李文雅,趙秀琴

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司,天津 300000)

0 引 言

軌道交通作為人們日常出行的重要交通工具,是城市交通的主動脈之一,其運營的安全關乎每個人的安全及運營的成本。測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)具有精度高、分布式、實時動態(tài)、全天候智能遠程遙測的優(yōu)點,在軌道交通線路和隧道工程安全監(jiān)測領域有著廣泛的應用前景[1-5]。其中張賽等結合某電站的實測數(shù)據(jù)驗證了基于歷時數(shù)據(jù)的測量機器人的實時粗差探測方法[6]。沈雨等開發(fā)了RTU系統(tǒng)和虛擬傳開模塊,利用4G無線傳輸技術,基于徠卡TM30測量機器人實現(xiàn)了監(jiān)測的遠程控制、數(shù)據(jù)的快速傳輸和實時更新[7]。陳榮彬等對廣州一地下基礎工程對運營地鐵3號線的影響進行自動化監(jiān)測為實例,實現(xiàn)了無人值守的自動化監(jiān)測,提高了監(jiān)測的效率[8]。徐玉健等對天津地鐵6號線的運營監(jiān)測采用測量機器人和靜力水準兩套監(jiān)測系統(tǒng)相結合的方式進行了監(jiān)測,及時對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了數(shù)據(jù)分析和預警,為6號線的運營安全提供了保障[9]。曹毅、李術希利用自動化變形監(jiān)測的方式研究了市政隧道爆破施工上穿運營高鐵隧道產生的影響,實現(xiàn)了高效率、高精度地對運營高鐵隧道進行監(jiān)測,保證高鐵運營的安全[10]。

本文以天津地鐵4號線北延工程下穿地鐵1號線區(qū)間為例,介紹了測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng),并進行數(shù)據(jù)的采集整理和分析,為盾構掘進施工提供了高精度的基礎數(shù)據(jù),保證了運營線路的安全,也為后續(xù)的施工提供了參考。

1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示,主要由數(shù)據(jù)庫、客戶端、控制箱、現(xiàn)場監(jiān)測端等部位組成?？刂浦行目梢詫崿F(xiàn)遠程的人機交互,將監(jiān)測指令傳遞到控制箱,現(xiàn)場監(jiān)測端根據(jù)監(jiān)測指令通過測量機器人完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集,根據(jù)系統(tǒng)的指令將采集數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)姆绞絺鬟f到控制中心[11],結合SQLServer數(shù)據(jù)庫技術對數(shù)據(jù)進行自動儲存[12],然后對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的管理預處理、進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析以及監(jiān)測結果的輸出。為施工提供高精度、高時效的監(jiān)測數(shù)據(jù)以滿足施工的需要。

圖1 測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)拓撲圖

2 測量機器人變形監(jiān)測原理

2.1 豎向位移和水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取

測量機器人變形監(jiān)測根據(jù)情況分兩種,固定全自動持續(xù)監(jiān)測方式和移動周期性網(wǎng)觀測方式[13]。一般采用固定全自動持續(xù)監(jiān)測的方式進行觀測,采用多方向后方交會的方式進行三維坐標的采集和計算。多方向后方交會,在設站時候方向觀測多于3個的交會測量方法[14,15],如圖2所示,全站儀固定在一個點位,然后通過學習測量,記錄基準點和監(jiān)測點的空間位置信息,根據(jù)監(jiān)測的方案按照一定的頻率及限差的要求進行自動重復的觀測,在觀測的過程中如出現(xiàn)超限數(shù)據(jù)則進行重測。將觀測得到的方向值、距離值和天頂距,根據(jù)觀測的基準點的平面坐標、高程采用條件平差的方法進行計算,從而得到監(jiān)測點的平面坐標值和高程[14]。系統(tǒng)工作運行前實現(xiàn)將環(huán)境測量因素(溫濕度、氣壓)內置系統(tǒng),以便讓系統(tǒng)自動計算確定誤差常數(shù)。

圖2 測量機器人監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取

(1)

2.2 隧道結構收斂數(shù)據(jù)的獲取

如圖3所示測量機器人架設在P點,監(jiān)測點A、B為安置的小棱鏡,通過觀測可以測得P點到A、B兩點的距離值a、b及P點到A、B兩點的夾角α,則根據(jù)三角余弦定理可計算A、B兩點的距離c。

圖3 收斂監(jiān)測示意圖

(2)

(3)

也可以通過監(jiān)測點A、B的三維坐標反算計算監(jiān)測點A、B的間距,并與初始狀態(tài)進行對比,則期收斂的計算公式為:

(4)

