地鐵隧道結構自動化監測實例與分析

摘要：普通的常規測量方法用于隧道結構監測是比較有困難的.本文通過地鐵隧道結構自動化監測實例與分析具體闡述了監測的要求、監測點的布設、監測數據處理分析及測結果評述，為指導深基坑開挖及地鐵隧道安全提供了保障。

關鍵字：自動化監測 地鐵隧道 深基坑 自動化全站儀

1 工程概況及特點

本項目是位于廣州市珠江新城珠江大道東與珠江大道西之間區域深基坑底下方的集運隧道。隧道分為上下行線， 受施工影響的監測長度約為410米，布設216個監測點，基坑挖土期間一天監測四次，監測精度為±1.0mm。影響本監測隧道基坑具體位置在廣州市珠江新城金穗路以北，規劃占地總面積約6.5萬平方米，地下總建筑面積約10萬平方米，地下二層，基坑深約13米。支護結構方案采用樁錨支護

2、監測目的

本項目深基坑施工對周邊環境產生了不能忽視相互影響.在基坑大量持續挖土的時期，位于基坑底下方的集運隧道在豎直方向上的影響是最大的。這對于普通的常規測量方法是比較有困難的.

通過選用自動化監測方法，隨時了解本項目集運隧道結構變形情況，通過對各監測點變形量與預警值的比較和綜合分析，提出預警預測；及時做好安全防范措施，確保安全施工；將現場測量結果用于信息化反饋優化設計，使設計達到優質安全、經濟合理，施工快捷的目的。

3、地鐵隧道監測案例

3.1本項目主要工作內容

本項目主要工作內容為集運系統的變形及沉降觀測，即必須了解變形監測點的三維坐標的變化。

序號監測項目位置或監測對象測點布置監測頻率預警值監測項目允許值

1隧道結構位移監測管片環向內側間距15 m，共設216個觀測點每6小時觀測一次10 mm15 mm

2隧道結構沉降監測管片環向內側間距15 m，共設216個觀測點每6小時觀測一次10 mm15 mm

3.2基準點和監測點的布設

基準點布設：集運隧道在布設監測基點時，分上、下行線隧道布設，各布設4個基準點，即在基坑影響范圍外的隧道北端，隧道壁兩側各布設2個基準點；在基坑影響范圍外的隧道南端，隧道壁兩側各布設2個基準點。在上、下行線受基地開挖影響的中間的隧道結構壁各布設2個工作基準點。如圖3.1所示：

圖3.1 基準點及工作基準點布設圖

監測點布設：監測斷面間隔約為15m，兩個隧道各布設27個斷面，一共布設54個斷面，上行線編號為S01～S27，下行線編號為X01～X27。其中每個斷面為4個點，總共布設216個觀測點。因為存在小視場中的棱鏡分辨問題，在較遠處斷面的監測點在埋設時，必須相互錯開一些距離。監測點在監測報表中注明相應的隧道里程。

4、自動化監測

4.1 監測設備配置

監測設備配置見下表：

儀器、設備型號精度數量

自動全站儀TCA18001\"；1mm+2ppm4臺

大棱鏡 12個

小棱鏡 216個

臺式電腦 2臺

筆記本電腦 4臺

無線上網設備 4部

無線傳輸系統 2套

4.2基準點和監測點的埋設

基準點的埋設：使用鋼支架牢固安裝在隧道內壁，同時支架固定裝上棱鏡連接螺絲，實現強制對中，棱鏡距隧道壁0.4～0.5米，確保觀測通視良好。基準點必須埋設穩固，保證整個監測過程中不受破壞。

工作基點埋設：使用鋼支架牢固安裝在隧道內壁，強制對中，即于支架固定裝儀器、棱鏡連接螺絲，以作儀器、棱鏡安裝之用。

監測點的埋設：采用L型棱鏡，在地鐵隧道結構牢固安裝好L型棱鏡作為監測點，并使棱鏡面正對工作基點（即測站點）。

4.3隧道自動化監測系統

安裝自動變形監測系統首先應結合地鐵設備安裝圖紙上完成基準點、工作基準點、監測點的布設及現場安裝調試，其次儀器、基準點及監測點都采用強制對中固定在地鐵隧道結構，采用全自動化的監測方式采集監測點的邊角數據，通過溫度氣壓傳感器實時監測的數據進行距離和角度改正，同時固定在工作基點上的TCA1800自動全站儀，連接計算機中繼站，通過網絡與項目部的遠程監控計算機相連接進行遠程監控控制。自動化監測系統完成設備安裝，則利用儀器的自動化功能，定時啟動儀器進行自動化數據采集，并建立網絡數據通訊傳輸系統，配合自動化數據采集系統進行數據采集，及時處理觀測中出現意外錯誤（誤差超限、目標被遮擋等則系統自動報警），并進行相應的延遲處理或重復執行等操作。采集的數據經數據軟件處理后，生成變形監測報表，再通過網絡傳輸到項目部。如圖4.1：

