運(yùn)營高速鐵路隧道實(shí)時(shí)變形監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

張 拯， 莫傲然， 王軻軒， 曹云穎

(1.四川交大工程檢測咨詢有限公司，四川 成都 610031；2.成都天佑智云科技發(fā)展有限公司，四川 成都 610031；3.成都翰誠科技有限公司，四川 成都 610031；4.中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司成都高鐵工務(wù)段，四川 成都 610000)

高鐵速度快，平穩(wěn)性高，行駛速度超過250 km/h，最高可達(dá)350 km/h，高速鐵路軌道線路需要具備特別高的平順性，才能保證高鐵在高速行駛過程中具有很高的舒適性和安全性。臨近高速鐵路隧道施工作業(yè)，土方開挖、機(jī)械振動(dòng)等施工影響使得區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力重新分配，可能致使高鐵運(yùn)營線路隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆性變形，危及高鐵區(qū)段安全平穩(wěn)運(yùn)營。對受施工影響的高鐵區(qū)段進(jìn)行變形監(jiān)測是保證高鐵安全性和平順性的必要手段。

實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)能夠做到同步連續(xù)監(jiān)測，能夠滿足多測點(diǎn)、高頻次監(jiān)測的要求。同時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)一次布設(shè)便可持續(xù)發(fā)揮無縫實(shí)時(shí)監(jiān)測作用，滿足運(yùn)營期高鐵隧道的變形監(jiān)測需求。本文結(jié)合受下穿施工影響的某運(yùn)營期高速鐵路隧道變形監(jiān)測工程，從安全、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的需求出發(fā)，構(gòu)建實(shí)時(shí)自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)，變形監(jiān)測數(shù)據(jù)采集采用靜力水準(zhǔn)儀，融合通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對受下穿施工影響的運(yùn)營期高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測。

1 項(xiàng)目概況

某城市新建地鐵9#線隧道采用盾構(gòu)法施工隧道壁襯砌的環(huán)寬為1.5 m，鋼筋混凝土管片的外徑為6 700 mm，內(nèi)徑為6 000 mm，抗?jié)B等級和襯砌強(qiáng)度分別為P12和C50。隧道下穿某高鐵隧道區(qū)段，為了確保高速鐵路的安全，需要對受施工影響的高鐵隧道區(qū)段進(jìn)行變形監(jiān)測以驗(yàn)證下穿隧道施工對受影響高鐵區(qū)段的影響。

1.1 監(jiān)測方案

根據(jù)現(xiàn)場情況并且結(jié)合相關(guān)規(guī)范，本項(xiàng)目監(jiān)測內(nèi)容主要為：對受下穿施工影響的隧道區(qū)段K12+900～K13+020段進(jìn)行實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測，并通過人工周期沉降監(jiān)測對實(shí)時(shí)監(jiān)測成果進(jìn)行檢核。

從高鐵隧道里程K12+900開始每隔10 m設(shè)置一個(gè)斷面，每個(gè)斷面包括2個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)和3個(gè)人工監(jiān)測點(diǎn)。實(shí)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)固定于隧道兩側(cè)電纜槽上方20 cm的隧道襯砌上；人工監(jiān)測點(diǎn)分別位于隧道中線底座板上和實(shí)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)上方0.5 m的位置處，基準(zhǔn)點(diǎn)布置在受影響區(qū)段范圍的隧道襯砌上。圖1所示為項(xiàng)目現(xiàn)場的監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)位置圖，人工監(jiān)測點(diǎn)39個(gè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)26個(gè)，基準(zhǔn)點(diǎn)4個(gè)。

圖1 沉降自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)測時(shí)段覆蓋下穿運(yùn)營期高速鐵路交叉施工全過程，實(shí)時(shí)監(jiān)測采用24 h不間斷自動(dòng)化測量手段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，人工周期監(jiān)測每周1～2次，下穿施工時(shí)1次/d，用于對實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)檢核。

1.1.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測

自動(dòng)化實(shí)時(shí)變形監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集器(液體靜力水準(zhǔn)儀)、遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心三部分構(gòu)成。

