監測反饋技術在地鐵盾構施工塌陷預警中的應用

勾承藻

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

在建設施工領域中，盾構法憑借其自身的優勢在城市地鐵隧道建設當中逐漸占據重要地位。但在盾構施工過程中，由于周圍地質條件復雜，若在卵石粒徑較大、含量較高的區域施工，極易誘發地面沉降和塌陷問題產生。若在塌陷問題發生前沒有進行及時的預警，則會造成嚴重的事故問題，不僅影響工程施工質量，同時還會影響到施工人員的人身安全[1]。因此，針對這一問題，下述將開展監測反饋技術在地鐵盾構施工塌陷預警中的應用研究。

1 地鐵盾構施工影響分析

結合以往施工經驗，在開展地鐵盾構施工時，必定會對周圍土體造成一定擾動影響，并且不同的地質條件以及施工狀況也會產生不同的擾動類型。在實際開展地鐵盾構施工中，將盾構施工對其周圍土體產生的擾動劃分為開挖面上土體受到擠壓而產生的壓縮、前移、隆起和超挖引起的土體松動、塌落等[2]。圖1為受到盾構施工影響地表產生的沉降分布曲線。

圖1 受到盾構施工影響地表產生的沉降分布曲線

通常情況下，地鐵盾構施工中，對土體的擾動距離、影響程度等存在以下幾點規律：第一，在盾構施工中，土體開挖擾動的程度與垂直距離之間呈反比關系，即垂直距離越遠，則土體開挖擾動的程度越??；垂直距離越近，則土體開挖擾動上的程度越大[3]。第二，盾構施工時的開挖水平方向土體擾動與垂直方向距離成反比例關系。隨著距離的不斷增加，開挖水平方向土體擾動逐漸衰減，并表現出擴散性特征。在進行地鐵盾構施工過程中，若出現塌陷問題，則不僅會影響到施工本身，還會對地鐵線路及周圍地上構筑物造成影響。因此，基于上述對盾構施工的影響分析，針對地鐵盾構施工的塌陷問題進行監測和預警具有十分重要的作用[4]?；诖?，本文下述將對其開展詳細研究。

2 基于監測反饋技術的地鐵盾構施工塌陷預警

2.1 塌陷預警監測點布置

在對地鐵盾構施工塌陷預警時，首先需要完成對塌陷預警測點的布置?？刹捎每刂凭W布設的方式，結合地鐵盾構施工技術方案、監測精度要求以及工程造價等多方面綜合考慮，按照圖2所示完成對測點的布置。

圖2 塌陷預警監測點布置圖

在對預警測點布置時，還應當遵循以下兩點原則：第一，預警測點應當布置在與施工影響區域較遠且穩固的地面位置上，并且確保布置位置易于保存；第二，預警測點與站點之間的平面布局范圍應超過90°，并且兩點之間應當具備良好的通視條件[5]。在各個測點上采用水準測量儀進行測定，測點的埋設方式應當按照地鐵盾構施工測量規范要求的形式進行埋設，針對傾斜位置上的測點可采用平面測量儀進行測定，在結構上下分別埋設水平位移測點[6]。在具體實施時，應當對測點埋設區域及周圍設施進行調查，并確保鉆孔埋設測點保持不損壞。在完成對預警測點的埋設后，還需要對其進行合理保護。

2.2 基于監測反饋技術的地鐵盾構施工周圍建(構)筑物沉降與位移監測

為實現對地鐵盾構施工周圍建筑物和構筑物的沉降監測，引入監測反饋技術，在上述各個測點布置完畢基礎上，利用監測儀器采用幾何水準測量法減小觀測，所使用的儀器設備為電子水準儀，水準儀的測量精度應小于等于0.3 mm。在測量過程中，為電子水準儀配備銦鋼尺進行輔助觀測[7]。在對沉降數據進行監測時，要求沉降監測點測站高差中的誤差應小于0.5 mm；兩側讀數得到的測量誤差不得超過0.7 mm，視線長度不得超過50 m不得小于3 m。電子水準儀需采用最先進的監測水平沉降MEMS技術，并且能夠實現對監測數據的遠程傳輸，將數據傳輸到服務器端。

