城市軌道交通施工安全監(jiān)測(cè)與控制

代裕清

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070）

1 引言

社會(huì)發(fā)展的過程中，交通擁擠問題日益突出，為了能夠有效地解決該類問題，越來越多的城市開始發(fā)展軌道交通建設(shè)。但是地鐵工程的施工工藝相對(duì)復(fù)雜，引發(fā)安全事故的因素也較多，地鐵的施工建設(shè)相對(duì)而言是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的工程。此外，地鐵的修建通常都是處于人口相對(duì)密集的中心城區(qū)，周圍的環(huán)境復(fù)雜，一旦出現(xiàn)事故將會(huì)產(chǎn)生不可估計(jì)的損失。隨著軌道交通的發(fā)展，軌道交通工程施工中深基坑的開挖也越來越普遍，深基坑的開挖會(huì)使周圍的受力狀態(tài)發(fā)生改變，也就會(huì)對(duì)周圍結(jié)構(gòu)以及建筑物的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[1]。對(duì)基坑進(jìn)行合理的變形監(jiān)測(cè)能夠?qū)κ┕さ陌踩宰龀雠袛?，往往能夠有效防止事故發(fā)生，或者盡可能將事故造成的損失降到最低。地鐵施工變形監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)就是在地鐵施工的過程中通過測(cè)量?jī)x器對(duì)周圍的土體以及建筑物的位移等進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量控制，對(duì)后續(xù)階段的施工變形做出預(yù)測(cè)，同時(shí)為后續(xù)開挖和支護(hù)提出合理建議，確保安全施工[2]。

2 地鐵車站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取

2.1 地鐵工程變形監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容

對(duì)基坑進(jìn)行監(jiān)測(cè)的主要目的是對(duì)基坑周圍的圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)的信息，然后根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，做出預(yù)警。地鐵的開挖方式不同，所需要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目也會(huì)有所差別。不同開挖形式的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如表1所示。

表1 不同開挖形式的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

地鐵主要是由車站和地鐵區(qū)間組成，不同施工位置需要監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目如表2 所示。

表2 不同施工位置的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

2.2 地鐵工程各項(xiàng)目監(jiān)測(cè)方法

2.2.1 空間位移監(jiān)測(cè)

空間位移的監(jiān)測(cè)主要包含水平位移、豎向位移、傾斜位移3 個(gè)方面。目前，在條件較好的區(qū)域可以通過利用電子全站儀、GPS、無棱鏡電子全站儀等實(shí)現(xiàn)3 項(xiàng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容的一體化、動(dòng)態(tài)化和實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)。水平位移監(jiān)測(cè)通常是對(duì)基坑的圍護(hù)體系進(jìn)行監(jiān)測(cè)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇監(jiān)測(cè)方法，其中可選擇的方法包含GPS、交會(huì)測(cè)量、導(dǎo)線、視準(zhǔn)線等。GPS 測(cè)量法水平位移測(cè)量的精度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候全自動(dòng)監(jiān)測(cè)。交會(huì)測(cè)量的方法監(jiān)測(cè)費(fèi)用較低，不需要特殊的儀器，但其監(jiān)測(cè)的精度以及可靠性相對(duì)而言更低[3]。

2.2.2 豎向位移監(jiān)測(cè)

豎向位移監(jiān)測(cè)需要貫穿于整個(gè)施工全過程，通常在基坑開挖之前就已經(jīng)開始監(jiān)測(cè)，直到沉降基本停止。通過進(jìn)行豎向位移監(jiān)測(cè)能夠掌握地面的移動(dòng)以及變形規(guī)律，然后根據(jù)變形情況做出預(yù)報(bào)并提出合理的防治措施。豎向位移監(jiān)測(cè)的儀器通常選用水準(zhǔn)儀，可以選擇附合水準(zhǔn)路線和閉合水準(zhǔn)路線兩種測(cè)量方式。

2.2.3 傾斜監(jiān)測(cè)

傾斜監(jiān)測(cè)是在圍護(hù)體內(nèi)安裝測(cè)斜管，通過此來反映出基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及土體的變形規(guī)律，對(duì)施工速率進(jìn)行指導(dǎo)，從而達(dá)到保障臨近結(jié)構(gòu)物的安全的目的。

2.2.4 裂縫監(jiān)測(cè)

通過裂縫監(jiān)測(cè)能夠?qū)α芽p對(duì)結(jié)構(gòu)物影響的大小做出判斷。對(duì)裂縫的監(jiān)測(cè)主要包括裂縫的走向、位置、長(zhǎng)、寬、深等參數(shù)。對(duì)裂縫的測(cè)量可以采用千分尺或游標(biāo)卡尺來直接測(cè)量；也可應(yīng)用攝像機(jī)沿著基準(zhǔn)線設(shè)置比照尺連同裂縫一起攝像，然后再將所拍攝的圖像輸入計(jì)算機(jī)中，對(duì)裂縫進(jìn)行分析計(jì)算。此外，還可以應(yīng)用裂縫測(cè)寬儀與測(cè)縫傳感器來對(duì)裂縫進(jìn)行測(cè)量。

2.2.5 土壓力監(jiān)測(cè)

通過對(duì)圍護(hù)體系側(cè)向壓力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠確保圍護(hù)體系穩(wěn)定。土壓力的監(jiān)測(cè)主要是應(yīng)用土壓力計(jì)。

2.2.6 地下水位監(jiān)測(cè)

對(duì)地下水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其主要目的是確?；又械闹顾∧贿_(dá)到設(shè)計(jì)要求，地下水位的監(jiān)測(cè)主要通過在鉆孔內(nèi)設(shè)置水位管實(shí)現(xiàn)。

