陳喜鳳，劉嶺

(1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310014)

1 引 言

地鐵作為城市的生命線，其沿線自然而然會(huì)成為商業(yè)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的焦點(diǎn)。地鐵沿線的某些施工活動(dòng)特別是緊鄰地鐵的大型基坑開(kāi)挖，會(huì)引起周?chē)鼗叵滤缓蛻?yīng)力場(chǎng)的變化，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降、位移、裂縫、傾斜等變形，致使運(yùn)營(yíng)中的地鐵隧道面臨一定的安全威脅。鑒于地鐵隧道在城市交通中的重要性，其保護(hù)等級(jí)高，對(duì)變形的控制指標(biāo)極為嚴(yán)格[1，2]。因此在基坑施工期間，必須對(duì)鄰近的地鐵車(chē)站及區(qū)間隧道(以下稱(chēng)為“地鐵保護(hù)區(qū)”[3])進(jìn)行全方位變形監(jiān)測(cè)，以掌握基坑施工過(guò)程中鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變化，為建設(shè)方及地鐵相關(guān)方提供及時(shí)、可靠的信息。

關(guān)于基坑施工對(duì)鄰近地鐵隧道的影響，一些學(xué)者對(duì)隧道垂直位移或水平位移做過(guò)相關(guān)研究，并得出了一些有益的結(jié)論[4～6]，但鮮有學(xué)者對(duì)地鐵保護(hù)區(qū)隧道變形監(jiān)測(cè)進(jìn)行過(guò)較為全面而詳盡的闡述。另外，目前國(guó)內(nèi)地鐵保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀為：①以人工監(jiān)測(cè)、人工處理數(shù)據(jù)為主；②測(cè)期相當(dāng)頻繁，尤其在基坑開(kāi)挖階段須每天監(jiān)測(cè)；③數(shù)據(jù)處理時(shí)間極其緊張，作業(yè)時(shí)段一般為夜間0：30-3：40，測(cè)量完畢后須盡快完成監(jiān)測(cè)成果的計(jì)算、整理與分析，6：30前向有關(guān)單位提交監(jiān)測(cè)成果及分析報(bào)告，以及時(shí)反饋?zhàn)冃吻闆r，確保地鐵結(jié)構(gòu)安全；④可積累大量監(jiān)測(cè)資料，但數(shù)據(jù)成果零散，無(wú)法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，難以用其進(jìn)行縱向比較、分析，亦無(wú)法實(shí)現(xiàn)變形預(yù)測(cè)，因此亟須開(kāi)發(fā)一個(gè)集數(shù)據(jù)處理、管理和預(yù)測(cè)分析于一體的系統(tǒng)。鑒于上述情況，本文從一個(gè)地鐵保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)實(shí)例出發(fā)，在系統(tǒng)介紹其監(jiān)測(cè)內(nèi)容及監(jiān)測(cè)方法的基礎(chǔ)上，闡述基于Visual Basic語(yǔ)言和Access數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

2 工程概況

某市地鐵1號(hào)線南延線某站及區(qū)間隧道西側(cè)開(kāi)挖一面積約 31 868 m2，周長(zhǎng)約 771 m的大型基坑，項(xiàng)目所處場(chǎng)地為河漫灘地貌單元?？拷罔F1號(hào)線西側(cè)的基坑邊長(zhǎng)約為 248 m，基坑開(kāi)挖深度為 16.80 m～17.80 m，項(xiàng)目基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)距地鐵區(qū)間隧道最近約 23.40 m；基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)距離車(chē)站主體最近約 7.25 m?；优c地鐵的位置關(guān)系如圖1所示。監(jiān)測(cè)范圍為基坑邊線對(duì)應(yīng)的地鐵線路及沿線前后各外放 60 m，監(jiān)測(cè)距離共 368 m。

圖1 基坑與地鐵的位置關(guān)系

3 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

3.1 沉降監(jiān)測(cè)

隧道沉降監(jiān)測(cè)是地鐵保護(hù)區(qū)變形監(jiān)測(cè)中最基本也是最重要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，采用精密水準(zhǔn)測(cè)量方法。根據(jù)規(guī)范要求，沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)按Ⅱ級(jí)垂直位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)的技術(shù)要求，布設(shè)附合或閉合水準(zhǔn)路線進(jìn)行觀測(cè)，并進(jìn)行嚴(yán)密平差?；鶞?zhǔn)點(diǎn)一般布設(shè)在遠(yuǎn)離變形區(qū) 80 m～120 m外相對(duì)穩(wěn)定的地方，兩端各2個(gè)。沉降變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)按Ⅱ級(jí)垂直位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)技術(shù)要求，布設(shè)附合或閉合水準(zhǔn)路線，在基坑邊線對(duì)應(yīng)的地鐵線路區(qū)域內(nèi)，每 10 m布設(shè)1個(gè)沉降點(diǎn)，外延部分每 20 m布設(shè)1個(gè)沉降點(diǎn)，其中，車(chē)站與區(qū)間隧道連接縫兩側(cè) 0.5 m處各布設(shè)1個(gè)點(diǎn)作為差異沉降點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)車(chē)站和隧道之間的差異沉降量。本項(xiàng)目車(chē)站及區(qū)間隧道共布設(shè)76個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.2 水平位移監(jiān)測(cè)

