地鐵穿越工程沉降監(jiān)測(cè)研究

摘要：在地鐵修建過程中，經(jīng)常會(huì)由于地區(qū)土質(zhì)特性不同而出現(xiàn)不同程度的沉降。傳統(tǒng)的沉降監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)精度低，針對(duì)于此設(shè)計(jì)了新的地鐵穿越工程沉降監(jiān)測(cè)方法。在處理地鐵穿越工程沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，選取沉降監(jiān)測(cè)參考基準(zhǔn)網(wǎng)，根據(jù)基準(zhǔn)網(wǎng)的參數(shù)，構(gòu)建了地鐵穿越沉降監(jiān)測(cè)模型，進(jìn)行實(shí)例分析。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的沉降檢測(cè)方法的監(jiān)測(cè)精度高，監(jiān)測(cè)效果好，具備一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)工程;地鐵隧道;穿越工程;沉降監(jiān)測(cè);監(jiān)測(cè)精度

0" "引言

在國(guó)內(nèi)城市人口增多、人口密度逐漸增高的背景下，地下工程的建設(shè)受到了越來越多人的重視 [1]。我國(guó)很多大城市都建設(shè)了多條地鐵干線[2]，其作為交通系統(tǒng)具有安全、舒適等諸多優(yōu)勢(shì)，有利于經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。為了保證乘客正常出行，地鐵穿越工程建設(shè)時(shí)要盡量避免干擾其他交通，減少其他交通工具的壓力[3]。

在工程實(shí)踐中，很多地下工程都需要在惡劣的地質(zhì)條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)，經(jīng)常面臨較大風(fēng)險(xiǎn)[4]。地鐵隧道施工在多種因素影響下，往往會(huì)出現(xiàn)土體變形、沉降情況。土體變形、沉降達(dá)到一定限度，不僅會(huì)影響地鐵的正常運(yùn)行，還可能引發(fā)安全事故，造成人員傷亡，因此需要及時(shí)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的沉降監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)精度低，針對(duì)于此我們?cè)O(shè)計(jì)了新的地鐵穿越工程沉降監(jiān)測(cè)方法。

1" "地鐵穿越工程沉降監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1" "處理地鐵穿越工程沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

由于從真實(shí)土體中獲得的變形數(shù)據(jù)不能用于即時(shí)監(jiān)測(cè)，因此需要設(shè)計(jì)沉降數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)步驟。第一步，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，識(shí)別缺失或錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，及時(shí)對(duì)相位拐點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別處理[5]。第二步，使用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型來解釋、分析和預(yù)測(cè)處理后的數(shù)據(jù)，以顯示測(cè)量目標(biāo)前、后的變形狀態(tài)，并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了未來的變形趨勢(shì)。

目前的預(yù)測(cè)方法包括時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)、灰色模型預(yù)測(cè)等。在測(cè)量工作中，測(cè)量數(shù)據(jù)的總誤差往往是由外界客觀因素、測(cè)量人員主觀因素、測(cè)量設(shè)備故障因素等多種因素造成的。重大誤差的存在破壞了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，嚴(yán)重背離了事實(shí)。而將一些較大的正態(tài)誤差作為總誤差去除，則可以提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，因此處理數(shù)據(jù)的最重要步驟就是數(shù)據(jù)剔除。

地鐵沉降監(jiān)測(cè)的觀測(cè)條件不好會(huì)引起誤差較大，為了準(zhǔn)確反映情況，需要進(jìn)行綜合分析，并增加觀測(cè)次數(shù)，反復(fù)確認(rèn)。保證數(shù)據(jù)可靠性和結(jié)果準(zhǔn)確性的前提，需要正確識(shí)別數(shù)據(jù)，檢測(cè)關(guān)鍵錯(cuò)誤。采集沉降工程數(shù)據(jù)后，需根據(jù)數(shù)據(jù)類型剔除數(shù)據(jù)。

