的范围，因此该类技术也成为实施隧道纵向变形监测的主要手段。而针对小范围的监测，可使用电子水平尺来完成，但会出现一定的误差。对于隧道的横向和管径收敛变形等内容的监测，主要使用全站仪来完成。但全站仪如果具备对目标的识别功能，便会对数据的准确性造成一定的影响，因此若将其应用于大范围的监测工作中，便无法保证其精确度。


2、自动化监测的意义和目的


地铁隧道的结构会受到地基变形、内部应力、外部荷载等变化的影响，从而产生沉降情况，而引起外部荷载变化的主要原因为地铁周围的项目实施。如果地铁结构发生的变形和沉降值已经超过了标准范围，便会对地铁运营的安全性造成更为直接的影响。对地铁结构实施自动化的监测手段，能够全天无人实时监测，可远程获取隧道发生沉降或者变形的数据信息，随时了解排水箱涵工程实施对隧道稳定性产生的影响。技术人员可结合数据的分析结果对排水箱涵工程进行指导实施，同时准备可行的应急预案，从而保证排水箱涵施工不会对隧道结构的稳定性造成影响。实施自动化监测主要能够达成下述目标。


（1）技术人员对测量的数据进行科学分析，从而掌握隧道和围岩稳定性的形成规律，深入分析影响隧道及围岩稳定性的条件，从而适当修改基坑设计的具体参数指标。


（2）自动化监测可全面了解施工所使用的具体方法和途径的科学性，从而能够及时发现问题，并对采取的方案进行修整和完善，从而保证隧道施工的安全性。


（3）可系统了解实施排水箱涵施工过程中，地铁结构在不同位置所出现的垂直和水平方向的具体变位的情况。


（4）可实时掌握隧道结构发生变形的情况，提升施工的数字化水平，利用监测结果指导设计的修改与完善，为改进施工方案提供指导，不断总结经验，为施工项目提供更高质量的工艺类型，作为以后开展类似工程的技术参考。


3、地铁隧道施工中的自动化监测策略


3.1  监测项目


结合具体的施工特征及环境因素、地下管线铺设及地面承载的交通等方面的情况，锁定工程主要的监测目标

登录/注册后可看大图

3.2  地表沉降观测


3.2.1  量测的方法
技术人员应按20~25 m 一个断面对地表的沉降点进行布设。使用精密水准测量方式实施观测工作。


3.2.2  基点埋设方法
基点应选择在不受沉降影响的区域内埋设，且埋设地点应尽量开阔，视野条件好，基点的埋设应达到一定的稳定性。


3.2.3  沉降点的埋设
实施地表沉降的监测点，预埋件应使用 18 mm 圆钢制作而成，其长度应为50 cm。对于测点的埋设，应达到下述要求：先在测点埋设的位置挖长、宽、深为50 cm 左右的坑，此后在坑中放入观测点预埋件，用 C20混凝土将测点周围进行填充，最终达到凝固为止。隧道中心线两侧应在 HO+B 以上，实施地表下沉的实施监测。观测的断面应与洞内保持一致，且每个断面的测点间距应在2~5 m，同一断面应设置7~11个点。


3.2.4  观测
具体可使用精密水准测量方式实施观测。可综合使用基准点、工作基点及观测点协同作业的方式完成具体的观测任务。每次进行观测时，将基准点及工作基点进行闭合，完成水准观测，同时平差。实施观测工作时，应合理控制限差，每个测点的读数误差应控制在0.3 mm 以内，如果观测点不在同一水准路线，则测站数量控制在3个以内。如数量超过3个，应对后视点读数进行重新读取，作为核对的依据。首次实施观测时，应对测点连续进行3次观测，3次形成的高程差应在±1.0 mm 范围内，3个数据的平均值即为初始值。具体开展施工之前，应通过水准测量完成初始高程 HO 的测量，在施工时测量出的高程为 Hn，那么所产生的高差 ΔH=Hn － Ho 便是沉降值。


