鄧洪建

摘要：軌道交通具有線路長、環(huán)境相對封閉、盾構(gòu)結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生變形等特點，尤其是已投入運營的軌道交通線路，長期存在的水平方向或者垂直方向的形變會給其安全運營帶來極大威脅，因此需要對軌道交通線路進行長時間、周期性的變形監(jiān)測，為其安全運營提供數(shù)據(jù)保障。從技術(shù)層面出發(fā)，探討水準測量以及自動化監(jiān)測設備在已運營軌道交通線路沉降監(jiān)測中的應用策略，通過沉降監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)，對沉降的物理原因進行進一步分析，為軌道交通設施的安全運營提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：軌道交通；水準測量；沉降監(jiān)測；自動化監(jiān)測

0? ?引言

地面沉降是指在一定地表面積內(nèi)所發(fā)生的地表面降低的現(xiàn)象，地面沉降作為沿海城市的一種緩變的地質(zhì)災害，具有累進和不可逆轉(zhuǎn)的特性，相關(guān)影響將長期存在，尤其不均勻地面沉降的危害性極大，可直接導致地上地下構(gòu)建筑物及設施發(fā)生垂直及水平方向的形變，對構(gòu)建筑物造成安全隱患。在交通領(lǐng)域，地面不均勻沉降會導致軌道交通結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂、滲水的情況，甚至可能縮短軌道交通使用壽命?；谶@種狀況，市政相關(guān)部門需要定期組織技術(shù)團隊對軌道交通定期開展變形監(jiān)測。通過長期的沉降監(jiān)測，可以準確找出軌道交通隧道的沉降規(guī)律，預測變化速率、幅度、范圍及可能產(chǎn)生的危害，為各方?jīng)Q策和采取措施提供及時、準確、科學的監(jiān)測資料，以確保軌道交通的安全運營[1]。

1? ?沉降監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

地面沉降監(jiān)測技術(shù)是現(xiàn)代基礎設施狀態(tài)監(jiān)測和維護的重要支撐，地表沉降情況是評價特定構(gòu)筑物安全性與穩(wěn)定性的關(guān)鍵參考。近年來，國家相關(guān)部門高度重視地面沉降監(jiān)測技術(shù)的創(chuàng)新與運用，在不斷完善沉降監(jiān)測技術(shù)規(guī)范、優(yōu)化整合沉降監(jiān)測技術(shù)流程基礎上，制定并實施了諸多導向標準，為新時期地面沉降監(jiān)測技術(shù)的實踐應用提供了基礎遵循，彰顯出時代性與技術(shù)性。廣大工程單位發(fā)揮主體作用，在破解傳統(tǒng)沉降監(jiān)測技術(shù)難題等方面進行了積極探索，通過技術(shù)革新與升級，有效提升了沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，加之硬件技術(shù)的配合提升，其技術(shù)潛力得以全面挖掘。

依托于系統(tǒng)完善的沉降監(jiān)測技術(shù)方法，可全面詳實獲取構(gòu)筑物沉降數(shù)據(jù)，揭示軌道交通在不同階段的沉降特征變化，對未來短時期的變化趨向做出研判分析。與當前高標準、高要求的軌道交通沉降監(jiān)測需求相比，當前地面沉降監(jiān)測技術(shù)水平尚有較大提升空間，監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取、分析與處理的綜合實效有待進一步提升，需要準確把握影響監(jiān)測效果的因素，并分類進行專業(yè)技術(shù)應對處理。

2? ?地面控制網(wǎng)沉降監(jiān)測實現(xiàn)方式

2.1? ?做好地面控制網(wǎng)布設工作

控制網(wǎng)布設過程中，技術(shù)團隊需要在市區(qū)內(nèi)重要地標建筑物附近、十字路口處以及軌道交通入口處附近布設城市水準點，將其作為地面沉降監(jiān)測點。其中，中心城區(qū)城市水準點間距離500m左右，周邊地區(qū)及郊區(qū)可視情況放寬距離[2]。

