一種位移實時監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵海底隧道應(yīng)用中與人工監(jiān)測的對比分析

文∕毛星、趙遠(yuǎn)程、張玉楠、豐天星、劉劍飛

1 工區(qū)地質(zhì)條件

地鐵深海隧道工程建設(shè)對于工藝技術(shù)要求較高，從地質(zhì)條件環(huán)境來看工區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件較為復(fù)雜，且具有面積廣、厚度變化大等特點；由于長時間受到河流沖刷、殘破積物等方面的影響，增大了施工作業(yè)風(fēng)險，容易產(chǎn)生位移變化。在此背景下，采用位移實時監(jiān)測系統(tǒng)能夠為工程建設(shè)提供依據(jù)，降低不良風(fēng)險的產(chǎn)生。工區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，韌性斷裂與褶皺現(xiàn)象層出不窮。目前揭示小規(guī)模斷裂破碎帶共7 條，其中陸域段5 條、海域段2 條，斷裂帶的特點是：規(guī)模較小，巖體較破碎，圍巖自穩(wěn)定能力較低，產(chǎn)狀呈高傾角，多為綠泥石充填，大部分地段透水性不強(qiáng)，圍巖分級以Ⅳ為主，少量地段為Ⅴ級。水文地質(zhì)單元劃分為濱海基巖裂隙水分布區(qū)、濱海松散巖類孔隙水分布區(qū)和海域基巖裂隙水分布區(qū)。

2 監(jiān)測試驗設(shè)計

2.1 監(jiān)測試驗?zāi)康?/h3>

使用傳統(tǒng)人工監(jiān)測方法和位移實時監(jiān)測系統(tǒng)在海底隧道地質(zhì)復(fù)雜地段的同一位置的隧底，進(jìn)行長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，對地鐵結(jié)構(gòu)工程地鐵施工期間的隧底變形進(jìn)行監(jiān)測，并提供及時、可靠的信息用以評定地鐵工程在施工期間的安全性影響；另外，還可以對比傳統(tǒng)人工監(jiān)測方法和位移實時監(jiān)測系統(tǒng)的在海底隧道施工中的應(yīng)用效果。

2.2 監(jiān)測方法

2.2.1 傳統(tǒng)人工監(jiān)測方法

傳統(tǒng)人工監(jiān)測方法選擇的是電子精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行隧底沉降監(jiān)測。開展時觀測工作應(yīng)該重視各項限差控制，按照標(biāo)準(zhǔn)要求每測點讀數(shù)差值控制在0.3mm以下。針對水準(zhǔn)路線上觀測點范圍以外的區(qū)域，測站應(yīng)控制在3 個以內(nèi)，超過3 個測站的情況下應(yīng)該及時重讀后視點讀數(shù)，以保證監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，并起到核對效果。

相同的監(jiān)測點應(yīng)固定線路、固定轉(zhuǎn)點；同時還要定期對所使用的儀器設(shè)備進(jìn)行維護(hù)與校正檢查，以確保儀器測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。以精密水準(zhǔn)儀為例，二等水準(zhǔn)測量儀器i 角應(yīng)小于或等于20″。

2.2.2 位移實時監(jiān)測系統(tǒng)

位移實時監(jiān)測系統(tǒng)的專利名稱為一種仰拱位移實時監(jiān)測系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)組成上分析其主要是由數(shù)據(jù)采集器、沉降計與連通水管等裝置共同組合而成，進(jìn)行移位實時監(jiān)測需要保證待監(jiān)測仰拱埋設(shè)能夠與通水管、沉降計相連通。另外，現(xiàn)場監(jiān)測人員應(yīng)該具備足夠的專業(yè)水平，能夠在監(jiān)測過程中保持基準(zhǔn)液箱中液面的穩(wěn)定性；除此之外，還應(yīng)關(guān)注過程中的質(zhì)量控制。當(dāng)出現(xiàn)仰拱沉降或者隆起等質(zhì)量缺陷時，會對連通水管位移造成一定變化，從而影響傳感器壓力，對監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生不利影響；這就要求監(jiān)測人員結(jié)合前后2 次數(shù)據(jù)采集結(jié)果，計算線路上各點豎向位移[2]。

仰拱位移實時監(jiān)測系統(tǒng)也可以用于隧底沉降形變的監(jiān)測，其監(jiān)測原理與仰拱位移監(jiān)測一致。由于傳感器設(shè)置位置不同，所進(jìn)行的監(jiān)測工作也存在一定差異，比如當(dāng)傳感器設(shè)置在隧道底部的時候，容易受到上部荷載或者人員、車輛通行導(dǎo)致的振動影響，因此為進(jìn)一步提高監(jiān)測工作的準(zhǔn)確性、可靠性，需要提升傳感器裝置的性能；為避免數(shù)據(jù)異常產(chǎn)生的影響，可以采用具備數(shù)字濾波功能的傳感器[3]。