針對建筑物和構筑物在水平方向上的位移量進行監測，可采用全站儀完成觀測，并將全站儀上獲取到的觀測數據進行記錄，并生成外業觀測數據文件。針對水平方向上的位移沉降可采用方向法實現測定。全站儀觀測測回數為2，一測回的水平方向標準差為0.5 s，測距中誤差應小于1 mm+1 ppm，基準點以及工作基點網邊長應小于或等于300 m。由于在開展地鐵盾構施工時通常是全封閉的運營狀態，不允許監測人員進入到現場開展監測工作，因此需要引入監測反饋技術，開展對地鐵盾構施工的自動化沉降及水平位移監測，以此替代人工操作，從而實現對地鐵盾構施工的連續、精準監測[8]?？蓢L試引入具備監測反饋技術的測量機器人完成自動化監測，利用機器人為監測預警提供實時的線路結構三維方向上的監測數據，從而為后續塌陷險情是否發生的判斷提供更有利的數據依據。監測過程中的具體內容是觀測地鐵盾構施工及周圍路基、軌枕等變形情況，并結合現場施工條件及要求對其變形對路基沉降和軌道位移影響情況進行分析和記錄，及時發現塌陷趨勢。在監測過程中還需要對監測網進行分區處理，圖3為監測分析示意圖。

圖3 監測分析示意圖

將監測范圍確定在地鐵盾構施工周圍既有線路的100 m以內，結合盾構施工情況和列車?？壳闆r變化，為了能夠避免地鐵盾構施工對監測的影響，將檢測對象與施工進度進行結合，并實現如圖3所示的分區獨立監測。將每一個站臺都看作是一個獨立的監測區域，避免地鐵盾構施工、上下站旅客等對監測造成的干擾。為了確保最終得到的監測結果具備高精度要求，并為后續塌陷預警提供有力依據，在各個測點完成監測后，還需要對監測數據的絕對參數和相對參數進行復核，并在監測點周圍設置復核點。根據復核點上的數據，判斷測點數據的準確度。將監測數據中不在實際監測數據變化允許范圍內的數據去除，避免對最終塌陷預警造成影響。

2.3 地鐵盾構施工塌陷險情發生、處理及預警響應

在上述基于監測反饋技術的地鐵盾構施工周圍建(構)筑物沉降監測及得到沉降監測數據的基礎上，針對具體地鐵盾構施工中出現的塌陷險情發生進行及時的反饋和處理。當出現塌陷問題時，需要施工單位在現場完成疏散人員、拉警戒線等操作，并及時采取應急搶險措施。在塌陷問題處理完畢后，按照本文上述論述內容，再重新針對周圍構筑物和建筑物以及地表沉降情況進行監測，并結合得到的監測結果預測下一次塌陷問題是否會產生，并給出相應的預警。通常情況下，當測點上單次監測變量和累計沉降值超過設定的閾值時，說明有出現塌陷問題的趨勢。同時，根據監測數據的變化情況及未來發展趨勢也能夠對塌陷險情做出預警提醒。通常情況下，在完成對塌陷問題的處理后的一段時間中，監測到的數據變化幅度不大，并且滯后沉降數據的持續時間較長，且變化不大。在實際應用中，為了實現對塌陷問題的可視化預警，除了將監測到的數據變化情況繪制成曲線圖以外，還需要針對不同塌陷程度，用不同的指示燈進行表示。將塌陷嚴重程度劃分為輕度、中度和重度，分別對應指示燈的黃色、橙色和紅色，若沒有出現塌陷問題，則指示燈始終為綠色。除此之外，不同的指示燈也對應著不同的應對措施，在通過指示燈明確塌陷的程度后，可在第一時間采取相應的解決措施，以此避免塌陷問題的進一步惡化，從而將塌陷時對周圍的影響程度降低到最低。為了確保對地鐵盾構施工的塌陷預警有序、有效進行，根據工程需要，還可對第三方檢測現場項目部進行構建，并由項目相應的負責小組完成上述操作。由于在塌陷預警時需要監測的內容較多，并且監測周期較長，因此需要對全過程進行監督，所有的監測方案都需要通過三級審核，在審核合格后才能夠真實應用到具體地鐵盾構施工項目當中。

