城市軌道交通施工安全監(jiān)測與控制

代裕清

（中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司，上海 200070）

1 引言

社會發(fā)展的過程中，交通擁擠問題日益突出，為了能夠有效地解決該類問題，越來越多的城市開始發(fā)展軌道交通建設(shè)。但是地鐵工程的施工工藝相對復(fù)雜，引發(fā)安全事故的因素也較多，地鐵的施工建設(shè)相對而言是一項高風(fēng)險的工程。此外，地鐵的修建通常都是處于人口相對密集的中心城區(qū)，周圍的環(huán)境復(fù)雜，一旦出現(xiàn)事故將會產(chǎn)生不可估計的損失。隨著軌道交通的發(fā)展，軌道交通工程施工中深基坑的開挖也越來越普遍，深基坑的開挖會使周圍的受力狀態(tài)發(fā)生改變，也就會對周圍結(jié)構(gòu)以及建筑物的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[1]。對基坑進(jìn)行合理的變形監(jiān)測能夠?qū)κ┕さ陌踩宰龀雠袛啵軌蛴行Х乐故鹿拾l(fā)生，或者盡可能將事故造成的損失降到最低。地鐵施工變形監(jiān)測與預(yù)測就是在地鐵施工的過程中通過測量儀器對周圍的土體以及建筑物的位移等進(jìn)行實時測量控制，對后續(xù)階段的施工變形做出預(yù)測，同時為后續(xù)開挖和支護(hù)提出合理建議，確保安全施工[2]。

2 地鐵車站監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取

2.1 地鐵工程變形監(jiān)測的主要內(nèi)容

對基坑進(jìn)行監(jiān)測的主要目的是對基坑周圍的圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，同時及時反饋監(jiān)測的信息，然后根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，做出預(yù)警。地鐵的開挖方式不同，所需要的監(jiān)測項目也會有所差別。不同開挖形式的監(jiān)測項目如表1所示。

表1 不同開挖形式的監(jiān)測項目

地鐵主要是由車站和地鐵區(qū)間組成，不同施工位置需要監(jiān)測的項目如表2 所示。

表2 不同施工位置的監(jiān)測項目

2.2 地鐵工程各項目監(jiān)測方法

2.2.1 空間位移監(jiān)測

空間位移的監(jiān)測主要包含水平位移、豎向位移、傾斜位移3 個方面。目前，在條件較好的區(qū)域可以通過利用電子全站儀、GPS、無棱鏡電子全站儀等實現(xiàn)3 項監(jiān)測內(nèi)容的一體化、動態(tài)化和實時化監(jiān)測。水平位移監(jiān)測通常是對基坑的圍護(hù)體系進(jìn)行監(jiān)測，應(yīng)根據(jù)實際情況合理選擇監(jiān)測方法，其中可選擇的方法包含GPS、交會測量、導(dǎo)線、視準(zhǔn)線等。GPS 測量法水平位移測量的精度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候全自動監(jiān)測。交會測量的方法監(jiān)測費用較低，不需要特殊的儀器，但其監(jiān)測的精度以及可靠性相對而言更低[3]。

2.2.2 豎向位移監(jiān)測

豎向位移監(jiān)測需要貫穿于整個施工全過程，通常在基坑開挖之前就已經(jīng)開始監(jiān)測，直到沉降基本停止。通過進(jìn)行豎向位移監(jiān)測能夠掌握地面的移動以及變形規(guī)律，然后根據(jù)變形情況做出預(yù)報并提出合理的防治措施。豎向位移監(jiān)測的儀器通常選用水準(zhǔn)儀，可以選擇附合水準(zhǔn)路線和閉合水準(zhǔn)路線兩種測量方式。

2.2.3 傾斜監(jiān)測

傾斜監(jiān)測是在圍護(hù)體內(nèi)安裝測斜管，通過此來反映出基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及土體的變形規(guī)律，對施工速率進(jìn)行指導(dǎo)，從而達(dá)到保障臨近結(jié)構(gòu)物的安全的目的。

2.2.4 裂縫監(jiān)測

通過裂縫監(jiān)測能夠?qū)α芽p對結(jié)構(gòu)物影響的大小做出判斷。對裂縫的監(jiān)測主要包括裂縫的走向、位置、長、寬、深等參數(shù)。對裂縫的測量可以采用千分尺或游標(biāo)卡尺來直接測量；也可應(yīng)用攝像機(jī)沿著基準(zhǔn)線設(shè)置比照尺連同裂縫一起攝像，然后再將所拍攝的圖像輸入計算機(jī)中，對裂縫進(jìn)行分析計算。此外，還可以應(yīng)用裂縫測寬儀與測縫傳感器來對裂縫進(jìn)行測量。

2.2.5 土壓力監(jiān)測

通過對圍護(hù)體系側(cè)向壓力變化進(jìn)行監(jiān)測，能夠確保圍護(hù)體系穩(wěn)定。土壓力的監(jiān)測主要是應(yīng)用土壓力計。

2.2.6 地下水位監(jiān)測

對地下水位進(jìn)行監(jiān)測，其主要目的是確保基坑中的止水帷幕達(dá)到設(shè)計要求，地下水位的監(jiān)測主要通過在鉆孔內(nèi)設(shè)置水位管實現(xiàn)。

3 地鐵車站施工變形預(yù)測模型研究

3.1 地鐵車站施工變形預(yù)測方法

施工過程中，對地鐵車站的變形分析有較多的不確定性因素，目前，變形預(yù)測方法主要可以劃分為3 類，分別為曲線擬合類、地基參數(shù)反演類以及系統(tǒng)分析類[4]。

