地下管線智能化監(jiān)測技術(shù)在地鐵施工中的應(yīng)用

張 銳

（中鐵十六局集團(tuán)有限公司地鐵工程公司，北京 100023）

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，城市地下空間逐步拓展呈網(wǎng)絡(luò)狀，占據(jù)城市地下管線的大部分空間，因此管線損害事故時有發(fā)生，管線事故現(xiàn)在已被認(rèn)定為一級事故，受到施工單位高度重視。特別城市地質(zhì)多為軟土，軟土具有不穩(wěn)定的工程特點，修建地下工程所用的礦山法、暗挖法、盾構(gòu)法不可避免會產(chǎn)生土層變形位移和過大的地表差異沉降，對地下管線的影響十分明顯。盡管目前關(guān)于地鐵施工對鄰近管線的影響研究有了很大進(jìn)展，但就實際情況而言仍存在許多不足。

1）對于雨、污、熱力管線的劣化度評估和剩余變形能力的研究很少，無法進(jìn)行評估和判斷其承載能力及制定控制標(biāo)準(zhǔn)。

2）施工過程中預(yù)測管線變形的方法缺少時效性，全面考慮影響因素時間過長，來不及判斷下一步管線的沉降原因。

因此尋找快速評估管線損害的方法，并迅速定位沉降部位具有重要意義。北京地鐵16 號線15 標(biāo)段項目作為北京市重點工程項目，地處城市中心與交通發(fā)達(dá)地區(qū)，地下管線多且復(fù)雜，給施工帶來較大困難。本文圍繞地鐵施工不能及時預(yù)測沉降進(jìn)行研究，采取智能化監(jiān)測，實時反映管線變形情況，有效避免了施工引起的管線破壞。

1 工程概況

北京地鐵16 號線15 標(biāo)項目為一站一區(qū)間。二里溝站是單層暗挖分離三柱四跨側(cè)式站臺車站，車站中部上跨6 號線車站段采用單層雙跨暗挖結(jié)構(gòu)，16 號線與既有地鐵6 號線呈“十”字交叉換乘，交角為95°。國家圖書館站至二里溝站區(qū)間線路從國家圖書館站東端出發(fā)后向東，后轉(zhuǎn)向西南下穿南長河、動物園，之后沿三里河路向南至二里溝站北端。

2 地下管線智能化監(jiān)測

地下管線是指埋設(shè)于地下（或水下）各種管（溝、巷）道和電纜的總稱。地下管線作為城市重要的組成部分，是人們獲得各種物質(zhì)和生活需要的途徑，擔(dān)負(fù)著傳輸信息和輸送物質(zhì)（能源、上下水等）等工作。

2.1 監(jiān)測布點原則

二里溝站地處交通密集地區(qū)，緊靠西直門外大街，道路周邊行人很多，不可破土開挖，監(jiān)測布點采用間接測點形式，對于柔性接頭管線應(yīng)在接頭處布點，測點常設(shè)在管線軸線相對應(yīng)的地面上，測試儀器主要采用液壓式沉降儀，通過測量數(shù)據(jù)的變化確定管線沉降，決定下一步施工方案。在最大變形處或最大內(nèi)力處布點是為驗證設(shè)計數(shù)據(jù)而設(shè)的測點，可根據(jù)變形情況調(diào)整設(shè)計參數(shù)。施工中的測點布置選擇在最先施工部位進(jìn)行監(jiān)測，信息反饋更加及時準(zhǔn)確，方便指導(dǎo)施工。

2.2 管線沉降監(jiān)控方法

本工程采用智能監(jiān)測設(shè)備——液壓式沉降儀（見圖1）。當(dāng)液壓式沉降儀和儲液罐之間的高差產(chǎn)生變化時，液壓式沉降儀感應(yīng)膜上的液體壓力也產(chǎn)生變化，壓力使感應(yīng)膜的全橋硅片發(fā)生形變，形變轉(zhuǎn)化的電信號經(jīng)電纜傳輸至采集裝置，即可得出觀測點的沉降變化量。

圖1 智能化沉降監(jiān)測系統(tǒng)

為確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性和精確性，監(jiān)測數(shù)據(jù)采用液壓式沉降儀實時測量相關(guān)管線沉降，運用計算機(jī)進(jìn)行各項數(shù)據(jù)整理，在監(jiān)控量測信息平臺公開共享數(shù)據(jù)，附上測點位移時間曲線圖，生成即時監(jiān)測日報，在平臺與施工管理之間信息實現(xiàn)共享，以便于及時調(diào)整各項設(shè)計參數(shù)。

