地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)與分析預(yù)報(bào)方法研究

摘 要：本文主要是以地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)為核心，對(duì)變形產(chǎn)生主要原因、監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的應(yīng)用及相關(guān)數(shù)據(jù)分析進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道變形；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)；預(yù)報(bào)方法

隨著城市化進(jìn)程逐步加快，地下隧道交通運(yùn)輸業(yè)深入發(fā)展。地鐵隧道在施工與投入運(yùn)營(yíng)中，隧道結(jié)構(gòu)受到外部水文、地質(zhì)及周邊區(qū)域施工等要素影響，會(huì)出現(xiàn)不同程度變形與裂縫等病害，因此做好隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，提升隧道穩(wěn)定性至關(guān)重要。

1 地鐵隧道變形的主要原因分析

1.1運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)變形

運(yùn)營(yíng)期地鐵結(jié)構(gòu)變形主要有軌道結(jié)構(gòu)和隧道結(jié)構(gòu)兩種變形形式，其中軌道結(jié)構(gòu)變形主要是由于地鐵列車長(zhǎng)期荷載對(duì)軌道產(chǎn)生反復(fù)作用力，導(dǎo)致軌道發(fā)生幾何偏差，對(duì)軌道穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。軌道變形將會(huì)導(dǎo)致列車運(yùn)行中發(fā)生不同程度振動(dòng)問題，降低乘客舒適度，也會(huì)加劇結(jié)構(gòu)部件損壞，影響列車行車安全。隧道結(jié)構(gòu)變形主要是隧道周邊區(qū)域施工活動(dòng)產(chǎn)生的加載、負(fù)荷等會(huì)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的變形，此類變形也會(huì)影響軌道平整度，影響軌道結(jié)構(gòu)變形。

1.2施工期結(jié)構(gòu)變形

地鐵隧道施工一般應(yīng)用盾構(gòu)、淺埋暗挖等方法，若在施工期間對(duì)盾構(gòu)機(jī)的土倉(cāng)壓力、盾尾注漿量、掘進(jìn)速度等各項(xiàng)參數(shù)控制不好的情況下會(huì)對(duì)地下巖土?xí)a(chǎn)生較大擾動(dòng)性，破壞土層平衡條件導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形；若是開挖施工期間開挖深度擴(kuò)大或支護(hù)不及時(shí)也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形；所以在隧道施工期間要對(duì)隧道結(jié)構(gòu)與隧道地表進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，這樣能夠?yàn)樘嵘_挖施工安全性提供有效數(shù)據(jù)。

2 地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

2.1地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前以地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)信息為主要管理對(duì)象，對(duì)結(jié)構(gòu)變形實(shí)際發(fā)展情況進(jìn)行分析，合理應(yīng)用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析技術(shù)、信息管理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形信息進(jìn)行存儲(chǔ)，通過預(yù)處理、信息管理分析與預(yù)警等，能為結(jié)構(gòu)分析提供有效的資源，真實(shí)反饋出項(xiàng)目整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為隧道變形監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)建立提供參考數(shù)據(jù)，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)及安全監(jiān)測(cè)專家系統(tǒng)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2.2三維變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

三維變形監(jiān)測(cè)技術(shù)也能稱為激光雷達(dá)技術(shù)，在測(cè)量中應(yīng)用此技術(shù)能夠避免人工操作誤差，獲取的幾何圖像主要是應(yīng)用掃描棱鏡發(fā)射的激光點(diǎn)云進(jìn)行收集。借助激光快捷的測(cè)距性能，能夠構(gòu)建三維空間模型。在監(jiān)測(cè)區(qū)域中按照軌道中心線位置設(shè)置測(cè)量控制網(wǎng)。判定隧道中心點(diǎn)位置，然后布設(shè)橫斷面，間距控制為3m，在墻壁垂線、項(xiàng)目地基、穹拱上布設(shè)反射標(biāo)靶，便于三維激光掃描之后收集點(diǎn)云。現(xiàn)階段在地鐵隧道項(xiàng)目中進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，通過不間斷監(jiān)測(cè)能夠提升隧道結(jié)構(gòu)安全性。應(yīng)用測(cè)量機(jī)器人完成各項(xiàng)目標(biāo)，借助遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)地鐵側(cè)墻垂線、隧道結(jié)構(gòu)、路基進(jìn)行監(jiān)控[1]。

