測量機器人在黃土地區地鐵結構安全保護中的應用

胡自全， 胡銀林， 姜雁飛， 裴洪濤

(1. 西安市地下鐵道有限責任公司， 西安 710018; 2. 遼寧科技大學礦業工程學院， 遼寧鞍山 114051)

測量機器人在黃土地區地鐵結構安全保護中的應用

胡自全1， 胡銀林2， 姜雁飛1， 裴洪濤1

(1. 西安市地下鐵道有限責任公司， 西安 710018; 2. 遼寧科技大學礦業工程學院， 遼寧鞍山 114051)

以西安地鐵2號線安全保護區內施工的南門廣場改造提升項目及南門隧道工程為依托，對永寧門車站及鐘樓站—永寧門區間隧道進行測量機器人自動化監測。通過對監測數據的分析，證明自動化監測具有較高的可靠性，可代替傳統測量手段應用于地鐵結構的安全監測。研究顯示，受上覆土體開挖的影響，盾構隧道會出現隆起及豎橢圓受力變形。

城市軌道交通； 測量機器人； 監測； 地鐵結構安全； 隧道； 黃土

西安是世界上第一個在黃土地區大規模建設地鐵工程的城市。西安市區域地質構造為沉降凹陷區，底部片巖及花崗巖上覆5 500～6 000 m厚度的新生界沉積，第四系沉積厚914～1 095 m，距地表15 m以內的黃土大部分有較強濕陷性。這些黃土具有高壓縮性、濕陷性、隨含水量的增高抗剪強度急劇減小的特點，當地下水埋深較淺時，濕陷性黃土在地下水的作用下，呈飽和狀態，簡稱飽和軟黃土，其具有軟、流塑性、易變形、自穩性較差、承載力低的特點[1]。西安地鐵線網規劃范圍內有較大厚度的第四紀堆積層，上部以黃土、古土壤為主，下部以粉質黏土夾砂層為主。地下車站和區間的埋深在地面以下39 m以內，主要處于黃土地層，局部地區在全斷面砂層、富水河卵石地層等[2]。

西安南門廣場改造提升項目一期工程和南門隧道工程，其基坑侵入地鐵2號線永寧門站和永寧門站—鐘樓站區間的控制保護區范圍內，安全控制等級為特級[3]。為保護地鐵2號線的結構安全和運營安全，承包商對工程影響范圍內的地鐵隧道實施測量機器人自動化監測，以實現信息化施工；同時積累研究資料，為本地區類似工程項目的設計和施工提供參考依據[4]。

1 工程概述

西安市南門廣場改造提升項目一期工程和南門隧道工程分為3個部分：南區擬建為地下2層停車庫，北區擬建為地下1層演職人員用房，南、北區之間為南門隧道工程，見圖1。南區基坑開挖面積約14 850 m2，深度為11.5 m，基坑緊臨永寧門站；北區基坑開挖面積約4 200 m2，深度約6.5 m，北鄰護城河及西安古城墻，下部為永寧門站—鐘樓站區間盾構隧道；南門隧道開挖深度約9 m，基坑底部至區間盾構隧道最小凈距為1.97 m。

南門廣場改造提升項目南區基坑單層部分面積約為500 m2，最大開挖深度約6.7 m，基坑底距區間頂約4.2 m，卸荷比例為62%，卸載后土體符合工程抗浮設計要求。北基坑開挖深度6.8 m，距離區間頂約 5.6 m，區間上部卸荷面積約1 600 m2，卸荷比為56%，卸載后剩余土體滿足盾構區間抗浮要求。市政下穿隧道工程開挖最大深度約為9 m，距離區間頂約2.1 m，區間上部卸荷面積約2 600 m2，卸荷比為81%。

圖1 工程平面示意Fig.1 Schematic diagram of engineering

地表為全新統人工填土，土質布局疏密不均，在地下排污管道滲漏處和地下水位線變化處含水量較高；其下為上更新統風積新黃土(局部為飽和軟黃土)及殘積古土壤，再下為粉質黏土、粉土、細砂、中砂及粗砂等[5]，濕陷等級為Ⅰ級(輕微)～Ⅱ級(中等)，有部分飽和軟黃土分布，埋深在水位附近，屬非自重濕陷性黃土場地，地下水位深度為6.10～11.50 m，相應高程395.22～404.21 m，地下水位年變幅為2.0 m左右，工程地質如圖2所示。