2.3 監(jiān)測位置選擇及監(jiān)測點布置

監(jiān)測試驗位置選擇在隧道海域段的其中一條斷裂帶布置，人工高精度水準(zhǔn)儀監(jiān)測和仰拱位移實時監(jiān)測系統(tǒng)布置在同一位置，即海域段K29+750 的斷裂。勘察資料顯示該斷裂寬度＜10m，兩側(cè)影響帶寬數(shù)米，據(jù)此可以推斷該斷裂的最大影響范圍不會超過K29+770 的位置。

仰拱位移實時監(jiān)測系統(tǒng)選擇布置3 個傳感器，1 號傳感器布置在K29+770 處，間隔10m 在K29+760 處布置2 號傳感器，3 號傳感器則布置在K29+750 處，這樣3 處位置就包括了斷裂帶影響帶以外、斷裂帶影響帶和斷裂帶內(nèi)部這3 種情況。而數(shù)據(jù)采集器和基準(zhǔn)液箱則布置在距離第一個傳感器3m，即K29+773 處的隧道邊墻上。

3 監(jiān)測試驗數(shù)據(jù)分析

仰拱位移實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集從2018年1月22日至2018年12月2日，持續(xù)采集了近11 個月的數(shù)據(jù)，其監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集間隔可以根據(jù)試驗需求進(jìn)行實時調(diào)節(jié)。

仰拱位移實時監(jiān)測系統(tǒng)，2018年1月22日至2月3日，設(shè)置采集間隔為1h，且采集間隔較密集，主要用于設(shè)備自身穩(wěn)定性的評價。1 號傳感器1月30日至2月3日的采集數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，相對趨勢線上下浮動小于0.3mm，其中1月30日下午17∶25 有一個數(shù)據(jù)數(shù)值浮動約5mm，是典型的受施工車輛振動影響的數(shù)據(jù)。

在確認(rèn)實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定后，開始長期2018年2月4日至12月2日的數(shù)據(jù)采集，設(shè)置采集間隔為2h，數(shù)據(jù)主要用于隧底沉降監(jiān)測以及與傳統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比。傳統(tǒng)人工監(jiān)測數(shù)據(jù)采集從2018年2月3日至2018年12月2日（不包含2018年5月11—2018年6月18日），采樣間隔為2 天一次，需要記錄當(dāng)天的采集時間。對比數(shù)據(jù)如圖1。

圖1 人工監(jiān)測與實時監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)（2018.2.30—2018.12.2）

從圖1 中可以明顯看出，實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)整體趨勢基本吻合。總體比較，2018年7月11日前，實施監(jiān)測系統(tǒng)與人工監(jiān)測的數(shù)據(jù)趨勢線吻合度更高；而之后的數(shù)據(jù)吻合度降低，尤其是1 號傳感器的數(shù)據(jù)兩者趨勢線最低點最大相差0.6mm。人工監(jiān)測數(shù)據(jù)（圖中a、c）相對趨勢線的波動范圍約-0.5～+0.5m，實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)（圖中b、d）相對趨勢線波動范圍約-0.2～+0.3mm。

從數(shù)據(jù)分析的角度，實時監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在2018年7月11日前，先略微沉降約0.2mm，然后隆起變化較大約1.5～2mm，1 號傳感器在之后的數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)，2 號傳感器在7月11日至9月28日還有一段緩慢隆起的變化約0.7mm，之后數(shù)據(jù)也趨于平穩(wěn)。這一數(shù)據(jù)變化的特點與兩個傳感器所布置的位置有一定的對應(yīng)關(guān)系，1 號傳感器布置在斷裂影響帶以外，2 號傳感器布置在斷裂帶內(nèi)部；正是因為這樣的位置，所以2號傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)是最后趨于穩(wěn)定的。

從數(shù)據(jù)分析的角度來看人工監(jiān)測的數(shù)據(jù)，并總體分析所監(jiān)測位置的變化趨勢，由于數(shù)據(jù)穩(wěn)定性稍差，不能像實時監(jiān)測系統(tǒng)一樣細(xì)分一些變化的階段，由此這樣的監(jiān)測數(shù)據(jù)是不利于分析因為地質(zhì)條件影響或者其他影響帶來的監(jiān)測位置形變影響。

4 結(jié)語

通過實時位移監(jiān)測系統(tǒng)和人工水準(zhǔn)儀監(jiān)測的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)對比可知，實時位移監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足地鐵海底隧道隧底沉降監(jiān)測，它的數(shù)據(jù)可靠性、穩(wěn)定性優(yōu)于人工監(jiān)測，且實時監(jiān)測系統(tǒng)安裝以后是不需要人工干預(yù)的，因此避免了人為誤差的產(chǎn)生；采集數(shù)據(jù)的間隔可以根據(jù)監(jiān)測需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此采集效率也是明顯優(yōu)于人工監(jiān)測的[4]。由于實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和數(shù)據(jù)量的充足，為監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析提供了更多可能性，因此該系統(tǒng)在滿足隧底沉降監(jiān)測指標(biāo)的同時，還可以為研究斷裂帶或者其他地質(zhì)條件對隧道工程的影響提供有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)支撐[5]。