3 地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)分析與預(yù)報(bào)方法探析

3.1工程應(yīng)用

在某項(xiàng)地鐵隧道工程中應(yīng)用三維激光掃描方法對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在此項(xiàng)目隧道1號(hào)線位置上方有大型市政基坑施工，對(duì)隧道原有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大影響。變形區(qū)域主要是從K15+493到K15+679，在此段監(jiān)測(cè)中，能夠得出以下結(jié)論：隧道最大變形達(dá)到+1.86mm，變形點(diǎn)累積變形量最大達(dá)到+10.1mm。對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，本項(xiàng)目施工中對(duì)隧道結(jié)構(gòu)累積變形超出+10mm，因此市政工程對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生了較大影響。與過去傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)方式相比，通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)連續(xù)性監(jiān)測(cè)，獲取的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更高，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)更加準(zhǔn)確。

3.2測(cè)量機(jī)器人的合理布設(shè)

在隧道項(xiàng)目變形監(jiān)測(cè)中通過自動(dòng)化電子全站儀能夠進(jìn)行監(jiān)測(cè)，此類設(shè)備在業(yè)界中被稱為測(cè)量機(jī)器人，能夠自動(dòng)化對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探查與辨認(rèn)。在各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)遵循布設(shè)全站儀自由設(shè)站基本原則能夠?qū)τ^測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。在觀測(cè)點(diǎn)中可以布設(shè)反射片，擴(kuò)大感光率，使得獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性更高。再借助計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件對(duì)獲取的三維坐標(biāo)進(jìn)行處理，能掌握監(jiān)測(cè)位置三維坐標(biāo)變化情況，通過△x、△y、△z進(jìn)行表示。實(shí)際操作如下，在地鐵隧道管片上安置觀測(cè)墩，觀測(cè)點(diǎn)反射片安裝數(shù)量控制在6至16片，安裝區(qū)域在軌道固定點(diǎn)、墻體垂線、管片位置，通過機(jī)器人自動(dòng)采集各類坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳遞到控制器中。

3.3設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)與工作基點(diǎn)

在本項(xiàng)目隧道工程變形監(jiān)測(cè)過程中，在車站中布設(shè)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在不同出入段可以設(shè)置3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。在基點(diǎn)布置過程中，可以在中部位置隧道側(cè)墻上布設(shè)長(zhǎng)度為400mm的托架，在左線及左端入線段設(shè)置工作基點(diǎn)。變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)能夠結(jié)合相應(yīng)要求對(duì)斷面進(jìn)行布設(shè)，不同斷面需要布設(shè)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)中要配置反射棱鏡。

3.4數(shù)據(jù)分析

地鐵隧道工程變形監(jiān)測(cè)主要是為了獲取多項(xiàng)變形數(shù)據(jù)，掌握隧道和軌道基本運(yùn)行現(xiàn)狀，便于后期投入運(yùn)營(yíng)中發(fā)生各類事故之后有數(shù)據(jù)能夠參照。傳統(tǒng)化單一的監(jiān)測(cè)模式開始轉(zhuǎn)為立體交叉多元化監(jiān)測(cè)模式，采集數(shù)據(jù)也朝著連續(xù)性方向發(fā)展。在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、時(shí)間序列、回歸分析、卡爾曼濾波等不同的智能分析方法中，能夠全面促進(jìn)變形動(dòng)態(tài)模型的發(fā)展。卡爾曼濾波算法就是在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中通過狀態(tài)方程，結(jié)合空間攝影理論獲取狀態(tài)估計(jì)信息。其狀態(tài)方程為Xk+1=Фk+1，kXk+ψk+1，kUk+1+Гk+1，kΩk+1。其中X表示狀態(tài)向量，L是觀測(cè)向量，U是控制向量。

結(jié)語

在地下隧道工程中出現(xiàn)變形問題難以避免，通過關(guān)鍵的三維監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠?qū)こ踢M(jìn)行快速的變形監(jiān)測(cè)，為后續(xù)地鐵隧道項(xiàng)目建設(shè)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]陳能輝.地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)分析[J].大科技，2016（34）：192-193.

作者簡(jiǎn)介：

胡衛(wèi)東，男，1989.12，漢，安徽省黃山市，本科，助理工程師