关键词：基坑开挖；隧道；变形；自动化监测
1 引言
城市轨道交通的快速发展，地铁线路覆盖的区域逐渐扩大，地下车站和区间建设规模越来越大，因此新建建筑基坑工程位于既有地铁车站和线路保护范围内的情况逐渐增多[1-3]，建筑基坑开挖面的卸荷必然会导致地质土层扰动，引起铁隧道受力的改变和变形，严重时将导致结构破坏[4]。因此，地铁保护范围内，需重视基坑施工对
地铁线路的影响，对地铁线路保护的同时，需对既有线路变形形态进行及时掌握。在基坑开挖过程中，处于运营期间的地铁线路为保护重点，为保证地铁的安全运营，应在基坑施工中，对运营中隧道变形进行不间断监测，以便及时掌握地铁隧道的变形情况，采取相应措施[5]。
对处于运营期间的既有地铁线路，测量人员在运营期间无法进入地铁隧道，不易于实现连续监测[6-7]。基于高精度全站仪的自动化监测系统能够获取地铁结构的水平、垂直、直径收敛等毫米级的变形数据，并实现监测的自动化、实时化和智能化，满足地铁结构安全的需求。
目前，在既有地铁线路上应用自动化监测的案例较多，李明[8]在天津地铁3号线金狮桥站-天津站站盾构施工中，针对高速铁路采取棱镜+智能型全站仪的自动监测方法，有效解决了钢轨监测问题。曹权等[9]对基坑群开挖对既有地铁隧道的影响采用三维数值模拟分析其规律，并在此基础上对自动化监测系统构成、监测原理、精度和监测效果进行了描述，为之后复杂条件下的基坑信息化施工开拓了思路。
本文结合天津临近某高铁（地下段）某工程基坑施工项目，对自动化监测系统的工作原理及布设进行阐述，并在基坑施工中对保护区监测项目进行实际应用，对基坑开挖过程中某高铁（地下段）的变形情况进行自动化监测和及时反馈，确保了下一步施工建设的顺利进行和既有线路的安全运营。
2 工程概况
某工程位于天津市红桥区，地处天津海河发源地-三岔河口。南临瞰海居住区，北向子牙河南路，东邻北开大街，西靠河北大街。
某高铁（地下段）隧道全长3.283km，设计为单洞双线，隧道内径为10.6m，隧道顶部埋深约10.5m，在与天津某工程临近段主要通过地层为粉土、粉质粘土、粉砂层。
该工程基坑北面侧壁与某高铁（地下段）平行并行约219.9米，该平行范围内为盾构隧道。基坑距离地下段平面距离约为13.93m~ 20.07m，位于隧道盾构的保护控制区内。此基坑在正常施工的条件下，会对近邻的运营线路产生影响。该工程与某高铁（地下段）平、剖面位置关系如图1和图2所示。
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图1 某工程与某高铁（地下段）位置关系平面图
图2 某工程与某高铁（地下段）位置关系剖面图
3 自动化监测系统
由于某高铁（地下段）处于封闭运营期间，白天不允许用常规人工上道监测；对于特殊时间段如雨天、大雾天气，人工上道监测非常危险，而监测工作不能停滞，同时线路内列车较多，人工上道作业风险较大，一旦冒进作业，或者出现通信故障不能及时了解列车接近情况，可能引起严重后果，因此需采取自动化监测。
3.1 监测对象及项目
由于某高铁地下段是天津市重要的轨道交通工程，是连接天津西站和天津站的快速通道，因此需确保基坑开挖时，该线路运营安全，因此根据规范要求，主要检测对象为地下线盾构区间。同时为了综合分析基坑对为了综合分析基坑对直径线的影响，对某工程基坑位于直径线一侧的土体及水泥土搅拌加固桩进行同期监测。
根据规范要求，结合现场实际，针对某高铁（地下段）确定本项目采用自动化监测项目如下
(1)隧道结构水平、垂直及收敛变形监测；
(2)隧道道床水平及垂直位移监测；
3.2 测点布设及注意事项
1、隧道结构水平、垂直及收敛变形监测点布设
某高铁（地下段）为运营线路，在拱顶安装测点比较困难，并且对行车安全造成隐患。综合考虑将拱顶测点舍去，采用2条水平测线方式进行观测。即每个断面设4个监测点，共计测点72个。为了兼顾上下相连的盾构管片扭曲变形，较低的监测点安装位置为低处第一个管片中上部，离地面约2m的位置；较高的监测点安装位置为第二个管片的中下部，离地面约4.2m的位置。如图5-9所示。
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图3 监测点布设示意图 图4 监道床水平及垂直位移监测点布设示意图
2、隧道道床水平及垂直位移监测点布设
考虑盾构地段的特殊性，结合现场实际情况，尽量减少施工对线路构筑物的影响，拟定每一个监测断面分别在左、右线的道床上各布设1个监测点，与隧道结构收敛监测点位于同一里程，同一断面上。共计断面18个，布设测点36个。
道床水平及垂直位移监测同样采用全站仪自动测量。考虑到不影响正常行车安全及检修人员行走，布置的观测棱镜较低。由于监测区段为曲线，为了避免在观测时监测点棱镜被左、右钢轨遮挡，监测点L棱镜布置于线路外轨外侧两个轨枕中间边缘处。
4 自动化监测系统结构设计
基于自动化监测系统原理，隧道隧道结构水平、垂直、收敛及道床水平、垂直位移监测采用全站仪配合GeoMos监测软件构成的自动化监测系统。监测系统由数据采集、中继站计算机和远程监控计算机等组成。数据采集与中继站计算机由供电和通讯电缆联接起来，远程计算机通过因特网控制中继站计算机，可监视并控制监测系统的运行。如图5所示：