3.2.5  分析数据
具体的实施步骤为绘制时间轴、位移图表，如果曲线处于正常的状态，则表示位移随施工的完成度逐渐趋于稳定。如果偏离正常范围，出现了反弯点，便表示地表下沉点出现了激增的情况，此时围岩基于支护措施已不够稳定，应立即将相关信息进行上报处理。


3.3  隧道周边收敛与拱顶下沉观测


3.3.1  拱顶沉降
（1）埋设相应的测点。可在一个断面布设20~25 m 沉降点，使用冲击钻在中心线位置钻孔，此后将 8 mm、长50 mm 的钢筋放入其中，周边用水泥砂浆进行填平处理。
（2）测量方式。实施高程联系测量时，需将地面基点的高程引向横通道的临时基准点。实施现场测量时，需使用悬挂钢尺完成高程的传输，将钢尺挂于支架，零端放入基坑，同时在该端挂一重锤。
（3）整理资料。在计算变化量方面，可将本次产生的拱顶高程与之前同点号的高程差作为变化量，与同点号的初始高程差作为累计的变化量。对于符号的相关规定 ：拱顶上升用“+”表示，下降用“－”表示，并用上述符号编制观测报表和变形曲线图。


3.3.2  净空收敛
（1）埋设测点。对于净空收敛点可按20~25 m 实施断面布设，使用冲击钻在拱腰处钻孔，将 8 mm、长50 mm 的钢筋放入孔中，最后用水泥砂浆填平。拱顶沉降及净空收敛断面如图1所示。

登录/注册后可看大图

（2）使用的监测方法。
1）对预埋测点的损坏、松动及清洁性等方面进行细致检查。
2）将收敛计钢尺的摇把打开，将尺头挂钩放置在测点孔内，把收敛计拉向另一端的监测点，按照适合的尺寸插入尺孔销，达到规定的稳定效果。
3）观察并调整螺母，使塑料窗口上的刻线位置与窗口内标尺的2条白线相重合。
4）记录在联尺架端时钢尺产生的基线长度。为进一步提升测量的准确性，每条基线应测量3次，计算结果平均值。如果3次读数极差高于0.05 mm，则需重新测试。
5）实施测试时，如果读数已经高于25 mm，则需将钢尺收拢25 mm 再次测量。将两次的数值相减，便可作为尺孔的真实间距，从而抵消钢尺冲孔距离不准而形成的误差。
6）完成1条基线的测量后，应立即反向旋转螺母，摘下收敛计，打开尺卡，为下次使用做好前期准备。


3.4  建筑物的沉降监测


3.4.1  建筑物的位移监测目的
对建筑物的位移情况进行监测，主要是对建筑物的位移量进行测量，了解施工阶段基础桩所具有的稳定性，从而为设计和施工部门提供参考，使其能够采取更为科学的施工方案，提升施工的总体质量。


3.4.2  建筑物的位移监测
（1）测点埋设。对于建筑物位移的监测点设置，可结合不同的监测目标使用不同的埋点方式，对于框架、砖混结构的监测目标，可用钻孔埋入标志测点实施。实施各类测点的埋设工作时，应着重注意避让雨水管、电器开关等障碍物，同时结合具体的立尺需将墙面与地面距离控制在标准范围。完成测点埋设后，还需在立尺部位涂抹防腐剂。
（2）监测方法与地表沉降监测方法相同。


3.5  周边管线的沉降监测


使用独立的水准系，设置2组稳定性较强的基准点。应在国家统一的Ⅱ等测量规范要求下实施测量工作，将闭合差控制在 ±0.5n1/2范围内，其中 n 为测站数。各监测位置的高程由通过水准基准点的闭合线路构成，通过线路中的工作点对监测点高程实施测量。
测点埋设：需在管线所对应的地表完成间接观测点的埋设。将直径大于10 cm、长度大于50 cm 的钢筋放置在地表钻孔内，测点底部与管线顶部的距离应在0.3 m 左右，最后用混凝土填实。实施沉降监测点的埋设过程中，应留心核查管线的具体位置，保证测点能够准确获取管线变形的信息，在埋设测点前应确定是否存在其他管线，从而保证测点埋设的安全性。




文章来源：文章收录于《建筑技术开发》第48卷第2期