圖2 工程地質剖面Fig.2 The profile of engineering geology

本工程上跨已經運營的地鐵盾構隧道，施工過程中可能存在以下風險：

1) 基坑正常開挖卸載引發基底隆起或側向變形，從而導致正在運營的盾構隧道發生變形,結構變形會導致軌道變形，若超過限值將影響地鐵的運營安全；

2) 隧道的變形及上部卸載產生偏壓作用，導致內力重新分布，從而可能引起管片開裂或螺栓被拉壞，或盾構隧道與車站接口處發生破壞；

3) 永久結構施工完成后，建筑物對地基的壓力可能對隧道產生附加壓力作用，在此荷載作用下，隧道內力及變形可能超限；

4) 在基坑傾覆或地層大幅失水的情況下，隧道的內力及變形可能超限。

為研究工程施工對已建成地鐵工程的影響，筆者根據地質勘察及設計文件對基坑開挖過程進行仿真研究，如圖3所示。市政隧道開挖后的區間豎向位移，最大值增加至9 mm，所有結構施作完成后區間的最大隆起量回落至4 mm，基坑開挖完成后盾構隧道的總位移基本以豎向隆起為主，拱頂處隆起量最大，拱底處最小，區間隧道有被拉為橢圓的趨勢。

圖3 隧道隆沉Fig.3 Tunnel subsidence

2 自動化監測系統研究及工程監測實施

2.1自動化監測系統的構成

根據物聯網體系架構建立的測量機器人自動化變形監測系統，支持DNS、HTTP和FTP協議，可以實現變形監測的自動化、可視化和遠程控制，具有高精度測量、穩定可靠的測量數據、本地化的解決方案、節省時間費用成本等特點。

測量機器人自動化變形監測系統(見圖4)包括感知層、網絡層、應用層，其系統構成簡述如下：

1) 感知層由測量機器人、基準點、監測點、無線控制器、電源及溫度、氣壓等傳感器等構成。電源為測量儀器設備、無線控制器、傳感器及其他裝備供給電力。基準點埋設在不受工程影響的穩定區域，各監測點進行測量時采用相同的儀器設備及作業流程。測量機器人通過后方交會基準點定向后，不進行溫度和氣壓的測定，直接測量監測點的坐標，然后對施測結果進行差分處理，即按極坐標的方法測量測站點至基準點和變形點的斜距、水平角和垂直角，將測站點至具有代表性氣象條件的基準點測量值與其基準值相比，求得差值[6-7]。監測數據經過通信網絡傳送到服務器，實現數據的備份及同步。

圖4 變形監測系統構成Fig.4 The Components of deformation monitoring system

2) 網絡層包含移動網絡、防火墻和服務器，移動網絡用于實現數據的傳輸，防火墻確保系統的網絡安全[8]。服務器通過系統控制軟件，即測量機器人變形監測系統的聯機測量模塊、數據管理分析及三維顯示處理模塊，進行系統的遠程操控、數據采集、存儲、數據分析、數據分發及警報發送。

3) 應用層包括手機終端、辦公電腦終端及其他手持電腦終端，它通過互聯網協議提供訪問、管理、電子郵件、短信息及虛擬終端服務。

2.2測量精度分析

測量機器人自動化監測采用極坐標法進行測量，為便于監測工作的開展，以隧道縱向為X軸，以水平垂直于隧道方向為Y軸，垂直于隧道方向為Z軸建立監測獨立坐標系。設(Xc,Yc,Zc)為測站坐標，(XJ,YJ,ZJ)為監測點坐標，L為測距，α為平面角度測量值，β為豎直角度測量值，可得

(1)

方差式為

(2)

坐標測量精度

(3)

平面測量精度

(4)

高程測量精度

(5)

收斂線的測量精度

(6)