軌道交通線路附近水準點選點應盡可能選在路線附近機關(guān)、學校、公園內(nèi)或其他易于尋找的地方，點位應埋設于地基堅實穩(wěn)定、安全僻靜處，以利于標石的長期保存和觀測，要按照《國家一、二等水準測量規(guī)范》要求埋設，并繪制水準點點之記。

2.2? ?做好外業(yè)測量與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

以基巖點為路線起點和終點，進行水準測量。中心城區(qū)采用一等水準測量方法，周邊地區(qū)及郊區(qū)可采用二等水準測量。以基巖點高程為已知點高程，將地面沉降監(jiān)測線路數(shù)據(jù)進行平差，得到各個城市水準點的最新平差值。將其與上次監(jiān)測數(shù)據(jù)比對，得到各個城市水準點的沉降值，即可掌握城市地面沉降情況。

3? ?城市軌道站臺接測技術(shù)方案

地面沉降監(jiān)測完成后，需要將高程傳遞到地下，將監(jiān)測數(shù)據(jù)作為地下隧道內(nèi)沉降監(jiān)測的工作基點?；谶@種內(nèi)在邏輯關(guān)系，需要以地面沉降監(jiān)測網(wǎng)中軌道交通入口處最近的城市水準點，以二等水準測量的方式，將高程引測到事先布置好的站臺兩側(cè)的工作基點上。進行二等水準測量經(jīng)過軌道交通入口樓梯段時，水準測量視線高度和視距長度會超限，但由于情況特殊且無法通過有效措施避免，因此對軌道交通入口樓梯段的視線高度和視距長度不作要求，以能正常讀數(shù)為標準。

4? ?城市軌道隧道沉降監(jiān)測技術(shù)方案

4.1? ?做好監(jiān)測點的埋設

監(jiān)測點的埋設需基于軌道交通道床種類的不同，根據(jù)實際情況選擇穩(wěn)定的地點進行埋設。常規(guī)的整體式道床，監(jiān)測點應埋設在道床軌枕的中間位置，并且應該保證每塊整體道床伸縮縫兩側(cè)和每塊整體道床中間，各有至少一個沉降監(jiān)測點。淺埋段與敞開段的監(jiān)測點埋設，要求基本與整體式道床一致。浮置板道床等特殊道床，則應將監(jiān)測點埋設到道床兩側(cè)的對應盾構(gòu)環(huán)片上的穩(wěn)定位置[3]。

4.2? ?開展隧道內(nèi)沉降監(jiān)測

隧道測量路線沿軌道交通隧道上、下行線布設，相鄰軌道交通站臺工作基點之間構(gòu)成附合水準路線。為縮短觀測周期，提高精度，宜采用兩臺電子水準儀分別從上下行進行水準觀測。儀器直接假設在鐵軌道床上，水準尺使用LED照射燈條進行照明，以適用于軌道交通隧道內(nèi)昏暗的作業(yè)條件。上下行線構(gòu)成小水準路線閉合環(huán)。

隧道路線測量參照二等水準測量的技術(shù)要求開展監(jiān)測，隧道內(nèi)應將部分監(jiān)測點納入到二等水準路線進行往返觀測，并固定測站。將該部分監(jiān)測點作為固定轉(zhuǎn)點，其余沉降監(jiān)測點則采用中視法進行碎部點測量。某軌道交通沉降監(jiān)測水準路線如圖1所示。

4.3? ?內(nèi)業(yè)計算主要方法

根據(jù)地面控制網(wǎng)沉降監(jiān)測平差，得到軌道交通車站入口附近的城市水準點高程值、站臺上下接測水準路線，對隧道內(nèi)沉降監(jiān)測水準路線構(gòu)成的地上、地下附合水準路線網(wǎng)，進行平差計算，可以求得各個軌道交通地下站臺兩側(cè)工作基點的本次平差后高程值。再根據(jù)平差后軌道交通站臺兩側(cè)工作基點的高程值，對每個區(qū)間的隧道內(nèi)路線進行平差計算，即可得到隧道內(nèi)各個沉降監(jiān)測點本次觀測高程值。通過將沉降監(jiān)測點本次觀測值與上次觀測值進行比較，即可得到軌道交通隧道內(nèi)監(jiān)測點本次沉降量。