將靜力水準(zhǔn)儀基準(zhǔn)點(diǎn)安置在一個(gè)穩(wěn)定的點(diǎn)，其他監(jiān)測點(diǎn)水準(zhǔn)儀安置在高度相同的位置，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生沉降時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)水準(zhǔn)儀內(nèi)的液面會(huì)上升，反之則會(huì)下降。不同監(jiān)測點(diǎn)水準(zhǔn)儀內(nèi)液面的高度升降，可以計(jì)算出每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)水準(zhǔn)儀的累計(jì)沉降量[1]。

本項(xiàng)目采用振弦式液體靜力水準(zhǔn)儀，其主要技術(shù)指標(biāo)[2-3]：標(biāo)準(zhǔn)量程，100 mm；傳感器精度，±0.1%FS(±0.1 mm)；傳感器靈敏度，0.025%FS；溫度范圍，-20～+80℃(使用防凍液)。液體靜力水準(zhǔn)儀中灌入適當(dāng)防凍液，以減小溫度變化對監(jiān)測結(jié)果的影響。

該系統(tǒng)在智能化計(jì)算機(jī)軟件的支持之下，通過無線的方式控制液體靜力水準(zhǔn)儀對監(jiān)測主體變形情況進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，在24 h無人值守的情況下，以亞毫米級的精度全天候監(jiān)測目標(biāo)變形。

1.1.2 人工沉降監(jiān)測

沉降變形的量測方法很多，但各種方法的使用條件不一，在方法選擇和施測時(shí)應(yīng)合理選擇。采用高精度全站儀三角高程測定監(jiān)測點(diǎn)的高程變化量(沉降量)。人工周期測量主要使用全站儀進(jìn)行測量，其主要技術(shù)指標(biāo)：水平角觀測測回?cái)?shù)為6；測角對中誤差為1″；測邊相對中誤差≤1/100 000；每邊測回?cái)?shù)，4測回；距離-測回讀數(shù)較差為1.0 mm；距離單程各測回較差為1.5 mm；氣象數(shù)據(jù)測定的最小讀數(shù)，溫度0.2 ℃；氣壓50 hPa。測量作業(yè)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求執(zhí)行，每期監(jiān)測任務(wù)完成后檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否滿足精度要求，如不滿足則重新觀測[4]。

1.2 預(yù)警值設(shè)置

在不限速條件下，按照《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》(TB 10182-2017)的規(guī)定，因下穿施工受影響的高速鐵路豎向位移的限值為2 mm。本監(jiān)測方案中采用三級預(yù)警機(jī)制，結(jié)合實(shí)際工程，各級預(yù)警值設(shè)置為：Ⅰ級預(yù)警，1.6 mm；Ⅱ級預(yù)警，1.8 mm；Ⅲ級預(yù)警，2.0 mm。

2 監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測結(jié)果分析

靜力水準(zhǔn)儀實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測期間，外界溫度的變化會(huì)對液面的升降產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的波動(dòng)。同時(shí)，高速列車通過時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致液面的波動(dòng)。為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)能真實(shí)有效地反映隧道監(jiān)測斷面沉降變化趨勢，驗(yàn)證外界溫度變化和高速列車通行產(chǎn)生振動(dòng)對實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，在實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試完成后，高鐵隧道每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的每日累計(jì)沉降量為當(dāng)天所測量數(shù)據(jù)的平均值，分析26個(gè)監(jiān)測點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)水準(zhǔn)儀的液面高度隨時(shí)間變化的值如圖2所示，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)水準(zhǔn)儀相對于基準(zhǔn)點(diǎn)水準(zhǔn)儀的變化值如圖3所示。

圖2 各監(jiān)測點(diǎn)靜力水準(zhǔn)儀液面高度變化

圖3 各監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降變化

從圖2可以看出，各靜力水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性，其波動(dòng)幅度主要跟現(xiàn)場施工強(qiáng)度有關(guān)。在監(jiān)測前10 d期間，主要受隧道中列車頻繁經(jīng)過影響，液面變化較穩(wěn)定，中后期下穿隧道進(jìn)行施工，現(xiàn)場受土方開挖、機(jī)械振動(dòng)等影響，靜力水準(zhǔn)儀液面變化較大。