3 對比分析

在上述論述基礎上，為了進一步驗證基于監測反饋技術的地鐵盾構施工塌陷預警方法在實際應用中的效果，以某地鐵施工項目為依托，獲取該項目的相關數據資料，并利用本文上述提出的預警方法對其施工中塌陷問題進行預警。為了確保實現對本文預警方法的應用驗證及對比，選擇將傳統基于物探技術的預警方法作為對照組，將本文方法作為實驗組，分別利用兩種預警方法對該地鐵施工項目的塌陷問題進行預警。已知該地鐵施工項目在施工過程中會對地鐵線路上以及周圍附屬的建筑設施造成一定影響，并使其產生不同程度的沉降和水平方向為位移，若不對其進行合理控制，則將會發生塌陷事故。該地鐵施工項目設計最高速度為320 km/h，一般運營時的最高速度為320 km/h。在該鐵路施工項目線路上，分別按照本文預警方法和傳統預警方法設置多個預警測點，并隨機選擇5個預警測點作為實驗研究測點。針對實驗組和對照組各自5個研究測點對地鐵盾構施工中豎直方向沉降和水平方向位移情況監測結果進行記錄，并將其與實際豎直方向沉降和水平方向位移對比，初步驗證兩種預警方法的應用精度。為了方便比較，將上述論述內容繪制成表1。

表1 實驗組與對照組預警方法研究測點監測精度

從表1可以看出，實驗組預警方法中各個測點的沉降和位移監測結果與實際數據相差較小，僅為±0.02 mm，而對照組預警方法中各個測點的沉降和位移監測結果與實際數據相差較大，均超過0.1 mm。由此可以初步判斷，實驗組與對照組兩種預警方法相比，在對各個測點的監測精度上，明顯實驗組優勢更大。

在實現對兩種預警方法的精度對比后，再對其預警響應速度進行對比。在上述地鐵施工項目基礎上，人為控制其各個階段上的沉降情況。假設沉降值超過5.00 mm時，視為出現塌陷問題，對比兩種預警方法在監測到預警時的響應時間作為評價指標，響應時間越短，則說明預警響應速率越快，越能夠及時對地鐵盾構施工中的塌陷問題做出快速響應；反之，響應時間越長，則說明預警響應速率越慢，無法對地鐵盾構施工中的塌陷問題做出快速響應。根據上述論述，將記錄結果繪制成表2。

表2 實驗組與對照組預警方法塌陷預警響應時間記錄

結合表2中的數據進一步證明，本文提出的基于監測反饋技術的預警方法在實際應用中能夠實現對地鐵盾構施工塌陷問題的快速響應，進一步提高地鐵盾構施工的安全性。

4 結束語

通過本文上述論述，將監測技術與塌陷預警相結合，提出了一種全新的預警方法，并結合對比分析的方式驗證新的預警方法具有更明顯的精度優勢和快速響應優勢。將該預警方法應用于實際可以實現對地鐵線路及周圍建筑物塌陷問題的快速預警響應。在實際應用本文塌陷預警方法時，通過監測統計出大量盾構施工階段的數據，為了方便對數據進行分析，并根據數據變化確定塌陷趨勢，需要構建時程變化曲線圖。為了確保盾構施工的安全，需要將各個測點上累計的變形量控制在合理范圍內，針對現場變形值操作閾值范圍的問題，應當及時告知現場施工人員，并采取合理的措施，從而使變形得到合理控制，避免塌陷問題的產生。在今后的研究當中，還將針對這一預警方法制定專項監測方法，并嘗試引入信息化的自動反饋機制，以此確保在進行監測和預警的過程中能夠實現對地鐵盾構施工的及時反饋，從而為后續應對措施的制定和實施提供重要支撐。