暗挖隧道下穿既有線路基沉降自動監測系統研究

■ 銀健民

暗挖隧道下穿既有線路基沉降自動監測系統研究

■ 銀健民

東莞—惠州城際軌道交通工程暗挖隧道下穿廣深鐵路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線施工時，路基沉降采用自動監測系統監測。從監測項目、沉降監測點布設、監測設備、沉降監測精度與技術要求、監測頻率與監測控制值及警戒值方面論述沉降監測；從自動監測系統組成、自動監測信息系統、精密光電測距三角高程測量原理和精密光電測距三角高程測量精度方面分析自動監測技術；從沉降曲線和沉降數據統計分析自動監測結果；提出采用基于自動全站儀的自動監測系統監測暗挖隧道下穿既有線路基沉降可行等結論。

暗挖隧道；既有線；路基沉降；自動監測系統

1 概況

東莞—惠州城際軌道交通工程常平—常平東站區間暗挖隧道下穿廣深鐵路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線情況見表1。暗挖隧道區段上覆第四系全新統人工堆填層、第四系全新統沖積層）、第四系殘積層，下伏基巖為前震旦系混合片麻巖。隧道采用礦山法施工，采用馬蹄形斷面；襯砌結構采用復合式襯砌，初期支護和二次襯砌之間施作全包防水層，二次襯砌采用防水混凝土澆筑。隧道為兩條雙洞單線隧道。

根據設計要求，隧道暗挖施工進入影響作用分界里程范圍至隧道二次襯砌施工完成一個月后，需對廣深鐵路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線進行監控量測，連續監測施工影響范圍的路基沉降、接觸網立柱和信號機等附屬設施基礎的沉降，以及軌道幾何狀態變化情況，為信息化施工提供可靠數據，確保施工期間廣深鐵路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線的行車安全和施工安全。

表1 暗挖隧道下穿廣深鐵路情況

廣深鐵路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線為客運專線，線路等級高，動車組列車行車密度大，采用通常人工水準測量對路基沉降進行監測，其受行車影響大，效率低，難以每天多次連續監測，且在路基上進行監測作業，對行車安全和監測人員安全造成隱患。因此，采用全站儀自動監測系統（光電測距三角高程測量）進行監測。在此分析基于全站儀的自動監測系統構成、自動監測技術方法、自動監測信息傳輸與控制技術方法，以及現場實際應用情況。

2 沉降監測

（1）監測項目。隨著隧道開挖施工，其上方及側向土壓力發生改變。為保證廣深鐵路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線運輸安全，設計單位在設計圖上標定了下穿Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線地段的影響作用分界里程，其監測項目為既有鐵路路基沉降、接觸網立柱和信號機等附屬設施基礎沉降。

（2）沉降監測點布設。根據設計要求，隧道下穿地段影響作用范圍的既有鐵路路基沉降監測點設置在路基兩側路肩，按每10 m間距布設1個，每個接觸網立柱基礎布設1個，每個信號機基礎布設1個。路基沉降布設25個監測點，接觸網立柱基礎和信號機基礎沉降各布設4個監測點。

（3）監測設備。采用帶精密光電測距三角高程測量的自動監測系統。

（4）沉降監測精度和技術要求。對變形測量精度等級按三等要求（見表2）；對帶精密光電測距三角高程測量的自動監測系統技術要求見表3。

（5）監測頻率。根據設計要求，隧道下穿施工對既有鐵路路基沉降監測頻率不得低于常規項目監測頻率的2～3倍。沉降監測頻率根據路基邊坡坡腳距開挖面的水平距離確定（見表4）。

（6）監測控制值與警戒值。根據設計要求，隧道下穿施工對廣深鐵路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線的沉降監測控制建議值與警戒值見表5。

3 自動監測技術

3.1自動監測系統組成

自動監測系統由監測、基準、測站和控制中心組成。

（1）監測部分。由安裝有L形小棱鏡的沉降監測點組成，直接反映監測點的沉降情況。路基沉降監測是在路肩兩側監測點位置埋設混凝土方墩，混凝土方墩中植入螺栓，通過圓鋼支架安裝小棱鏡；接觸網立柱基礎和信號機基礎可直接通過圓鋼支架安裝小棱鏡。小棱鏡安裝高度根據現場實際觀測條件和通視力情況確定。

（2）基準部分。檢核測站的穩定性，并對測站位置變化作出修正。根據有關規范和現場實際情況，設定3個基準點，安裝了3個L形小棱鏡。基準點設在隧道下穿施工影響作用范圍以外、便于長期保存的穩定位置。

表2 變形測量精度

表3 自動監測系統技術要求

表4 沉降監測頻率

表5 沉降監測控制建議值與警戒值 mm

（3）測站部分。是整個系統的數據采集終端，由全自動全站儀、數據通信設備、供電設備及其他附件組成。根據工程現場條件，在隧道施工影響作用范圍以外的廣深鐵路Ⅳ線（里程DK92+171）路基旁涵洞頂板上面通視條件較好的位置布設1個測站，測站采用鋼管混泥土強制對中墩。測站部分安裝了儀器支座，在儀器支座的鋼管混泥土強制對中墩中植入螺栓，用于安裝全站儀。儀器支座可用于架設數據通信設備和其他輔助設備，同時配備防護設施，保證儀器安全。測站部分還安裝了由太陽能（500 W）和UPS蓄電池組成的供電電源，可向設備24 h供電，以及安裝了防雷避雷裝置。