地鐵施工過程中，變形體的變形大部分在1個(gè)月左右完成，采集的變形數(shù)據(jù)多為小樣本，因此需要選用Grubbs和Dixon準(zhǔn)則，剔除最小的樣本，保留綜合數(shù)據(jù)值，避免剔除結(jié)果出錯(cuò)。Shoveler 準(zhǔn)則的置信度隨著n 的變化而變化[6]，因此Shoveler 準(zhǔn)則的數(shù)據(jù)提出準(zhǔn)確度明顯高于Grubbs 準(zhǔn)則。換句話說，Shoveler的靈敏度高于Grubbs，且處理小樣本時(shí)，Shoveler可以無視總誤差。為此當(dāng)樣本較大時(shí)，宜采用Shoveler準(zhǔn)則進(jìn)行總誤差數(shù)據(jù)剔除。

1.2" "選取沉降監(jiān)測(cè)參考基準(zhǔn)網(wǎng)

在選取沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)前，需要統(tǒng)一進(jìn)行基準(zhǔn)設(shè)置。沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化，都是根據(jù)多個(gè)時(shí)間段的觀測(cè)結(jié)果得到的。使用不同的標(biāo)準(zhǔn)分析時(shí)，這些點(diǎn)的垂直位移不相同。準(zhǔn)則的選擇與基準(zhǔn)網(wǎng)的調(diào)整方法密切相關(guān)。固定參考是參考網(wǎng)選取的標(biāo)準(zhǔn)，可將其作為參考網(wǎng)監(jiān)測(cè)的固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)[7]。該監(jiān)測(cè)點(diǎn)不會(huì)隨著時(shí)間變化而變化，因此被稱為固定參考點(diǎn)。沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)要么是變形點(diǎn)，要么是不固定的測(cè)點(diǎn)，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)和沉降測(cè)量點(diǎn)分析，認(rèn)為變形點(diǎn)和不固定測(cè)點(diǎn)的出現(xiàn)概率相同，因此可以在參考基準(zhǔn)網(wǎng)中添加固定參考，將其作為基準(zhǔn)網(wǎng)選取基礎(chǔ)。

除了需要選取固定點(diǎn)，在設(shè)置參考網(wǎng)時(shí)還需要預(yù)先劃分基線。為了得到可靠的基線位置，需要人為引入和約束參考數(shù)值。以各點(diǎn)的平均值為基準(zhǔn)，考慮到不同時(shí)間段內(nèi)所有點(diǎn)的數(shù)值變化，采用自由網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整結(jié)果以重心基準(zhǔn)為主。該調(diào)整方法作為重心基準(zhǔn)判斷的一種特殊形式，可以用于參考線的劃分。

固定參考線劃分的三個(gè)基準(zhǔn)包括固定基準(zhǔn)、重心基準(zhǔn)和亞穩(wěn)態(tài)基準(zhǔn)。一般來說，如果監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)有固定點(diǎn)，最好采用固定基線。與滑坡觀測(cè)一樣，基準(zhǔn)網(wǎng)對(duì)沉降監(jiān)測(cè)基點(diǎn)的判斷需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在有限的轉(zhuǎn)換半徑范圍內(nèi)[8]，可考慮遠(yuǎn)離中心的參考點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)基點(diǎn)轉(zhuǎn)換。在進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，如果監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)部分穩(wěn)定，則需要進(jìn)行穩(wěn)定基準(zhǔn)測(cè)試，以將監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)調(diào)整到完全穩(wěn)定。如果監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)點(diǎn)都是變換點(diǎn)，并且變形的概率相等，可以使用質(zhì)心基準(zhǔn)進(jìn)行無秩缺陷網(wǎng)絡(luò)調(diào)整。