圖4.1自動化位移及升降監測

自動變形監測系統主要是由命令傳輸、點位觀測、數據采集和數據處理幾個方面的模塊組成，其具體的結構如圖4.3所示。

圖4.2自動變形監測系統的組成

4.3位移和沉降監測方法

本項目自動監測系統主要就是在工作基準點上架設儀器，觀測基準點和目標點得出變形體的變形趨勢，上下兩線各采用兩臺測量機器人、配套的監測軟件、計算機以及通訊電纜建立基站，通過對基準點和變形點的持續的周期性觀測結果進行比較、實時改正，從而得出變形點的三維變形量，進行安全和穩定性等分析，得到所需要的數據成果。

在每一期自動觀測時，首先進行基準網穩定性和可靠性的檢核，基準網由工作基點和基準點組成，每個工作基點上的全站儀需對兩個基準點和另一個工作基點進行水平角、垂直角和距離觀測，構成含多個已知點的無定向導線網，通過實時平差計算，提供實時動態基準。

監測點采用極坐標法進行變形監測，采用方向觀測法三測回測定，并采用距離差分、角度差分等技術進行監測點的數據處理，計算各監測點的平面坐標和高程。監測點坐標與上一期坐標的差值，即為該點的相對位移量；與初始值（第一期）坐標的差值，即為該點的累計位移量；監測點高程與上一期高程的差值，即為該點的相對沉降量；與初始值（第一期）高程的差值，即為該點的累計沉降量。

5、監測數據處理分析及監測結果評述

自動化監測系統自動數據采集、自動平差及自動生成監測報表，其中集運隧道結構自動變形監測成果表 （上行線）部分監測成果如下表：

根據集運隧道監測成果及對應的變化曲線圖的趨勢得出如下規律：1）隧道北側K2+038～K2+420段施工期間，變形較小，處于穩定狀態，基本受隧道上方基坑工程施工的影響不顯著；2）集運隧道K2+203～K2+233段主體結構在相應上方基坑土方開挖初期，顯示有較明顯的上浮現象（位移坐標變化不大，高程變化較明顯），經現場巡視并由設計方及甲方專家分析，該處變形較大有兩種可能，其一是與上面的基坑土方開挖過快有關；其二為該處開挖面與隧道結構之間的垂直距離偏小。經過施工方按此及時調整了開挖速度，采取了均勻開挖的施工方案，這之后，此段主體結構的沉降與位移的變化速率得到了控制，基本與其他區域相同，再沒有出現異常現象，從而體現自動化監測數據的靈敏性；3）集運隧道主體結構的其余部分基本都隨相應上方基坑開挖施工，主體結構因上方壓力變小而有緩慢的上浮；當開挖完成后，則上浮越來越小，可以監測出這種微小的變化；同時，隧道結構相應上方主體工程逐步建成完工，隨著上方壓力的增加，集運隧道主體結構也伴隨有微小的下沉，但不顯著；4）至2010年3月份后，從監測點變化曲線圖可看出集運隧道主體結構的變化已趨于穩定，基本接近于零；精密的監測結果顯示：隨上方基坑施工建設項目影響的減小，集運隧道K2+038～K2+420段已完全恢復到穩定狀態。

6、監測結論

從2009年10月開始監測，到2010年5月隧道上方基坑回填完成了變形監測工作，共完成了610次的變形監測；根據集運隧道變形監測數據和變化曲線圖趨勢，基地施工期間集運隧道內部結構的變化是不顯著的，隨上方施工項目的完成，集運隧道處于穩定安全的狀態。總結本項目隧道結構自動化監測經驗如下：

1）、認真做好施工組織工作和現場考察以及資料的收集，編制詳細而有針對性的技術方案，是確保按質按量完成監測任務的前提。

2）、對于現場環境復雜、監測點多、監測頻率高、監測精度要求高的自動化監測工程項目，合理的施工組織措施，制定適宜的監測施工工藝，是提高監測效率和保證成果可靠性的有效途徑；

3）、地鐵隧道在自動化監測過程中，根據監測數據，再結合深基坑開挖進度、監測現場、地質情況對監測成果進行充分、深入的理論分析，使得施工監測及時指導基坑安全施工得以實踐的關鍵；

4）.地鐵隧道自動化監測過程中，各參建單位密切配合，并及時提供必要的幫助是必不可少的因素。

參考文獻

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