3 地鐵車站施工變形預(yù)測(cè)模型研究

3.1 地鐵車站施工變形預(yù)測(cè)方法

施工過程中，對(duì)地鐵車站的變形分析有較多的不確定性因素，目前，變形預(yù)測(cè)方法主要可以劃分為3 類，分別為曲線擬合類、地基參數(shù)反演類以及系統(tǒng)分析類[4]。

曲線擬合類的預(yù)測(cè)方法是一種經(jīng)驗(yàn)方法，將變形近似為某種具有規(guī)律的變化過程，并選擇能表達(dá)其變化規(guī)律的函數(shù)類型，建立曲線擬合預(yù)測(cè)模型，根據(jù)模型再反演出參數(shù)，在后期的變形預(yù)測(cè)中進(jìn)行應(yīng)用。該方法的參數(shù)較少、容易確定，且操作性較強(qiáng)。地基參數(shù)反演法屬于正演模型，它是由固結(jié)理論、數(shù)值方法以及本構(gòu)模型共同建立的。通過對(duì)實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行反演，從而做到對(duì)后期變形情況的預(yù)測(cè)。系統(tǒng)分類法包含兩類建模思路，其一是輸入-輸出模型法，其二則是動(dòng)力學(xué)方程法。該方法對(duì)于有大量數(shù)據(jù)支撐的項(xiàng)目進(jìn)行安全分析以及預(yù)報(bào)較為合適。

3.2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系通常由輸入層、隱含層以及輸出層所組成。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行通常分為兩個(gè)階段，分別為學(xué)習(xí)階段和工作階段。其中，學(xué)習(xí)過程通常包含兩個(gè)階段，其一為信息的正向傳播，其二為誤差的反向傳播。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)就是在輸入與輸出之間的一種非線性映射。誤差反向傳播是計(jì)算訓(xùn)練的關(guān)鍵，需要通過目標(biāo)函數(shù)最小化來完成。BP算法的非線性映射能力較強(qiáng)，對(duì)于一般的預(yù)測(cè)問題，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠得到精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。

但是為了優(yōu)化BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精度，面對(duì)較為復(fù)雜的問題，往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間來完成訓(xùn)練工作，且當(dāng)訓(xùn)練逼近局部最小值時(shí)，各方面的變化均顯示在該點(diǎn)達(dá)到了收斂，導(dǎo)致這種誤差較難以排除。所以，為了提高訓(xùn)練結(jié)果的信任度以及滿意度，通常可以增加網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)，降低誤差。另外，可以采用較多的神經(jīng)元數(shù)目來獲得較高的訓(xùn)練精度，同時(shí)還可以增加樣本空間數(shù)據(jù)，減小參數(shù)之間的變化間隔，使數(shù)學(xué)模型趨于更加精準(zhǔn)。選擇不同的初始條件對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行再次訓(xùn)練，通過觀察不同的訓(xùn)練結(jié)果，選擇最優(yōu)的預(yù)測(cè)目標(biāo)。

4 地鐵車站施工監(jiān)測(cè)預(yù)警信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過對(duì)地鐵施工過程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理與分析，能夠?qū)ψ冃误w的變形狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，盡可能地避免施工事故的發(fā)生。通過計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)建立地鐵車站施工監(jiān)測(cè)預(yù)警信息管理系統(tǒng)，可以處理監(jiān)測(cè)過程中所產(chǎn)生的巨大數(shù)據(jù)量，做到高效管理和分析。

通過數(shù)據(jù)管理技術(shù)對(duì)地鐵施工監(jiān)測(cè)各類空間數(shù)據(jù)以及屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和一體化管理，可以更加便捷地進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享以及操作。將所測(cè)出的數(shù)據(jù)以及分析的結(jié)果有效進(jìn)行預(yù)警并及時(shí)反饋于相關(guān)負(fù)責(zé)人。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從采集、錄入、展現(xiàn)全過程的實(shí)時(shí)性，給預(yù)警決策提供更多的時(shí)間。監(jiān)測(cè)預(yù)警信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模塊可以分為4 項(xiàng)，分別為數(shù)據(jù)的輸入與輸出、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成圖、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)警以及其他功能。從層次方面劃分，該系統(tǒng)可以劃分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層以及數(shù)據(jù)層，如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)層是負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)以及屬性數(shù)據(jù)的查詢和修改，對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)管理；業(yè)務(wù)邏輯層是整個(gè)系統(tǒng)的核心層，主要包含監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理、預(yù)警以及成圖等；表現(xiàn)層是與用戶進(jìn)行交互，將信息反饋于用戶。

圖1 系統(tǒng)總體框架

通過單點(diǎn)預(yù)警能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單一監(jiān)測(cè)點(diǎn)號(hào)的預(yù)警，通過對(duì)監(jiān)測(cè)累積變化值與預(yù)警閾值進(jìn)行比較分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的預(yù)警，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)預(yù)警的技術(shù)路線如圖2 所示。模糊預(yù)警與單點(diǎn)預(yù)警原理一致，只是模糊預(yù)警需要輸入累積變化預(yù)警閾值以及速率預(yù)警閾值，且模糊預(yù)警是對(duì)單點(diǎn)預(yù)警的補(bǔ)充。

圖2 單點(diǎn)預(yù)警實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線

5 結(jié)語(yǔ)

為了解決城市交通擁堵的問題，越來越多的城市開始逐步發(fā)展軌道交通建設(shè)。地鐵的施工工藝復(fù)雜，影響因素眾多，施工風(fēng)險(xiǎn)較高，因此，在軌道交通建設(shè)的過程中需要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)。本文著重介紹地鐵車站需要的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了地鐵車站施工變形預(yù)測(cè)模型，提出了地鐵車站施工監(jiān)測(cè)預(yù)警信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。