1.3" "構(gòu)建地鐵穿越沉降監(jiān)測(cè)模型

在構(gòu)建地鐵穿越沉降模型時(shí)，地鐵內(nèi)部埋設(shè)的監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)也會(huì)出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。地鐵的變形監(jiān)測(cè)是以基準(zhǔn)點(diǎn)為起算數(shù)據(jù)開展的，為此監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)必然會(huì)受到基準(zhǔn)點(diǎn)沉降的干擾。在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過程中，監(jiān)測(cè)到的GPS數(shù)據(jù)會(huì)受到多種因素影響，產(chǎn)生噪聲。

這些噪聲對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生巨大的干擾，甚至?xí)谏w監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降信息，因此獲得基準(zhǔn)點(diǎn)沉降改正值需要完成兩項(xiàng)工作：一是消除GPS坐標(biāo)時(shí)間序列中的噪聲，二是提取高程方向的變化值。GPS測(cè)量數(shù)據(jù)中的噪聲具有自相關(guān)性，基于此構(gòu)建的地鐵穿越沉降監(jiān)測(cè)模型如公式（1）所示。

x_t=f（x_t-1，x_t-2，…）+a_t （1）

公式（1）中，x_t代表t時(shí)刻數(shù)值，a_t代表新問題對(duì)數(shù)據(jù)的影響，f（x_t-1，x_t-2，…）代表數(shù)據(jù)關(guān)系函數(shù)。在高采樣率動(dòng)態(tài)GPS 觀測(cè)中，測(cè)量坐標(biāo)序列中的噪聲具有較高的自相關(guān)性，因此設(shè)計(jì)的自相關(guān)函數(shù)可用來確定序列中的GPS 坐標(biāo)和噪聲。

地鐵沉降監(jiān)測(cè)需要較高的監(jiān)測(cè)精度，而現(xiàn)有的降噪模型卻不能滿足要求。文中基于分形算法的卡爾曼濾波去噪模型，可以根據(jù)高頻動(dòng)態(tài)GPS觀測(cè)序列中噪聲的特點(diǎn)，有效濾除隨機(jī)噪聲，計(jì)算地面沉降的變化值，及時(shí)校正參考點(diǎn)。

2" "實(shí)例分析

2.1" "工程概況

選取某地區(qū)地鐵一號(hào)線隧道作為分析對(duì)象，分析設(shè)計(jì)沉降監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)效果。該隧道施工位置如圖1所示。由圖1可知，該隧道的起點(diǎn)里程為DK6+052.811，設(shè)計(jì)終點(diǎn)里程為DK6+811.804，隧道區(qū)間長(zhǎng)度約為800m，整個(gè)隧道呈單線圓形，最大埋深為20m，主要采用盾構(gòu)法施工。地質(zhì)勘察表明，該隧道開挖前地勢(shì)柔軟，地表平坦，地表巖石呈北向西南走勢(shì)，蓋層較薄，基底為較厚、剛度較大的花崗巖片麻巖。地層可分為新生代第四紀(jì)粘土、砂土、礫石土、第三紀(jì)泥巖和礫巖，可歸類為花崗巖片麻巖地層。

2.2" "應(yīng)用效果

分別使用本文設(shè)計(jì)的地鐵穿越沉降監(jiān)測(cè)方法和傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法對(duì)該地區(qū)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，本文設(shè)計(jì)方法在多項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)中都與標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)值擬合，證明本文設(shè)計(jì)方法的監(jiān)測(cè)精度高，監(jiān)測(cè)效果好。

3" "結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的沉降監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)精度低，本文針對(duì)于此設(shè)計(jì)了新的地鐵穿越工程沉降監(jiān)測(cè)方法。在處理地鐵穿越工程沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，選取沉降監(jiān)測(cè)參考基準(zhǔn)網(wǎng)，根據(jù)基準(zhǔn)網(wǎng)的參數(shù)，構(gòu)建了地鐵穿越沉降監(jiān)測(cè)模型，進(jìn)行實(shí)例分析。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的沉降檢測(cè)方法的監(jiān)測(cè)精度高，監(jiān)測(cè)效果好，具備一定的實(shí)用價(jià)值。

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