本項目監測采用徠卡TM30全站儀，測角精度為0.5″，精密棱鏡測距精度為0.6mm+1ppm，取mα=±0.5″，mβ=±0.5″，L=200m，計算得mL=±0.8mm，mP≤±1.0mm，mh≤±0.9mm，mPm≤±0.9mm，mSL≤±1.44mm，即在200m測距范圍內，極坐標測量精度完全滿足規范要求的測量精度[9-10]，測量機器人完全滿足地鐵結構安全保護變形監測的需求。

2.3監測點布設

監測范圍位于永寧門地鐵站上、下行線隧道及永寧門站以北100m的雙線區間隧道。結構變形監測項目為拱頂沉降、隧道沉降、凈空收斂等，每5m設一個監測斷面[11]，監測斷面的布置間距根據現場具體情況進行調整，如圖5所示。

圖5 測點布置示意Fig.5 Schematic diagram of monitoring points′ arrangement

測量機器人安裝在監測工作區中部或兩端道床上方1.2m左右的位置，基準點布設在工程影響范圍以外的結構穩定區域。每一個監測斷面布設6個監測棱鏡，道床上布設1個沉降監測點，拱頂布設1個沉降監測點，中腰位置兩側各布設4個位移監測點，用于計算上下兩條收斂線的收斂值。

為了驗證機器人自動化監測系統的可靠性，在永寧門車站北端右線車站內選擇50m范圍進行人工監測，從進場施工到主體結構封頂期間每3周測量1次，隧道沉降和拱頂沉降采用水準儀測量，凈空收斂采用全站儀前方交會法測量棱鏡坐標，通過坐標反算棱鏡中心距離，測量結果與自動化監測數據進行對比分析[12-14]。

2.4控制值及監測頻率

本工程參考舊金山、倫敦、北京、廣州、深圳等地的類似工程經驗和深圳、上海地區的控制標準，綜合考慮各種因素，確定隧道結構變形安全保護監測控制指標：地鐵隧道、車站絕對沉降量及水平位移不大于20mm，凈空收斂不大于20mm[15]。當監測的變形值達到控制值的70%時發出預警，達到控制值的80%時發出報警。自工程降水實施開始監測工作，至本工程全部完成且車站和隧道結構穩定后結束監測。確定監測頻率為6h/次，在施工過程中根據實際需求調整頻率。

3 監測數據分析

3.1自動化測量數據的可靠性分析

測量機器人的測量精度和可靠性受監測網設計、測量儀器設備本身的精度和測量外部環境的影響。可以通過對監測網的優化設計和采用高精度的測量機器人除去前兩種因素帶來的影響。研究發現，列車的振動和氣流對監測精度影響不大。

基于對永寧門車站北端下行線試驗段人工監測數據和自動化監測數據的統計研究，得出兩種監測技術在拱頂隆沉、周邊收斂、隧道隆沉的數據對比圖，如圖6所示，圖中正值為隆起，負值為沉降。機器人自動化監測車站軌行區底部隆起、拱頂隆起和凈空收斂的數據與人工測量數據之差在[-1，+1]之間，證明自動化監測能較好地監測地鐵結構的變化值。

圖6 監測數據比較Fig.6 Contrast diagram of monitoring data

2013年6月中下旬的監測數據顯示，隧道結構滲水對隧道內部測量環境的改變會導致監測數據出現粗差。如圖7所示，在車站右線軌行區的1個監測點出現監測數據的突變，經現場排查發現是施工縫滲水導致測量數據出現粗差。

3.2上腹土體開挖對盾構隧道結構的影響

圖7 Y14+620車站軌行區底部沉降Fig.7 Track area subsidence in Y14+620

為研究在濕陷性黃土及飽和軟黃土條件下，鄰近地鐵的基坑施工及上腹土體開挖對地鐵結構產生的影響，選取上腹土體卸荷比最大的市政下穿隧道段區間盾構隧道監測數據進行分析。分別選取基坑開挖前、隧道基坑見底、隧道主體結構封頂、通車、隧道通車5個月后盾構隧道左線監測 數據，分 析 隧 道 底 部 沉 降、拱頂沉降、凈空收斂(上、下收斂線)，見圖8，圖中正值表示隆起，負值表示沉降。