水平位移監(jiān)測(cè)可獲取基坑施工對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)水平方向的影響。水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)采用Ⅱ等導(dǎo)線測(cè)量方法，一般在上下行隧道兩端各布設(shè)2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，由于隧道狹長(zhǎng)，還需根據(jù)線路長(zhǎng)度和通視情況在中間埋設(shè)若干工作基點(diǎn)，工作基點(diǎn)布設(shè)的原則是要有利于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量。點(diǎn)位埋設(shè)時(shí)，位于最兩端的基準(zhǔn)點(diǎn)采用固定支架安裝小棱鏡，作為定向點(diǎn)，其余的基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)均采用強(qiáng)制對(duì)中方式進(jìn)行埋設(shè)，作為測(cè)站點(diǎn)，埋設(shè)位置均選于側(cè)墻腰線處，強(qiáng)制對(duì)中裝置與小棱鏡如圖2所示。水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般與沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)布設(shè)，測(cè)量時(shí)將儀器架設(shè)在工作基點(diǎn)上采用極坐標(biāo)法[7]測(cè)得監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。本項(xiàng)目上下行線分別布設(shè)4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，2個(gè)工作基點(diǎn)及27個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。需要說(shuō)明的是，數(shù)據(jù)處理時(shí)上下行線分別建立獨(dú)立的坐標(biāo)系統(tǒng)，沿隧道方向?yàn)閄軸，垂直隧道方向?yàn)閅軸，從而監(jiān)測(cè)點(diǎn)Y坐標(biāo)的變化即反映了隧道的水平位移情況。

圖2強(qiáng)制對(duì)中裝置與小棱鏡

3.3 斷面收斂及斷面變形監(jiān)測(cè)

本項(xiàng)目在上下行區(qū)間隧道各布設(shè)5個(gè)斷面用于監(jiān)測(cè)隧道的收斂及變形情況。收斂監(jiān)測(cè)方法如圖3所示，在隧道兩側(cè)腰線上布設(shè)一條水平基線，A、B兩點(diǎn)分別粘貼測(cè)距反光片，利用TM30全站儀測(cè)量A、B兩點(diǎn)坐標(biāo)(X1，Y1)、(X2，Y2)，則水平基線長(zhǎng)度為

(1)

S的變化即反映了隧道的收斂情況。

圖4為斷面變形監(jiān)測(cè)示意圖，利用TM30無(wú)棱鏡測(cè)距功能，按一定步長(zhǎng)360°連續(xù)采樣，為確保監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠，每個(gè)斷面有效掃描點(diǎn)數(shù)不少于30個(gè)，本項(xiàng)目掃描32個(gè)。圖中黑線為設(shè)計(jì)斷面，固定不變，紅線為實(shí)測(cè)斷面，二者之間的差異為超欠挖量，在前后兩次測(cè)量中超欠挖量的變化值即反映了隧道斷面的變形情況(斷面上各點(diǎn)以向外拉張為正，向內(nèi)壓縮為負(fù))。斷面變形監(jiān)測(cè)初期獨(dú)立觀測(cè)兩次，誤差范圍內(nèi)取均值確定首期值。

圖4 斷面監(jiān)測(cè)示意圖

3.4 垂直度監(jiān)測(cè)

基坑影響區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)側(cè)墻或風(fēng)亭需要進(jìn)行垂直度(或稱(chēng)傾斜度)監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)斷面(車(chē)站側(cè)墻或風(fēng)亭)同一鉛垂線的上、下部各粘貼1個(gè)反射片，在斷面的垂線方向設(shè)置固定測(cè)站，用全站儀分別測(cè)量上、下兩點(diǎn)，得其坐標(biāo)(X1，Y1，H1)、(X2，Y2，H2)，則垂直度P(以‰為單位)計(jì)算公式為：

P=(Y1-Y2)×1000/(H1-H2)

(2)

3.5 地下水位監(jiān)測(cè)