3 工程實例

3.1 工程概況

天津地鐵4號線西于莊站～西站站區(qū)間(以下簡稱西西區(qū)間)下穿地鐵1號線區(qū)間正線。1號線結構箱體寬度約 13.1 m,圍護結構采用鉆孔灌注樁+水泥攪拌樁,箱體結構基底設置鉆孔灌注樁。1號線變形縫預留寬度為 30 mm,安裝橋式橡膠止水帶。隧道與既有線區(qū)間結構樁基垂直凈距 0.769 m,隧道與既有線區(qū)間箱體結構垂直凈距10.21～11.24 m,與1號線2號風道豎向間距為 11.5 m,4號線與1號線位置關系如圖4所示。

圖4 4號線西西區(qū)間與1號線既有區(qū)間結構關系圖

3.2 監(jiān)測范圍及基準點、監(jiān)測點、測量機器人的布設安裝

根據(jù)設計文件并結合《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》GB50911—2013的有關規(guī)定,需要對既有軌道交通隧道結構豎向位移、水平位移和凈空收斂監(jiān)測進行檢查,且各監(jiān)測項應按照監(jiān)測斷面布設在同一斷面。既有隧道結構位于施工影響區(qū)的主要影響區(qū)時,監(jiān)測斷面間距不大于 5 m;位于次要影響區(qū)時,監(jiān)測斷面間距不大于 10 m。每個監(jiān)測斷面布設的監(jiān)測點在隧道結構頂部或底部、兩側邊墻。監(jiān)測點布設點位應充分地考慮對軌道交通行車的影響,避免對既有軌道交通運營產生影響。

既有1號線監(jiān)測采用全站儀機器人自動化測量,范圍總長約 130 m,共計18個監(jiān)測斷面,其中主要影響區(qū)監(jiān)測斷面按 5 m劃分;次要影響區(qū)監(jiān)測斷面按 10 m劃分。同時結合現(xiàn)場具體條件,對斷面間距進行微小調整,以適應現(xiàn)場情況,變形縫兩側應按加密斷面布置,如圖5所示。

圖5 監(jiān)測范圍及監(jiān)測斷面劃分平面示意圖

基準點設置在變形監(jiān)測區(qū)以外的穩(wěn)定結構上,不得安裝在隧道內的電纜橋架等物體上面,且保證其穩(wěn)固性。根據(jù)現(xiàn)場條件,基準點可埋在隧道腰部也可在道床上。

自動化監(jiān)測的基準點采用大棱鏡。同時自動化監(jiān)測的基準點與人工監(jiān)測基準點布置于同一個斷面位置處,不應相距過遠。因為左右線兩條隧道為兩個相互獨立的監(jiān)測系統(tǒng),本工程每條隧道兩端分別布置4個自動化監(jiān)測基準點(高程、平面)和4個人工監(jiān)測基準點(高程)。

監(jiān)測點采用L型小棱鏡,隧道結構和車站結構的監(jiān)測點布置于隧道管片腰部或偏下位置以及車站內結構側墻上,軌道道床監(jiān)測點直接安置在道床上,并做保護罩防止踩踏。每個斷面布設4個小棱鏡,安裝示意如圖6所示。根據(jù)本工程的監(jiān)測范圍和通視條件,每條隧道各布置1臺0.5″精度測量機器人,自動化監(jiān)測信號發(fā)射源盡量遠離運營隧道中的AP信號箱和發(fā)射天線,以免無線傳輸信號產生干擾。

圖6 監(jiān)測斷面監(jiān)測點布設示意圖

3.3 監(jiān)測的周期和頻率

本項目監(jiān)測周期為盾構進入保護區(qū)范圍的前一周起到盾構下穿1號線脫出保護區(qū)范圍外后的3個月,直至1號線地鐵結構穩(wěn)定為止。在工后數(shù)據(jù)恢復穩(wěn)定,既有1號線隧道結構的變形趨于穩(wěn)定,結構安全、隱患風險消除后申請停測施工。

施工期間采用自動化監(jiān)測和人工監(jiān)測校核兩種方式,監(jiān)測頻率與施工進度動態(tài)相結合,根據(jù)施工單位施工進度實時調整監(jiān)測頻率,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時增減監(jiān)測頻率。監(jiān)測頻率如下:自動化監(jiān)測頻率為1次/h,穿越后1個月內測量頻率為1次/6h,穿越后2～3個月內監(jiān)測頻率為1次/7天。人工監(jiān)測一般根據(jù)天窗點適當?shù)卣{整,穿越前1次/7d,穿越中為1次/1d,盾體脫出保護范圍后慢慢降頻1次/2d、1次/3d、1次/7d,數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后1次/30d。當出現(xiàn)風險異常情況應加大監(jiān)測頻率。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析