5? ?城市軌道交通沉降自動化監(jiān)測技術(shù)舉措

通常軌道交通沉降監(jiān)測借助德國進口的靜力水準設備來完成。通過安裝在軌道交通盾構(gòu)結(jié)構(gòu)環(huán)片上的基準點設備、監(jiān)測點設備和供電箱組成的連通器系統(tǒng)，對軌道交通的沉降情況進行自動化監(jiān)測，并通過內(nèi)置的無線通信模塊，將沉降數(shù)據(jù)傳導到相應的數(shù)據(jù)網(wǎng)站上，實現(xiàn)了除安裝和維修外無人工干預的自動化沉降監(jiān)測系統(tǒng)。靜力水準設備結(jié)構(gòu)見圖2，靜力水準系統(tǒng)設備安裝實物見圖3。

目前軌道交通的自動化沉降監(jiān)測的技術(shù)還不夠成熟，其原因有三：一是地鐵車輛的運行會導致幅度不小的振動，造成自定化監(jiān)測設備移位，導致觀測數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定。二是自動化監(jiān)測設備自身會出現(xiàn)一些質(zhì)量問題，比如儀器漏液等情況。對此必須進行人工維修，由此導致監(jiān)測數(shù)據(jù)的中斷。三是由于自動化監(jiān)測設備的配電箱供電，依靠軌道交通隧道內(nèi)的供電電源，有時會被地鐵工務巡視人員以用電安全為由強行斷電，由此導致監(jiān)測數(shù)據(jù)的中斷。

6? 基于時序InSAR技術(shù)的軌道交通沉降監(jiān)測技術(shù)應用

6.1? ?完善監(jiān)測處理流程

現(xiàn)代軌道交通沉降監(jiān)測的過程，同時也是對軌道交通地表數(shù)據(jù)進行采集、分析、處理與運用的過程。該過程可細化分為多個流程環(huán)節(jié)，通過銜接各流程環(huán)節(jié)的既定作用，獲取軌道交通監(jiān)測處理的整體效果。

在InSAR原理方面，需要采用雷達等主動式微波傳感器等裝置，通過其獲取光學信息，對比分析電磁波傳輸強弱程度等，對目標區(qū)域與目標對象進行探測。在實踐中，InSAR技術(shù)所發(fā)射出的微波具有較強穿透性，受外界環(huán)境條件的影響相對較弱，不存在其他關(guān)聯(lián)性因素，且具有較強覆蓋性，可在更短時間內(nèi)完成更多數(shù)量的沉降監(jiān)測任務，適用條件較強。

時序InSAR技術(shù)首先根據(jù)既定監(jiān)測技術(shù)方案，將微波信號發(fā)送至目標場景，然后接受目標場景反饋回來的散射能量，最后比對分析返回強度和延時信號等，得出監(jiān)測結(jié)論。通過控制距離向分辨率和方位向分辨率等，可防止監(jiān)測數(shù)據(jù)信息變形等問題。

就時序InSAR技術(shù)而言，其具體監(jiān)測處理流程如下：生成SAR影像連接圖，設定時間基線與空間基線的閾值范圍，保持監(jiān)測過程中的良好干涉條件，滿足監(jiān)測影像數(shù)據(jù)兩兩配對的既定目標需求；即對目標區(qū)域范圍內(nèi)的圖像進行配對，剔除存在明顯偏差的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進行往復多次形變反演，計算得出更加準確的形變速率；對監(jiān)測成果進行編碼，將監(jiān)測數(shù)據(jù)投影變換到地圖系統(tǒng)中，繪制形成監(jiān)測圖線。