曲線擬合類的預(yù)測方法是一種經(jīng)驗方法，將變形近似為某種具有規(guī)律的變化過程，并選擇能表達(dá)其變化規(guī)律的函數(shù)類型，建立曲線擬合預(yù)測模型，根據(jù)模型再反演出參數(shù)，在后期的變形預(yù)測中進(jìn)行應(yīng)用。該方法的參數(shù)較少、容易確定，且操作性較強(qiáng)。地基參數(shù)反演法屬于正演模型，它是由固結(jié)理論、數(shù)值方法以及本構(gòu)模型共同建立的。通過對實際檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，對現(xiàn)場的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行反演，從而做到對后期變形情況的預(yù)測。系統(tǒng)分類法包含兩類建模思路，其一是輸入-輸出模型法，其二則是動力學(xué)方程法。該方法對于有大量數(shù)據(jù)支撐的項目進(jìn)行安全分析以及預(yù)報較為合適。

3.2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系通常由輸入層、隱含層以及輸出層所組成。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運行通常分為兩個階段，分別為學(xué)習(xí)階段和工作階段。其中，學(xué)習(xí)過程通常包含兩個階段，其一為信息的正向傳播，其二為誤差的反向傳播。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)就是在輸入與輸出之間的一種非線性映射。誤差反向傳播是計算訓(xùn)練的關(guān)鍵，需要通過目標(biāo)函數(shù)最小化來完成。BP算法的非線性映射能力較強(qiáng)，對于一般的預(yù)測問題，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠得到精準(zhǔn)的預(yù)測。

但是為了優(yōu)化BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精度，面對較為復(fù)雜的問題，往往需要較長的時間來完成訓(xùn)練工作，且當(dāng)訓(xùn)練逼近局部最小值時，各方面的變化均顯示在該點達(dá)到了收斂，導(dǎo)致這種誤差較難以排除。所以，為了提高訓(xùn)練結(jié)果的信任度以及滿意度，通常可以增加網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)，降低誤差。另外，可以采用較多的神經(jīng)元數(shù)目來獲得較高的訓(xùn)練精度，同時還可以增加樣本空間數(shù)據(jù)，減小參數(shù)之間的變化間隔，使數(shù)學(xué)模型趨于更加精準(zhǔn)。選擇不同的初始條件對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行再次訓(xùn)練，通過觀察不同的訓(xùn)練結(jié)果，選擇最優(yōu)的預(yù)測目標(biāo)。

4 地鐵車站施工監(jiān)測預(yù)警信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

通過對地鐵施工過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理與分析，能夠?qū)ψ冃误w的變形狀況進(jìn)行實時監(jiān)控，從而及時發(fā)現(xiàn)異常，盡可能地避免施工事故的發(fā)生。通過計算機(jī)及相關(guān)技術(shù)建立地鐵車站施工監(jiān)測預(yù)警信息管理系統(tǒng)，可以處理監(jiān)測過程中所產(chǎn)生的巨大數(shù)據(jù)量，做到高效管理和分析。

通過數(shù)據(jù)管理技術(shù)對地鐵施工監(jiān)測各類空間數(shù)據(jù)以及屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和一體化管理，可以更加便捷地進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享以及操作。將所測出的數(shù)據(jù)以及分析的結(jié)果有效進(jìn)行預(yù)警并及時反饋于相關(guān)負(fù)責(zé)人。實現(xiàn)數(shù)據(jù)從采集、錄入、展現(xiàn)全過程的實時性，給預(yù)警決策提供更多的時間。監(jiān)測預(yù)警信息管理系統(tǒng)的設(shè)計模塊可以分為4 項，分別為數(shù)據(jù)的輸入與輸出、監(jiān)測數(shù)據(jù)成圖、監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警以及其他功能。從層次方面劃分，該系統(tǒng)可以劃分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層以及數(shù)據(jù)層，如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)層是負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)以及屬性數(shù)據(jù)的查詢和修改，對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時管理；業(yè)務(wù)邏輯層是整個系統(tǒng)的核心層，主要包含監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理、預(yù)警以及成圖等；表現(xiàn)層是與用戶進(jìn)行交互，將信息反饋于用戶。

圖1 系統(tǒng)總體框架

通過單點預(yù)警能夠?qū)崿F(xiàn)對單一監(jiān)測點號的預(yù)警，通過對監(jiān)測累積變化值與預(yù)警閾值進(jìn)行比較分析，從而實現(xiàn)對監(jiān)測項目數(shù)據(jù)的預(yù)警，實現(xiàn)單點預(yù)警的技術(shù)路線如圖2 所示。模糊預(yù)警與單點預(yù)警原理一致，只是模糊預(yù)警需要輸入累積變化預(yù)警閾值以及速率預(yù)警閾值，且模糊預(yù)警是對單點預(yù)警的補(bǔ)充。

圖2 單點預(yù)警實現(xiàn)技術(shù)路線

5 結(jié)語

為了解決城市交通擁堵的問題，越來越多的城市開始逐步發(fā)展軌道交通建設(shè)。地鐵的施工工藝復(fù)雜，影響因素眾多，施工風(fēng)險較高，因此，在軌道交通建設(shè)的過程中需要對其進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)測。本文著重介紹地鐵車站需要的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了地鐵車站施工變形預(yù)測模型，提出了地鐵車站施工監(jiān)測預(yù)警信息管理系統(tǒng)設(shè)計。