4號線西西區(qū)間左線為先行掘進始發(fā),下穿1號線隧道的時間為2021.7.13進入保護區(qū)→2021.7.20進入1號線左線→2021.7.24脫離1號線右線→2021.7.27完全脫離保護區(qū)。在盾構下穿之前進行試驗段的模擬掘進總結盾構掘進參數(shù)。在下穿過程中推進過程注入“克泥效”,管片脫出盾尾后3～5環(huán)后開始二次注漿。下穿1號線期間,將按試驗段掘進參數(shù)推進并結合監(jiān)測數(shù)據(jù)進行細化。分析曲線選擇左線盾構穿越區(qū)域范圍內的10-16監(jiān)測斷面,數(shù)據(jù)曲線如圖7所示。

圖7 左線穿越期間1號線左線軌道結構豎向位移變化歷時曲線圖

在4號線左線穿越1號線的過程中從曲線圖我們可以看出,整體數(shù)據(jù)穿越前是處于平穩(wěn)階段,盾體到達隧道前由于土倉的壓力,刀盤前方呈現(xiàn)微隆起的現(xiàn)象,盾體在穿越1號線過程中是下沉階段,下沉趨勢比較明顯,最大下沉量約為 -2.0 mm左右。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)情況,在盾尾脫出管片后3～5環(huán)后立刻開始采用多點位少量多次的二次注漿,防止隧道結構的持續(xù)下沉,在曲線圖中可以明顯看出多次的注漿過程,每次注漿隧道結構呈現(xiàn)隆起狀態(tài),尤其是7月25日,注漿隆起0.5～0.7 mm,速率接近預警。在此過程中及時提醒施工單位,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的情況及時調整注漿量和注漿壓力,防止監(jiān)測數(shù)據(jù)的突變,速率預警。在盾體通過后的一周后,監(jiān)測數(shù)據(jù)基本趨于穩(wěn)定。

4號線西西區(qū)間右線2021.11.1進入1號線的保護區(qū)→2021.11.3進入1號線左線→2021.11.6脫離1號線右線→2021.11.10盾構機駛出保護區(qū)。分析曲線選擇右線盾構穿越區(qū)域范圍內的3-10監(jiān)測斷面,數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。

圖8 右線穿越期間1號線左線軌道結構豎向位移變化歷時曲線圖

根據(jù)4號線右線盾構下穿1號線隧道結構的豎向位移變化歷時曲線圖我們可以看出,盾構機進入1號線控制保護區(qū)后軌道結構沉降受土倉壓力的影響呈現(xiàn)短暫的略微隆起上升,同時也存在二次擾動。從2021.11.2～2021.11.6盾構機完成脫離1號線右線,隧道結構一直呈現(xiàn)緩慢下沉趨勢,同步注漿效果不明顯。11月7日進行了二次注漿,注漿隆起后仍繼續(xù)下沉,到11月9日累計沉降量達到最大值為 -3.3 mm,為了阻止隧道的持續(xù)變形,施工單位持續(xù)多次地進行二次注漿,直至隧道結構的下沉趨穩(wěn)定。

在左右線穿越過重也進行了人工輔助性監(jiān)測,測量機器人自動化監(jiān)測與人工輔助性監(jiān)測的成果變化趨勢一致,監(jiān)測累計變化量較差在-0.5～0.8 mm之間,變形發(fā)展趨勢基本吻合,監(jiān)測精度滿足需求。

4 結 語

(1)本文介紹了自動化監(jiān)測系統(tǒng)的組成和變形監(jiān)測原理并以天津地鐵4號線下穿既有1號線為例驗證了自動化監(jiān)測系統(tǒng)可以高精度、高頻率地為施工提供有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)并以指導施工,天津地鐵4號線西西區(qū)間盾構施工,在穿越過程中測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)及人工輔助性監(jiān)測工作及時跟進,變形發(fā)展趨勢基本吻合,自動化監(jiān)測系統(tǒng)未出現(xiàn)中斷及停滯現(xiàn)象,較好地完成了該階段的工作任務。在掘進的過程中采用了科學的施工流程,周密的監(jiān)測手段將高精度、高頻率的監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋到掘進現(xiàn)場,及時調整掘進參數(shù)、同步二次注漿量、注漿壓力等,截至停測既有1號線累計最大值隧道結構沉降 -3.6 mm、隧道結構水平位移和收斂變化±1.5 mm之內變形較小,各項監(jiān)測數(shù)據(jù)均在允許值范圍內,成功地保障既有運營線路的安全運行,可以廣泛應用到保護區(qū)監(jiān)測。

(2)本工程施工周期相對較短,監(jiān)測元器件受外界條件影響較小。若施工周期較長,在監(jiān)測過程中,測量機器人、小棱鏡易受行車及隧道內煙塵等環(huán)境的影響較大,應定期對監(jiān)測元器件進行保養(yǎng)檢查。同時,基準點的穩(wěn)定性對監(jiān)測的精度影響較大,在自動化監(jiān)測過程中仍需人工定期對基準點進行復測更新以保證監(jiān)測的精度滿足要求。