在基坑施工降水階段，地下水位是一項(xiàng)十分重要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。選用SWJ90鋼尺水位儀從觀測(cè)井測(cè)得，測(cè)量時(shí)，打開(kāi)頂蓋，放下測(cè)頭，測(cè)頭接觸到地下水面時(shí)蜂鳴器響，測(cè)讀孔口讀數(shù)即為地下水位值。

3.6 隧道裂縫、滲漏監(jiān)測(cè)

項(xiàng)目實(shí)施前，對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的裂縫、滲漏水等初始狀態(tài)進(jìn)行檢查與記錄，隨后定期對(duì)監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)行巡視，對(duì)于新發(fā)生的裂縫及時(shí)觀測(cè)，用精密電子游標(biāo)卡尺(可精確到 0.01 mm)量出每條裂縫的長(zhǎng)度和寬度，求得裂縫的變化值。若發(fā)現(xiàn)滲漏情況，即拍照記錄，并對(duì)滲漏作出分析。

4 地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

從功能上講，系統(tǒng)共分為5個(gè)模塊，其總體設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

4.2 系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.2.1 控制網(wǎng)穩(wěn)定性分析

控制網(wǎng)作為變形監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)，其穩(wěn)定性至關(guān)重要。本地鐵保護(hù)區(qū)變形監(jiān)測(cè)的沉降控制網(wǎng)和水平位移控制網(wǎng)均需要每月復(fù)測(cè)一次。該模塊提供了幾種常用的穩(wěn)定性分析方法[8～10]，可根據(jù)不同方法分析結(jié)果做出綜合評(píng)判。該子系統(tǒng)中包含了水準(zhǔn)網(wǎng)及導(dǎo)線網(wǎng)的平差處理子程序。圖6為控制網(wǎng)穩(wěn)定性分析的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

圖6 控制網(wǎng)穩(wěn)定性分析詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理模塊是系統(tǒng)的核心，其詳細(xì)流程如圖7所示。這里做以下幾點(diǎn)說(shuō)明：

(1)由于監(jiān)測(cè)報(bào)表(Excel表格)中要列出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)(或斷面)的初值觀測(cè)值、上次觀測(cè)值及本次觀測(cè)值，從而直觀得到本次變化量和累計(jì)變化量，所以直接導(dǎo)入上期監(jiān)測(cè)報(bào)表即可，另外各監(jiān)測(cè)項(xiàng)的點(diǎn)位布設(shè)圖也預(yù)設(shè)在上期監(jiān)測(cè)報(bào)表中，本期計(jì)算時(shí)直接導(dǎo)入上期報(bào)表，可方便快捷地提取相關(guān)信息。

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理可刪除原始測(cè)量數(shù)據(jù)中可能包含的無(wú)效數(shù)據(jù)、多余數(shù)據(jù)等，確保生成的觀測(cè)手簿清晰簡(jiǎn)潔、數(shù)據(jù)可靠。

(3)按照3中所述計(jì)算出各監(jiān)測(cè)項(xiàng)中各測(cè)點(diǎn)的本次觀測(cè)值輸出到Excel報(bào)表中，Excel中預(yù)設(shè)的公式可自動(dòng)計(jì)算本次變化量、累計(jì)變化量及相關(guān)變化曲線圖。

(4)隧道斷面變形計(jì)算及顯示是本系統(tǒng)的一個(gè)難點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)隧道斷面掃描數(shù)據(jù)(擴(kuò)展名為.obs)，可以分析斷面的整體變形和局部變形情況。系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)斷面按照區(qū)間、斷面里程、測(cè)量周期、下行線斷面或上行線斷面進(jìn)行劃分，根據(jù)每個(gè)斷面原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行斷面截面橢圓基準(zhǔn)擬合，再結(jié)合斷面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，即可計(jì)算出斷面各點(diǎn)本期超欠挖量，該值相對(duì)于上一期的比較值即為斷面點(diǎn)本期變形量，相對(duì)于首期的比較值即為斷面點(diǎn)累計(jì)變形量。每一斷面本期觀測(cè)值采用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。系統(tǒng)采用圖形顯示界面，除了可直觀顯示如圖4所示的超欠挖計(jì)算界面外，還可根據(jù)用戶需要，給出斷面上任一360°連續(xù)采樣點(diǎn)各期變形圖形，以便分析斷面的局部變形，并根據(jù)實(shí)際情況預(yù)警。