智能化監(jiān)測規(guī)避了過去手寫記錄不真實的可能，用計算機(jī)技術(shù)管理數(shù)據(jù)，不會失去真實性，傳統(tǒng)的測量方法想獲得監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，基本上以天為單位，平臺從現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集到成果分析卻以分鐘為單位，數(shù)據(jù)采集上傳到信息管理平臺后，業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理單位均可在第一時間內(nèi)瀏覽所有數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)采集過程如圖2 所示。施工方通過監(jiān)控量測信息平臺的數(shù)據(jù)進(jìn)行下步施工，分析預(yù)測最終位移值及管線安全性，及時反饋指導(dǎo)施工。在監(jiān)測數(shù)值與預(yù)測值比較時運用反分析法思路，使設(shè)計參數(shù)更符合實際施工。監(jiān)控量測信息化管理平臺充分利用既有設(shè)備和公共通信系統(tǒng)等社會資源，達(dá)到微投入、降低成本、提高效率、性價比高、處理管線事故效率更高的目標(biāo)。

圖2 智能化監(jiān)測云平臺

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與支護(hù)措施

3.1 監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)

目前我國還沒有統(tǒng)一規(guī)定的管線控制標(biāo)準(zhǔn)，在實際工程中常用的管線控制標(biāo)準(zhǔn)是基于工程和試驗基礎(chǔ)上制定出的標(biāo)準(zhǔn)。不同材質(zhì)、接頭類型、使用時間和地區(qū)的管線抗壓性不同，控制標(biāo)準(zhǔn)也不同。本工程在北京相關(guān)工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上制定監(jiān)測管線控制標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)現(xiàn)場實際情況設(shè)定管線沉降率，管理等級為I 級，Ⅱ級時每日加強(qiáng)監(jiān)測頻率和次數(shù)，保證管線安全。在信息化施工中，建立Ⅲ級管理標(biāo)準(zhǔn)（見表1），并及時對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，判斷其穩(wěn)定性，從而指導(dǎo)施工。

表1 監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)

3.2 監(jiān)測警報

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)類型及對沉降的敏感程度制定變形警戒值，以監(jiān)測頻率及變形速率為主要報警值。預(yù)警按程度分為紅色、橙色、黃色預(yù)警。變形值達(dá)到有效控制并符合《北京城市快軌建設(shè)管理有限公司土建工程監(jiān)控量測管理辦法》的消警條件時，警報方可消除。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與支護(hù)措施

管線沉降隨著施工開挖時間的推進(jìn)不斷發(fā)生變化，通過實時監(jiān)測找出沉降變化產(chǎn)生的原因，并采取相應(yīng)加強(qiáng)措施，從而確保管線安全。從車站主體上水點沉降圖（見圖3）中可看出，管線未施工時處于無沉降狀態(tài)，在施工2 個月時間后，管線下降10mm，之后趨于平穩(wěn)呈直線狀，但在10 月28 日又出現(xiàn)大幅沉降，達(dá)33mm，施工單位迅速采取支護(hù)措施，沉降趨于穩(wěn)定，隨著開挖面距離管線的位置越來越近，管線沉降再次加大，呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，最后一次最大沉降量為34mm，經(jīng)過二次注漿支護(hù)，最終呈恒定的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 二里溝站主體上水點沉降

由圖4 可知，管線在施工初期沉降觀測數(shù)值為零，沒有任何變化，隨著開挖時間的移動，下沉速率緩慢，一直處于沉降狀態(tài)，其中WG1-21 管線沉降最明顯，在此過程中一直采取注漿支撐措施，以防沉降數(shù)值偏大，可見施工開挖對污水管線的影響很大，污水管線距離開挖面不遠(yuǎn)，受開挖面影響明顯。與開挖面距離最近時，沉降量達(dá)到最大值，為40mm，隨著注漿量不斷增加，最終回歸穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 二里溝站污水管線沉降

由圖5 可看出，3 條雨水管線沉降大致相同，變化緩慢，最后恒定為44mm。開挖前2 個月和中間2 個月管線沉降速率最快，其余時間管線下沉隨施工時間變化受影響較小。3 條管線的位置是YG3-12 位于最下方，YG3-11 管線位于最上方，埋設(shè)深的管線距離開挖面最近，受到的影響也最大。相較其他2 條管線，YG3-12 管線沉降值超過10mm，剛開始的沉降是由于開挖后土體未加固支撐，管線受到土體的作用力而沉降，第2 次大幅沉降是由于開挖靠近管線，管線受到的影響較大，過了這個沉降點后，開挖面離管線越來越遠(yuǎn)，管線的沉降速率再次減緩，直至不再沉降。

4 結(jié)語

圖5 雨水管線沉降

本項目施工中采用液壓式沉降儀對管線沉降進(jìn)行監(jiān)測，相較傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀監(jiān)測方法，大大減少了人工成本，同時可實行全天候不間斷監(jiān)測，能實時查看整個開挖過程中管線沉降量，且相關(guān)數(shù)據(jù)采集后直接上傳到信息管理平臺后，業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理單位均可在第一時間瀏覽所有數(shù)據(jù)，提高了監(jiān)測力度。同時施工方可通過監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)有針對性地制定下一步施工方案，降低了施工風(fēng)險，有效保證了管線安全，并可為類似施工提供一種新的監(jiān)測方法。