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图5 自动化监测系统 图6 自动化监测示意图
4.1 数据采集和处理
针对某高铁（地下段）水平、垂直及收敛变形监测，该项目采用基于GeoMos自动化监测软件平台的莱卡TS50、TS30全站仪本站进行监测，从为了加强结构变形监测监控精度，配合采用DSMS系统红外测距仪监测隧道收敛变形。
数据处理有两种，一种是基于GeoMoS监测器所得数据，采用GeoMoS分析器进行分析，它可以将数据以图形化和数字化方式呈现，同时结果可用不同的方法显示，比如时间序列图，从而表示在所选择时间段上的移动趋势（见图7）。另外DSMS自动化收敛监测数据需利用DSMS系统实时监测安装位置的盾构空间弦长，实现远程控制，将所有的检测数据通过配套软件处理后，实时发布，DSMS软件系统见图8。
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图7 GeoMos 数据分析系统 图8 DSMS 数据分析系统
5 监测控制值及信息反馈
5.1 某高铁（地下段）变形控制标准
1 盾构管片竖向位移
某工程近邻地下线施工引起的盾构隧道的竖向极限位移为5mm，考虑一定的安全系数，盾构隧道竖向位移不得大于3mm。
2 盾构管片水平位移
根据高铁地下段设计及运营现状，结合基坑近邻施工对地下段的影响分析，综合考虑轨下施工误差、运营影响，盾构管片的水平位移不得大于3mm。
3 盾构轨下结构的变形控制标准
根据对轨下结构的安全检算，对基坑临近地下段施工区段，在满足正常使用极限状态、承载力极限状态及抗疲劳检算的前提下，基坑近邻高铁地下段施工引起的盾构隧道轨下结构的竖向位移不得大于5mm。
5.2 监测信息反馈
监测的作用就是通过监测数据及时掌握地铁隧道的变形情况，以在邻近基坑开挖过程中根据其变形情况及时采取相应的措施，保证地铁线路的安全运行。因此，需要将监测信息：监测数据说明、监测项目及测点布置图、监测成果表、监测时程变化曲线、沉降断面图等及时上报，保证现场人员对异常情况及时采取措施。
6 监测结果分析
某高铁（地下段）在邻近某工程基坑施工及降水停止后，直径线自动化监测总体趋势为：横向变形有所收敛，目前最大值为19314，累积变形值为-3.1mm；纵向变形经过一段时间缓慢变大后趋于稳定，目前最大值为18519，累积变形值为-2.6mm；高程变形一直有缓慢增大趋势，增大变化量很小，但是长时间内有比较明显趋势，目前最大值为19029，累积变形值为+6.7mm。
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图9各监测点最大监测数值汇总
7 结论与建议
（1）自动化监测作为人为影响较小、自动化程度高的方法，实现了连续监测、监测数据自动记录、预处理并实施传输，极大提高了监测效率，有效的解决了既有线路运营期间人工上线测量困难的问题。同时，可通过管理软件远程管理，设置定时启动、暂停、终止等模式，可满足临近基坑施工时的高频监测，降低了人工测量的劳动强度。
（2）利用网络可实时查询监测成果，及时查阅既有线路的变形信息，为现场人员分析和判断临近基坑施工对既有线路的影响情况，发现异常及时采取相应的措施提供了有效、及时的数据支持。
（3）某工程基坑开挖施工对某高铁（地下段）安全运行产生一定的影响，施工中采取的自动化检测系统对运行中的盾构隧道进行不间断的检测，为合理制定基坑开挖对临近既有地铁隧道的保护措施提供了及时、准确的信息依据，从而保证了某高铁的安全运营。
（4）随着地铁建设规模及线路长度的不断拓展，城市更新建设中临近地铁建筑的情况也日益增多，为保证地铁隧道的安全，监测的复杂性日渐加大，自动化监测也需进一步研究，考虑利用更多的数据资源、挖掘有用信息、完善预测数学模型，以分离、避免列车动荷载、遮挡等对监测数值中的影响，使监测成果更加客观、有效的反应地铁结构在不同工况下的变形过程及趋势。
参考文献
[1] 石钰锋、方焘、王海龙等. 基坑开挖引起紧邻地铁隧道力学响应与处理方案研究[J]. 铁道科学与工程学报，2016,13（6）：1100-1107
[2] 蔡武林. 深基坑开挖对临近地铁车站及区间影响的数值模拟分析[J]. 水利与建筑工程学报 2016，14（6）：222-226
[3] 李宇升、喻卫华. 深基坑施工对紧邻地铁区间隧道结构影响分析[J]. 2013,9（2）352-358
[4] 陈坤，闫澎旺，孙立强、王亚雯. 开挖卸荷状态下深基坑变形特性研究[J]. 岩土力学 37（4）:1075-1081
论文作者:王达麟
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第23期
论文发表时间:2020/4/13
标签：基坑论文; 隧道论文; 地铁论文; 盾构论文; 地下论文; 高铁论文; 线路论文; 《建筑实践》2019年第23期论文;