（4）控制中心。是數據收發的控制終端，由微機、通信設備、GEOMOS軟件等組成。通過通信及互聯網授權，以無線發送方式派發指令，控制儀器數據采集和接收，并對數據進行計算和分析。

3.2自動監測信息系統

為保證監測成果的及時性、有效性，自動監測及信息管理系統采用GEOMOS自動監測系統，其流程見圖1。

GEOMOS自動監測系統是基于精密全自動全站儀開發的適合各種不同需求的現代高科技實時監測系統。

（1） 硬件環境。GEOMOS自動監測系統硬件包括全站儀、計算機及其他一些附件，采用的是精度高、穩定性好的全自動馬達驅動全站儀。工程采用的徠卡TS15a型全站儀測角精度達到1"，測距精度達到1 mm+2 ppm。

（2）軟件環境。GEOMOS軟件主要分為監測和分析兩部分。監測部分是數據采集和計算的中央控制單元，用于儀器控制、多種限差實時檢核及報警、實時圖形化顯示系統狀態和數據等。分析部分主要是對觀測數據進行處理和分析，可進行在線和離線數據分析、圖形化與數字化時間序列分析，生成監測站點圖和進行數據粗差探測及剔除等。GEOMOS自動監測系統能夠加入氣象傳感器，對測量時大氣環境等造成的影響進行改正。GEOMOS軟件通過控制全站儀實現監測數據采集，并通過優化算法輸出各監測點的高程。

3.3精密光電測距三角高程測量原理

光電測距三角高程測量見圖2。在O點安置儀器進行觀測，觀測到O到A點的水平距離OB點和水平面的夾角，待A點有高差變化后，再觀測到OA'點和水平面的夾角。

圖1 自動監測信息系統流程示意

3.4精密光電測距三角高程測量精度分析

在光電測距三角高程測量中，采用視距≤300 m、俯視角≤15 °和四側回，按照誤差傳播定律計算高程中誤差。采用測距精度1 mm+2 ppm、測角精度 1″的全站儀，并采用四測回，計算得到的高程中誤差滿足高程精度小于1 mm的要求。

4 自動監測結果分析

廣深鐵路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線路基沉降監測于2012年10月10日—2013年7月21日。按表4的沉降監測頻率進行監測，累計監測994次。

4.1沉降曲線分析

根據每周星期五的監測周報數據統計繪制的路基沉降曲線見圖3，接觸網立柱基礎沉降曲線見圖4，信號機基礎沉降曲線見圖5，并對圖3—圖5進行分析。

（1）路基、接觸網立柱基礎及信號機基礎沉降曲線呈緩慢平穩發展，沒有出現陡降現象；各監測點沉降曲線呈平緩規則排列，說明暗挖隧道下穿施工期間圍巖穩定，路基、接觸網立柱基礎及信號機基礎沒有出現異常沉降。

（2）沉降曲線均在沉降坐標10 mm以內，說明暗挖隧道下穿施工期間路基、接觸網立柱基礎及信號機基礎沉降沒有達到警戒值15 mm。

（3）所有沉降曲線的尾部基本達到水平線，說明隧道二次襯砌施工完成一個月后，路基、接觸網立柱基礎及信號機基礎沉降已經穩定，可以停止監測。

圖3 路基沉降曲線

圖4 接觸網立柱基礎沉降曲線

圖5 信號機基礎沉降曲線

4.2沉降數據統計分析

根據每月最后一天的監測月報數據統計，對2012年10月—2013年7月的監測月報進行分析。監測期間，路基月沉降值在-0．4～2．3 mm，單月最大沉降值為2012年12月的2．3 mm；信號機基礎月沉降值在-0．5～1．3 mm，單月最大沉降值為2013年1月的1．3 mm；接觸網立柱基礎月沉降值在-0．4～2．1 mm，單月最大沉降值為2012年12月的2．1 mm，路基、接觸網立柱基礎及信號機基礎的單月沉降值較小，沒有達到警戒值15 mm。監測結束時的路基累計沉降最大值為6．1 mm，信號機基礎累計沉降最大值為2．7 mm，接觸網立柱基礎累計沉降最大值為5．3 mm，路基、接觸網立柱基礎及信號機基礎的累計沉降值沒有達到警戒值15 mm。

5 結論

（1）基于自動全站儀的自動監測系統首次實現數據自動采集和計算，監測人員無需進入現場進行作業，確保行車和施工安全。

（2）基于自動全站儀的自動監測系統可根據實際需要隨時調整監測頻率，可按沉降監測頻率對路基24 h進行實時監測，大大提高了監測效率。

（3）暗挖隧道下穿施工期間，廣深鐵路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線的路基、接觸網立柱基礎及信號機基礎沉降曲線呈緩慢平穩發展，沒有出現陡降現象。累計沉降值較小且最終趨于穩定，沒有達到警戒值15 mm。施工期間，沒有啟動應急預案和任何線路維修措施。

（4）工程應用表明，采用基于自動全站儀的自動監測系統監測暗挖隧道下穿既有線路基沉降可行。

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銀健民：廣州鐵路（集團）公司科學技術研究所，高級工程師，廣東 廣州，510100

責任編輯葛化一

U213.1

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1672-061X（2014）03-0069-04