圖8 隧道監測數據分析圖Fig.8 Data analysis chart of tunnel monitoring

開挖前，受工程降水的影響，鐘樓—永寧門區間盾構隧道底部和拱頂均出現沉降，沉降量小于3mm。基坑土方開挖卸載后隧道底部和拱頂均開始隆起，至2014年4月底南門隧道通車后隆起達到最大值，隧道底部最大隆起14.7mm，拱頂上浮13.2mm。這一階段拱頂上浮量小于隧道底部隆起量，隧道凈空收斂值在[-2，+2]之間，上下收斂線之差在[-1，+1]之間。

南門隧道通車后隧道呈下沉趨勢，其中隧道底部沉降速率大于拱頂沉降，隧道通車5個月后拱頂沉降與隧道底部沉降差均為正值，即隧道拱頂到道床的凈空變大。在隧道橫斷面布設的上、下收斂線的值均為負值，即隧道左右側壁凈空變小。拱頂沉降與隧道沉降之差得出的結論和隧道凈空收斂監測的數據相吻合。

根據監測數據統計分析發現，在工程開挖前受工程降水影響，盾構隧道周邊發生土體固結沉降及地下水水位降低，導致隧道產生的浮力降低，使隧道產生不大于4mm的沉降，且拱頂沉降略大于隧道底部沉降，收斂監測值變化為正值，使得隧道橫向中心線管片受到擠壓，如圖9(a)所示，在這個階段盾構隧道呈整體沉降，并有向橫橢圓變化的趨勢。

隨著盾構隧道上腹土體的開挖，盾構管片上方的土體壓力逐漸減小，盾構隧道整體上浮，且拱頂上浮量大于隧道底部，收斂變化為負值，在這個階段盾構隧道呈整體上浮，并有向豎橢圓變化的趨勢，如圖9(b)所示。

南門下穿隧道封頂后，受上方構筑物自重壓力的影響，盾構隧道有出現沉降的趨勢，但由于構筑物的自重小于原隧道上方土體的質量，盾構隧道相比于開挖前的隧道仍有上浮。這和工程研究階段數值模擬的開挖過程,即隧道變化以豎向隆起為主，拱頂處最大，隧道底部處最小，隧道有被拉為橢圓的趨勢相一致。基坑開挖見底后，盾構隧道持續隆起，至主體結構封頂后達到穩定值，是數值模擬時所沒有預見到的。

圖9 管片變化趨勢Fig.9 Change tendency of tunnel structure

4 結論

本文以西安市南門廣場改造提升項目一期工程為依托，對處于黃土地區地鐵車站及區間盾構隧道實施測量機器人自動化監測，對比分析研究各施工階段采集的監測數據，結論如下：

1) 通過對測量機器人自動化測量數據與人工測量數據對比發現，測量機器人自動監測系統完全能夠代替人工測量應用在地鐵工程結構安全保護工作中，監測區域結構滲漏水，可能會引起自動化監測數據出現粗差。

2) 在基坑開挖前降水階段，盾構隧道整體沉降，并呈橫橢圓受力變形狀態；黃土地區上腹開挖的盾構隧道，受土體卸荷的影響，盾構隧道呈整體上浮的趨勢變化，襯砌環呈豎橢圓受力變形狀態；主體結構封頂后隧道出現沉降，并逐漸達到穩定狀態。

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Application of Measuring Robot in Safety Protection of Subway Structure in Loess Area

HU Ziquan1, HU Yinlin2, JIANG Yanfei1, PEI Hongtao1

The upgrading project in the South Gate Plaza and the project of South Gate tunnel located in the safety protection area of Xi'an Subway Line 2 are studied. The automatic monitoring by the measuring robot is adopted for Yongningmen station and the sectional tunnel between the Zhonglou station and Yongningmen station. The analysis of the monitoring data proved that the automatic monitoring system with high reliability could replace the traditional means of measurement used for safety monitoring for subway structures. Research shows that the shield tunnel will uplift and has vertical elliptical deformation influenced by upper soil excavation.

urban rail transit; measuring robot; monitoring; protection structures of subway; tunnel; loess

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.016

2016-10-31

2016-11-30

胡自全，男，碩士，工程師，從事城市軌道交通工程建設技術管理工作,287113131@qq.com

U231

A

1672-6073(2017)05-0087-06

(編輯：郝京紅)