6.2? ?做好軌道交通沉降原因分析

通過分析研判沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，可分析出軌道交通沉降的誘發(fā)原因，為細化完善后續(xù)沉降交通優(yōu)化控制方案提供基礎參考。在當前技術(shù)條件下，影響軌道交通沉降的原因是多方面的，地面沉降在垂直方向出現(xiàn)的位移，往往由多類型不同因素疊加而成，只有準確界定各因素之間的權(quán)值關(guān)聯(lián)狀態(tài)，才能更加準確地判斷影響因素。

以交通動負荷為例，軌道交通更多情況下需要承受荷載不同強度的動負荷，且動負荷的方向、力度、矢量等差異明顯，加之地下水位變化和工程地質(zhì)條件等因素影響，最終對軌道交通沉降造成的影響幅度則各不相同。

6.3? ?建立時間序列預測模型

選擇具有代表性的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用遺傳優(yōu)化算法，建立時間序列預測模型，清晰直觀地體現(xiàn)軌道交通沉降狀態(tài)，為采取相應的加固處理措施等提供參考。在該過程中，應注重對比分析沉降監(jiān)測預測值與實際值之間的偏差關(guān)系，若其偏離幅度過大，則應做出調(diào)整糾偏處理，以滿足模型數(shù)據(jù)構(gòu)建要求。同時，利用神經(jīng)元算法，根據(jù)既定神經(jīng)元數(shù)量，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，對軌道交通沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合優(yōu)化，最終得出隱含層節(jié)點數(shù)，確保時間序列預測模型的準確性。模型構(gòu)建完成后，可視軌道交通環(huán)境等基本情況，校核平均沉降值，將相對誤差控制在技術(shù)規(guī)范允許范圍內(nèi)。

6.4? ?點位沉降預測與點位預測精度分析

在城市軌道交通點位沉降預測方面，技術(shù)團隊可以使用時序InSAR技術(shù)方法采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，針對于監(jiān)測數(shù)據(jù)使用格柵矢量化分析，以獲得具有時序累計特征的數(shù)據(jù)源。然后分析特定時刻范圍內(nèi)的累計沉降量，合理選擇插值數(shù)據(jù)。對不同監(jiān)測期間的沉降數(shù)據(jù)進行縱向?qū)Ρ?，結(jié)合不同監(jiān)測點位測得的最大值點、最小值點和平均值點等，驗證點位沉降預測效果。在點位預測精度方面，則應充分發(fā)揮平均絕對誤差、均方根誤差和平均絕對百分比誤差等指標作用，控制預測結(jié)果與真實結(jié)果的平均偏離幅度，同步完成面域沉降的預測。

7? ?結(jié)束語

軌道交通被譽為“城市的生命線”，其能否安全有序地運行，關(guān)系到城市數(shù)百萬人民的人身、財產(chǎn)安全，關(guān)系到人民生活的便利性，關(guān)系到整個城市的發(fā)展。軌道交通具有線路長、環(huán)境相對封閉、盾構(gòu)結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生變形等特點，尤其是已投入運營的軌道交通線路，長期存在的水平方向或者垂直方向的形變會給其安全運營帶來極大威脅，因此需要對軌道交通線路進行長時間、周期性的變形監(jiān)測，為其安全運營提供數(shù)據(jù)保障。隨著科技的不斷進步，傳統(tǒng)水準測量變形監(jiān)測手段加上新技術(shù)的運用，會為軌道交通的監(jiān)測上一道“雙保險”。

參考文獻

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[2] 唐輝明.工程地質(zhì)學基礎[M].北京：化學工業(yè)出版社.2008.

[3] 史儉峰，李戰(zhàn)軍，周波.水準測量在地鐵隧道沉降監(jiān)測中的應用[J].測繪技術(shù)裝備，2014，16（4）：61-64.