累計(jì)沉降是各監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)變化量與基準(zhǔn)點(diǎn)累計(jì)變化量的差值，能真實(shí)反映受下穿施工影響的隧道斷面的沉降變化，如圖3所示。下穿施工尚未進(jìn)行期間，監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降波動(dòng)范圍在-0.2～0.5 mm內(nèi)；下穿施工進(jìn)行時(shí)，施工強(qiáng)度加大，累計(jì)沉降在-1.4～-0.2 mm內(nèi)波動(dòng)。整個(gè)監(jiān)測期間，所有監(jiān)測點(diǎn)沉降變形趨勢保持一致。監(jiān)測點(diǎn)7A的沉降變化量最大，累計(jì)沉降達(dá)到1.39 mm，而此斷面另一監(jiān)測點(diǎn)7B的累計(jì)沉降變化量是1.32 mm，所有監(jiān)測點(diǎn)沉降變化量均小于Ⅰ級預(yù)警值1.6 mm。

2.2 實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

為了檢驗(yàn)實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要對各監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降量的均值、最大絕對偏差和中誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。最大絕對偏差表示數(shù)據(jù)相對于均值的變化范圍，中誤差表示數(shù)據(jù)相對于均值的離散程度，最大絕對偏差和中誤差越小，代表監(jiān)測數(shù)據(jù)越穩(wěn)定[5]。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)分析

從表1中可以看出，各監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降值的均值、最大絕對偏差和中誤差均較小，說明監(jiān)測點(diǎn)波動(dòng)性不大，在該項(xiàng)目實(shí)施環(huán)境中，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

2.3 人工沉降監(jiān)測檢核

為驗(yàn)證實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在下穿工程施工過程中，對比分析實(shí)時(shí)和人工監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖4所示，選取1#、7#、13#監(jiān)測斷面上的人工和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析。

圖4 實(shí)時(shí)監(jiān)測和人工周期監(jiān)測成果對比

從第20天開始，地鐵隧道區(qū)間左線開始掘進(jìn)至高速鐵路下方，7 d后左線完成穿越(即第20～27日為左線下穿時(shí)間)。地鐵隧道區(qū)間右線從第35天開始掘進(jìn)至鐵路，7 d后右線完成穿越(第35～42日為右線下穿時(shí)間)。始發(fā)階段掘進(jìn)速度2～4環(huán)/d，正常段掘進(jìn)速度為6～8環(huán)/d。從圖中可以分析得出結(jié)論，在相同時(shí)間測量的數(shù)據(jù)來看，兩者的成果較差小于0.5 mm，且兩者表現(xiàn)的變形趨勢具有一致性，說明實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)成果具有良好的準(zhǔn)確性。

2.4 地表沉降與隧道沉降對比分析

對比分析受影響隧道區(qū)段每一斷面的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)與地表沉降數(shù)據(jù)，選取任意兩個(gè)斷面進(jìn)行對比分析，如圖5所示。

圖5 隧道實(shí)時(shí)監(jiān)測和地表沉降監(jiān)測成果對比

通過人工監(jiān)測的地表沉降數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)監(jiān)測的隧道沉降數(shù)據(jù)對比，兩者的波動(dòng)規(guī)律大致相同。觀察相同時(shí)間下的測量數(shù)據(jù)，兩者成果較差小于1 mm，說明地表沉降和隧道沉降的變化具有一致性。

3 結(jié)論

監(jiān)測期間，實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測系統(tǒng)工作穩(wěn)定，各液體靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工周期監(jiān)測成果具有良好的一致性。各斷面監(jiān)測點(diǎn)沉降變化量均在Ⅰ級預(yù)警限值(1.6 mm)內(nèi)，說明監(jiān)測期間下穿工程施工未對運(yùn)營高鐵隧道結(jié)構(gòu)造成顯著影響。證明該實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足運(yùn)營期高鐵變形監(jiān)測的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)性要求，且具有較高監(jiān)測精度，本文研究成果可為類似工程項(xiàng)目提供借鑒。