運行中的地鐵隧道變形動態監測

　　摘 要 文章結合廣州市“倉邊復建綜合樓項目”工程施工監測方案，對受緊鄰基坑施工擾動影響的運行中地鐵隧道變形的動態監測方法進行了分析，采用TCA2003全站儀的全自動動態監測系統，可以24 h無人值守、連續監測運行中的地鐵隧道變形，且每次監測可在地鐵運行間隔內迅速完成。監測到的數據可以實時提供給施工方，以指導當前及下一步的施工，在工程應用中取得了良好的效果。
　　關鍵詞 地鐵隧道 連續運行 基坑開挖 變形動態監測

　1 概述
　　在我國已有地鐵的城市中，地鐵沿線（非常靠近地鐵隧道）的深基坑越來越多，如何在基坑開挖中保護正在運行中的地鐵隧道，是一個十分現實的問題。采用信息化施工及監測方法，可以有效地指導基坑施工過程，施工中采用的時空效應法、逆作法、注漿法和基坑加固方法等均可達到保護鄰近隧道、控制變形的目的。而常規的地鐵變形監測如連通管法、巴塞特法等，在運行的地鐵隧道中進行監測相當困難，主要是因為地鐵運行間隔很短，運行期間絕對不允許測量人員進入，為此，須有一種簡便的、無人值守、自動的動態監測方法，可在很短的時間間隔內，迅速完成隧道的變形監測，并為鄰近基坑的施工提交監測數據。
　　廣州市 “倉邊復建綜合樓項目”與廣州地鐵1號線平行，西側基坑距區間隧道（公園前站～農講所站）北線最近處約4 m，東側基坑距北線隧道最近處約8 m，基坑開挖深度約為10.5 m，采用地下連續墻圍護，兼做承重結構。基坑開挖將對地鐵1號線構成威脅，為保證地鐵的安全運行，必須在基坑開挖過程中對運行中的隧道變形進行不間斷監測。

　　2 自動化動態監測系統
　　2.1 監測要求
　　由于地鐵隧道在一天中的三分之二以上的時間是處于全封閉的運營狀態，絕對不允許監測人員進入隧道內工作，所以要求必須在隧道內設置自動化監測系統代替人工操作，實現對隧道水平、垂直位移的連續、精確監測。考慮到地鐵運行的間隔很短，所采用的監測系統應能在3～5 min內完成隧道（受影響的區間段）的變形監測，以掌握基坑開挖施工引起地鐵1號線隧道變形規律及特性。
　　2.2 監測范圍
　　地鐵1號線下行線“農講所站～公園前站”區間隧道沿基坑的60 m及兩端各向外延伸45 m（約150 m）的范圍。監測內容為隧道的水平和垂直位移。
　　2.3 自動化動態監測系統的構成
　　一個完整的自動化動態監測系統是指在無需操作人員干預的條件下，實現自動觀測、記錄、處理、存儲、報表編制、預警預報等功能，它由一系列的軟件和硬件構成，整個系統配置包括：TCA自動化全站儀、棱鏡、通訊電纜及供電電纜、計算機與專用軟件。
　　2.3.1 TCA自動化全站儀
　　TCA自動化全站儀能夠自動整平、自動調焦、自動正倒鏡觀測、自動進行誤差改正、自動記錄觀測數據，其獨有的ATR（Automatic Target Recognition，自動目標識別）模式，使全站儀能進行自動目標識別，操作人員一旦粗略瞄準棱鏡后，全站儀就可搜尋到目標，并自動瞄準，不再需要精確瞄準和調焦，大大提高工作效率。
　　TCA2003是Leica TCA自動化全站儀中的一種（見圖1），該儀器測角精度為0.5〞，測距精度為1 mm±1 ppm。可通過專用的控制軟件來控制觀測目標、設定觀測周期。

　　2.3.2 Leica標準精密測距棱鏡
　　棱鏡作為觀測標志，利用膨脹螺絲固定在隧道內側（見圖2），其數目可按實際需要設定，該標志能被TCA2003全站儀自動跟蹤鎖定，以實施精密測角和測距。

　　2.3.3 計算機
　　計算機利用電纜和全站儀連接，并裝有專用軟件以實現整個監測過程的全自動化，既能控制全站儀按特定測量程序采集監測點數據，并將測量成果實時進行處理，以便及時發現錯誤，杜絕返工，也可以對各個觀測周期的監測數據進行存儲并生成監測報告。
　　2.3.4 其它設備
　　其它設備包括溫度計﹑氣壓計﹑濕度計、連接電纜、外接電源等；溫度計﹑氣壓計﹑濕度計用于測定空氣的溫度、壓力和濕度，將測定結果輸入到計算機中，對觀測結果進行修正，以提高觀測精度。
　　2.3.5 實時控制軟件
　　GeoMos Monitor是專門用于監測的、與TCA2003全站儀配套的變形測量軟件，其在Windows環境下運行，并將數據存儲在SQL Server數據庫中，它既可按操作者設定的測量過程和選定的基準點、觀測點進行相應的測量處理，也可快速建立三維坐標、位移量以及其它相關數據庫，實現數據的快速存儲、檢索、編輯，可實時顯示量測數據，并進行實時處理或后處理，能實時顯示圖形或事后顯示。
　　2.3.6 后處理軟件
　　采用自己編制的軟件，利用和GeoMos的軟件接口，對測量數據進行后處理，按施工方要求的格式將監測點的位移變化轉化為標準圖表的形式直觀地表達出來，繪制出監測報表和位移曲線，自動實現數據分析、報警以及報表生成的功能，可以根據用戶的要求提供報表的形式。

