地鐵隧道變形監(jiān)測關鍵技術(shù)與分析預報方法研究

摘 要：本文主要是以地鐵隧道變形監(jiān)測為核心，對變形產(chǎn)生主要原因、監(jiān)測關鍵技術(shù)、自動化監(jiān)測的應用及相關數(shù)據(jù)分析進行討論。

關鍵詞：地鐵隧道變形；自動化監(jiān)測技術(shù)；預報方法

隨著城市化進程逐步加快，地下隧道交通運輸業(yè)深入發(fā)展。地鐵隧道在施工與投入運營中，隧道結(jié)構(gòu)受到外部水文、地質(zhì)及周邊區(qū)域施工等要素影響，會出現(xiàn)不同程度變形與裂縫等病害，因此做好隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測，提升隧道穩(wěn)定性至關重要。

1 地鐵隧道變形的主要原因分析

1.1運營期結(jié)構(gòu)變形

運營期地鐵結(jié)構(gòu)變形主要有軌道結(jié)構(gòu)和隧道結(jié)構(gòu)兩種變形形式，其中軌道結(jié)構(gòu)變形主要是由于地鐵列車長期荷載對軌道產(chǎn)生反復作用力，導致軌道發(fā)生幾何偏差，對軌道穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。軌道變形將會導致列車運行中發(fā)生不同程度振動問題，降低乘客舒適度，也會加劇結(jié)構(gòu)部件損壞，影響列車行車安全。隧道結(jié)構(gòu)變形主要是隧道周邊區(qū)域施工活動產(chǎn)生的加載、負荷等會導致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的變形，此類變形也會影響軌道平整度，影響軌道結(jié)構(gòu)變形。

1.2施工期結(jié)構(gòu)變形

地鐵隧道施工一般應用盾構(gòu)、淺埋暗挖等方法，若在施工期間對盾構(gòu)機的土倉壓力、盾尾注漿量、掘進速度等各項參數(shù)控制不好的情況下會對地下巖土會產(chǎn)生較大擾動性，破壞土層平衡條件導致結(jié)構(gòu)變形；若是開挖施工期間開挖深度擴大或支護不及時也會導致結(jié)構(gòu)變形；所以在隧道施工期間要對隧道結(jié)構(gòu)與隧道地表進行全面監(jiān)測，這樣能夠為提升開挖施工安全性提供有效數(shù)據(jù)。

2 地鐵隧道變形監(jiān)測關鍵技術(shù)應用

2.1地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測信息系統(tǒng)設計

目前以地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測信息為主要管理對象，對結(jié)構(gòu)變形實際發(fā)展情況進行分析，合理應用監(jiān)測數(shù)據(jù)分析技術(shù)、信息管理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等對隧道結(jié)構(gòu)變形信息進行存儲，通過預處理、信息管理分析與預警等，能為結(jié)構(gòu)分析提供有效的資源，真實反饋出項目整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為隧道變形監(jiān)測管理系統(tǒng)建立提供參考數(shù)據(jù)，為后續(xù)實現(xiàn)自動化監(jiān)測及安全監(jiān)測專家系統(tǒng)應用奠定基礎。

2.2三維變形監(jiān)測技術(shù)

三維變形監(jiān)測技術(shù)也能稱為激光雷達技術(shù)，在測量中應用此技術(shù)能夠避免人工操作誤差，獲取的幾何圖像主要是應用掃描棱鏡發(fā)射的激光點云進行收集。借助激光快捷的測距性能，能夠構(gòu)建三維空間模型。在監(jiān)測區(qū)域中按照軌道中心線位置設置測量控制網(wǎng)。判定隧道中心點位置，然后布設橫斷面，間距控制為3m，在墻壁垂線、項目地基、穹拱上布設反射標靶，便于三維激光掃描之后收集點云。現(xiàn)階段在地鐵隧道項目中進行變形監(jiān)測，通過不間斷監(jiān)測能夠提升隧道結(jié)構(gòu)安全性。應用測量機器人完成各項目標，借助遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)對地鐵側(cè)墻垂線、隧道結(jié)構(gòu)、路基進行監(jiān)控[1]。