圖7 數(shù)據(jù)處理流程

4.2.3 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)用于將原始觀測(cè)數(shù)據(jù)和處理后的成果數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫(kù)管理。本項(xiàng)目選用Access數(shù)據(jù)庫(kù)，用DAO技術(shù)將VB與數(shù)據(jù)庫(kù)相連接。按照監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，不同的項(xiàng)目文件分別存入不同的數(shù)據(jù)庫(kù)表中，便于數(shù)據(jù)管理和查詢等操作。同時(shí)也可按結(jié)構(gòu)化(即沉降控制網(wǎng)成果文件*.ou1和水平位移控制網(wǎng)成果文件*.ou2)和非結(jié)構(gòu)化(如Word文檔和Excel文檔)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行管理，當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)中含有多期數(shù)據(jù)后，便可根據(jù)用戶需要調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)快速計(jì)算變形，亦可將變形成果導(dǎo)出到Excel表。

4.2.4 圖形繪制

在4.2.2程序自動(dòng)生成的本期監(jiān)測(cè)報(bào)表(Excel)中，僅含有本期變化曲線和累計(jì)變化曲線，在實(shí)際中用戶常常需要對(duì)某幾期特定的數(shù)據(jù)進(jìn)行變形分析，自動(dòng)生成各期變化量曲線圖、變化速率曲線圖，使得變形分析更加直觀明了，利用Visual Basic 6.0中的MSChart控件即可實(shí)現(xiàn)此功能。

4.2.5 預(yù)測(cè)分析

該模塊主要實(shí)現(xiàn)根據(jù)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)的變形趨勢(shì)，采用常用的擬合分析模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用的擬合分析方法有：規(guī)范雙曲線法[11]、指數(shù)曲線法[12]、多元線性回歸分析法[13]，通過(guò)研究分析，將這些方法用VB編程實(shí)現(xiàn)隧道沉降及水平位移變形的預(yù)測(cè)。因篇幅限制，這里僅列出多元線性回歸分析法對(duì)基坑降水及土方開(kāi)挖期間下行線隧道內(nèi)奇數(shù)號(hào)測(cè)點(diǎn)連續(xù)2天的沉降預(yù)測(cè)結(jié)果(如表1所示)。其中，所列實(shí)測(cè)值為各測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量(“+”表示上升；“-”表示下沉)；絕對(duì)偏差(AD)=預(yù)測(cè)值-實(shí)測(cè)值；相對(duì)偏差(RD)=AD/實(shí)測(cè)值；測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量的報(bào)警值為T(mén)=±3.3 mm。

由表1可以看出，多元線性回歸分析模型得到的連續(xù)2天的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相差較小，絕對(duì)偏差(AD)最小為 0.04 mm，最大為 0.39 mm，平均值(取絕對(duì)值后的平均值，下同)為 0.20 mm；除隧道兩端個(gè)別累計(jì)沉降量本身較小的測(cè)點(diǎn)(如X01，X03及X29，X31)外，其余測(cè)點(diǎn)的相對(duì)偏差(RD)均在20%以內(nèi)，平均值為11.2%；各測(cè)點(diǎn)絕對(duì)偏差相對(duì)于變形報(bào)警值的百分比(AD/T)均在1.2%～11.8%之間，平均為6.2%。由此可見(jiàn)，該模型預(yù)測(cè)結(jié)果比較切合隧道實(shí)際沉降變形情況，能夠滿足該地鐵保護(hù)區(qū)沉降變形預(yù)測(cè)的要求。

多元線性回歸分析法沉降預(yù)測(cè)結(jié)果 表1

5 結(jié) 語(yǔ)

地鐵保護(hù)區(qū)變形監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容多、測(cè)期相當(dāng)頻繁、要求短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的工作。本文以某市地鐵1號(hào)線南延線某站及區(qū)間隧道監(jiān)測(cè)為例，系統(tǒng)介紹了地鐵保護(hù)區(qū)變形監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，以及數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于本項(xiàng)目的數(shù)據(jù)處理中，大大減輕了數(shù)據(jù)處理人員的負(fù)擔(dān)，提高了工作效率，但在變形預(yù)測(cè)方面仍存在以下問(wèn)題值得進(jìn)一步研究：

(1)所選預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)效果不穩(wěn)定，需采用一定的檢驗(yàn)手段對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，以保證預(yù)測(cè)的精度和可靠性。

(2)受基坑不同施工階段的影響，地鐵隧道的變形情況呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，結(jié)合各基坑施工階段特點(diǎn)，建立相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型可能會(huì)提高預(yù)測(cè)精度。

(3)本系統(tǒng)所采用的預(yù)測(cè)模型均為擬合模型，均以假設(shè)隧道變形情況符合某規(guī)律為前提，難以從理論上達(dá)到最優(yōu)，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、蟻群算法等智能模型進(jìn)行變形預(yù)測(cè)是未來(lái)的研究方向。