　　3 施工監測
　　3.1 測點布設
　　測點分為測站點、基準點以及觀測點3類，測點布設在區間隧道K9+920~K10+070約150 m的范圍之內。基準點用來檢驗測站是否產生位移，位于基坑影響區域外的東、西2點；觀測點沿隧道每隔約10 m布設1個，如圖3所示。

　　觀測點和基準點都采用棱鏡作為觀測標志（可實現在水平方向上和垂直方向上的旋轉），固定在支座上，支座采用膨脹螺絲固定在隧道管片上，安裝高度低于2 m（以確保安裝時不需要停電作業，并不對行車造成影響）。儀器設置在施工影響區域的中央（隧道的南側），固定在觀測臺上（避免對中誤差），并在旁邊放置穩壓電源。
　　為了更好地掌握地鐵運行狀況和控制隧道受基坑施工的影響，在不同位置設置典型觀測斷面（斷面具體數目結合基坑開挖深度及影響范圍設定）。坐標系設置為自定義坐標系。
　　3.2 觀測方法
　　通過控制軟件，在每個觀測周期開始前，利用東、西2個基準點，4測回推算出測站點的坐標，然后，四測回對所有的點進行自動觀測，得到觀測點的坐標。基坑開挖深度較淺時，可以減少觀測頻率。隨著基坑開挖深度的不斷增加，24 h實時觀測，并加大重點部位的觀測頻率。
　　3.3 測量數據
　　表1為不同測點的監測報表，圖4是D12點的累計位移—時間的曲線圖。

　　3.4 測量誤差分析
　　3.4.1 誤差來源
　　測量的誤差來源于儀器的系統誤差、測站和目標的對中誤差、外界環境的影響、測量儀器的影響。
　　⑴ 儀器的系統誤差主要是由儀器本身構造引起的，為保證精度，需在測量前對儀器進行檢校，儀器即使在檢校后還有殘余的系統誤差。但由于監測需要得到的是2次測量之間的位移值，因此系統誤差可以基本消除。
　　⑵ 由于測站點、觀測點均采用強制對中措施，而且標志埋設后在整個觀測過程中不再重新安置，因此，測站、目標的對中誤差可忽略不計。
　　⑶ 由于本次監測需要實時監測，而地鐵隧道的濕度較大，對測距的精度會有影響，但地鐵隧道內的溫度﹑氣壓﹑濕度均比較穩定，因此，可不考慮這些外界環境因素對觀測結果的影響，可在觀測過程中利用數學模型進行修正。而列車運行帶來的震動卻對觀測結果的影響較大，故應盡量避免在這一時段進行觀測。
　　⑷ 本次測量采用TCA2003全站儀觀測，其測角精度0.5″，測距精度1 mm±1 ppm，因此，其是影響測量的主要誤差源。
　　3.4.2 誤差分析
　　此次監測主要的誤差來源是儀器的測角誤差和測距誤差，儀器的測角精度為0.5″，100 m的監測范圍內由測角所引起的最大誤差為±0.12 mm；儀器的測距精度為1 mm±1 ppm，其中1 mm為固定誤差，±1 ppm為比例誤差(1 mm/km)，即100 m的距離由測距所引起的誤差為±0.1 mm，距離測量采用四測回觀測儀器引起的誤差為±0.5 mm；根據各點給定的初始坐標估算，點位的平面精度約±0.5 mm，Z方向的精度與豎直角的大小有關，精度略低，但仍可以保證±1 mm的精度，能夠滿足施工及甲方對地鐵保護的要求。

　　4 結論
　　廣州市“倉邊復建綜合樓項目”基坑開挖對地鐵1號線構成威脅，施工中采用的監測系統對運行中的隧道變形進行不間斷監測，監測結果為基坑開挖施工提供了準確、及時的指導數據，保證地鐵的安全運行。這是一種簡便、靈活、無人值守、實時、動態的監測系統。工程應用表明，該監測系統能滿足工程的要求，且監測速度快、精度高、受人為影響少、自動化程度高，可在地鐵運行間隔內迅速完成隧道的變形監測。

　　* 周擁軍的工作單位為上海交通大學
參考文獻
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文章來源：隧道網