3 地鐵隧道變形監(jiān)測分析與預報方法探析

3.1工程應用

在某項地鐵隧道工程中應用三維激光掃描方法對隧道結(jié)構(gòu)變形進行監(jiān)測，在此項目隧道1號線位置上方有大型市政基坑施工，對隧道原有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大影響。變形區(qū)域主要是從K15+493到K15+679，在此段監(jiān)測中，能夠得出以下結(jié)論：隧道最大變形達到+1.86mm，變形點累積變形量最大達到+10.1mm。對監(jiān)測結(jié)果進行分析，本項目施工中對隧道結(jié)構(gòu)累積變形超出+10mm，因此市政工程對地鐵隧道產(chǎn)生了較大影響。與過去傳統(tǒng)人工監(jiān)測方式相比，通過監(jiān)測點連續(xù)性監(jiān)測，獲取的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更高，對隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測更加準確。

3.2測量機器人的合理布設

在隧道項目變形監(jiān)測中通過自動化電子全站儀能夠進行監(jiān)測，此類設備在業(yè)界中被稱為測量機器人，能夠自動化對目標進行探查與辨認。在各個監(jiān)測點遵循布設全站儀自由設站基本原則能夠?qū)τ^測點進行全面監(jiān)測。在觀測點中可以布設反射片，擴大感光率，使得獲取的數(shù)據(jù)準確性更高。再借助計算機應用軟件對獲取的三維坐標進行處理，能掌握監(jiān)測位置三維坐標變化情況，通過△x、△y、△z進行表示。實際操作如下，在地鐵隧道管片上安置觀測墩，觀測點反射片安裝數(shù)量控制在6至16片，安裝區(qū)域在軌道固定點、墻體垂線、管片位置，通過機器人自動采集各類坐標數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳遞到控制器中。

3.3設置基準點與工作基點

在本項目隧道工程變形監(jiān)測過程中，在車站中布設監(jiān)測基準點，在不同出入段可以設置3個基準點，對基準點進行檢測。在基點布置過程中，可以在中部位置隧道側(cè)墻上布設長度為400mm的托架，在左線及左端入線段設置工作基點。變形監(jiān)測點能夠結(jié)合相應要求對斷面進行布設，不同斷面需要布設不同監(jiān)測點，在各個觀測點中要配置反射棱鏡。

3.4數(shù)據(jù)分析

地鐵隧道工程變形監(jiān)測主要是為了獲取多項變形數(shù)據(jù)，掌握隧道和軌道基本運行現(xiàn)狀，便于后期投入運營中發(fā)生各類事故之后有數(shù)據(jù)能夠參照。傳統(tǒng)化單一的監(jiān)測模式開始轉(zhuǎn)為立體交叉多元化監(jiān)測模式，采集數(shù)據(jù)也朝著連續(xù)性方向發(fā)展。在人工神經(jīng)網(wǎng)絡、時間序列、回歸分析、卡爾曼濾波等不同的智能分析方法中，能夠全面促進變形動態(tài)模型的發(fā)展。卡爾曼濾波算法就是在動態(tài)系統(tǒng)中通過狀態(tài)方程，結(jié)合空間攝影理論獲取狀態(tài)估計信息。其狀態(tài)方程為Xk+1=Фk+1，kXk+ψk+1，kUk+1+Гk+1，kΩk+1。其中X表示狀態(tài)向量，L是觀測向量，U是控制向量。

結(jié)語

在地下隧道工程中出現(xiàn)變形問題難以避免，通過關鍵的三維監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)こ踢M行快速的變形監(jiān)測，為后續(xù)地鐵隧道項目建設提供參考。

參考文獻

[1]陳能輝.地鐵隧道變形監(jiān)測關鍵技術(shù)分析[J].大科技，2016（34）：192-193.

作者簡介：

胡衛(wèi)東，男，1989.12，漢，安徽省黃山市，本科，助理工程師