一種位移實時監測系統在地鐵海底隧道應用中與人工監測的對比分析

文∕毛星、趙遠程、張玉楠、豐天星、劉劍飛

1 工區地質條件

地鐵深海隧道工程建設對于工藝技術要求較高，從地質條件環境來看工區內地質條件較為復雜，且具有面積廣、厚度變化大等特點；由于長時間受到河流沖刷、殘破積物等方面的影響，增大了施工作業風險，容易產生位移變化。在此背景下，采用位移實時監測系統能夠為工程建設提供依據，降低不良風險的產生。工區內地質構造復雜，韌性斷裂與褶皺現象層出不窮。目前揭示小規模斷裂破碎帶共7 條，其中陸域段5 條、海域段2 條，斷裂帶的特點是：規模較小，巖體較破碎，圍巖自穩定能力較低，產狀呈高傾角，多為綠泥石充填，大部分地段透水性不強，圍巖分級以Ⅳ為主，少量地段為Ⅴ級。水文地質單元劃分為濱海基巖裂隙水分布區、濱海松散巖類孔隙水分布區和海域基巖裂隙水分布區。

2 監測試驗設計

2.1 監測試驗目的

使用傳統人工監測方法和位移實時監測系統在海底隧道地質復雜地段的同一位置的隧底，進行長期的監測數據采集，對地鐵結構工程地鐵施工期間的隧底變形進行監測，并提供及時、可靠的信息用以評定地鐵工程在施工期間的安全性影響；另外，還可以對比傳統人工監測方法和位移實時監測系統的在海底隧道施工中的應用效果。

2.2 監測方法

2.2.1 傳統人工監測方法

傳統人工監測方法選擇的是電子精密水準儀進行隧底沉降監測。開展時觀測工作應該重視各項限差控制，按照標準要求每測點讀數差值控制在0.3mm以下。針對水準路線上觀測點范圍以外的區域，測站應控制在3 個以內，超過3 個測站的情況下應該及時重讀后視點讀數，以保證監測結果的準確性，并起到核對效果。

相同的監測點應固定線路、固定轉點；同時還要定期對所使用的儀器設備進行維護與校正檢查，以確保儀器測量結果的準確性。以精密水準儀為例，二等水準測量儀器i 角應小于或等于20″。

2.2.2 位移實時監測系統

位移實時監測系統的專利名稱為一種仰拱位移實時監測系統，從結構組成上分析其主要是由數據采集器、沉降計與連通水管等裝置共同組合而成，進行移位實時監測需要保證待監測仰拱埋設能夠與通水管、沉降計相連通。另外，現場監測人員應該具備足夠的專業水平，能夠在監測過程中保持基準液箱中液面的穩定性；除此之外，還應關注過程中的質量控制。當出現仰拱沉降或者隆起等質量缺陷時，會對連通水管位移造成一定變化，從而影響傳感器壓力，對監測結果產生不利影響；這就要求監測人員結合前后2 次數據采集結果，計算線路上各點豎向位移[2]。

仰拱位移實時監測系統也可以用于隧底沉降形變的監測，其監測原理與仰拱位移監測一致。由于傳感器設置位置不同，所進行的監測工作也存在一定差異，比如當傳感器設置在隧道底部的時候，容易受到上部荷載或者人員、車輛通行導致的振動影響，因此為進一步提高監測工作的準確性、可靠性，需要提升傳感器裝置的性能；為避免數據異常產生的影響，可以采用具備數字濾波功能的傳感器[3]。

2.3 監測位置選擇及監測點布置

監測試驗位置選擇在隧道海域段的其中一條斷裂帶布置，人工高精度水準儀監測和仰拱位移實時監測系統布置在同一位置，即海域段K29+750 的斷裂。勘察資料顯示該斷裂寬度＜10m，兩側影響帶寬數米，據此可以推斷該斷裂的最大影響范圍不會超過K29+770 的位置。

仰拱位移實時監測系統選擇布置3 個傳感器，1 號傳感器布置在K29+770 處，間隔10m 在K29+760 處布置2 號傳感器，3 號傳感器則布置在K29+750 處，這樣3 處位置就包括了斷裂帶影響帶以外、斷裂帶影響帶和斷裂帶內部這3 種情況。而數據采集器和基準液箱則布置在距離第一個傳感器3m，即K29+773 處的隧道邊墻上。

3 監測試驗數據分析

仰拱位移實時監測系統數據采集從2018年1月22日至2018年12月2日，持續采集了近11 個月的數據，其監測數據的采集間隔可以根據試驗需求進行實時調節。

仰拱位移實時監測系統，2018年1月22日至2月3日，設置采集間隔為1h，且采集間隔較密集，主要用于設備自身穩定性的評價。1 號傳感器1月30日至2月3日的采集數據，實時監測數據穩定，相對趨勢線上下浮動小于0.3mm，其中1月30日下午17∶25 有一個數據數值浮動約5mm，是典型的受施工車輛振動影響的數據。

在確認實時監測系統數據采集穩定后，開始長期2018年2月4日至12月2日的數據采集，設置采集間隔為2h，數據主要用于隧底沉降監測以及與傳統監測數據的對比。傳統人工監測數據采集從2018年2月3日至2018年12月2日（不包含2018年5月11—2018年6月18日），采樣間隔為2 天一次，需要記錄當天的采集時間。對比數據如圖1。

圖1 人工監測與實時監測系統監測數據（2018.2.30—2018.12.2）

從圖1 中可以明顯看出，實時監測系統數據與人工監測數據整體趨勢基本吻合。總體比較，2018年7月11日前，實施監測系統與人工監測的數據趨勢線吻合度更高；而之后的數據吻合度降低，尤其是1 號傳感器的數據兩者趨勢線最低點最大相差0.6mm。人工監測數據（圖中a、c）相對趨勢線的波動范圍約-0.5～+0.5m，實時監測系統數據（圖中b、d）相對趨勢線波動范圍約-0.2～+0.3mm。

從數據分析的角度，實時監測系統的數據在2018年7月11日前，先略微沉降約0.2mm，然后隆起變化較大約1.5～2mm，1 號傳感器在之后的數據趨于平穩，2 號傳感器在7月11日至9月28日還有一段緩慢隆起的變化約0.7mm，之后數據也趨于平穩。這一數據變化的特點與兩個傳感器所布置的位置有一定的對應關系，1 號傳感器布置在斷裂影響帶以外，2 號傳感器布置在斷裂帶內部；正是因為這樣的位置，所以2號傳感器的監測數據是最后趨于穩定的。

從數據分析的角度來看人工監測的數據，并總體分析所監測位置的變化趨勢，由于數據穩定性稍差，不能像實時監測系統一樣細分一些變化的階段，由此這樣的監測數據是不利于分析因為地質條件影響或者其他影響帶來的監測位置形變影響。

4 結語

通過實時位移監測系統和人工水準儀監測的長期監測數據對比可知，實時位移監測系統能夠滿足地鐵海底隧道隧底沉降監測，它的數據可靠性、穩定性優于人工監測，且實時監測系統安裝以后是不需要人工干預的，因此避免了人為誤差的產生；采集數據的間隔可以根據監測需求進行調節，因此采集效率也是明顯優于人工監測的[4]。由于實時監測系統數據的穩定和數據量的充足，為監測數據的分析提供了更多可能性，因此該系統在滿足隧底沉降監測指標的同時，還可以為研究斷裂帶或者其他地質條件對隧道工程的影響提供有效的監測數據支撐[5]。