地鐵隧道變形監測技術及分析預報方法研究

凌邦富

摘 要：隨著城市地下軌道交通網的建設和發展，建設運營中的隧道可能會在多種因素的影響下發生不同程度的變形，傳統的人工變形監測技術無法滿足工程的實際需求，利用測量機器人對隧道工程進行實時的自動監測可為隧道工程的建設和后期維護提供可靠的數據參考。本文主要以地鐵隧道的變形監測為核心，圍繞變形發生的原因、監測內容、監測技術、自動監測的應用、數據處理等內容展開相關討論。

關鍵詞：隧道工程；變形監測；三維監測技術；數據處理

1 概述

經濟的發展，社會的進步，離不開交通運輸行業的支持，隨著我國城市化進程的不斷加快，社會對交通運輸行業的要求越來越高，而在人均占地面積不斷減小的情況下，發展交通運輸業，只能依靠地下隧道交通運輸的發展。地鐵隧道工程在建設中和建設后，可能會由于自身結構、地質、水體、臨近地區施工等因素的影響，發生隧道裂縫、變形等危及隧道安全的病害，因此對地鐵隧道進行實時的、長期的變形監測以便及時發現險情，保障隧道運營的安全性是十分必要的；地鐵隧道的變形監測不僅可為地鐵的安全運營提供可靠保障，還能為今后地鐵工程的修建及周邊工程的施工提供重要的參考價值。

2 地鐵隧道變形監測

2.1 地鐵隧道變形原因

2.1.1 軌道結構變形

地鐵隧道變形包括軌道結構變形和隧道結構變形兩種形式。其中軌道結構變形的主要原因是列車荷載長期對軌道產生反復作用，使軌道發生幾何偏差，進而影響軌道的平整性和順暢性；除列車荷載作用外，隧道周邊建設施工的卸載、負荷、加載也會引起道床的不均勻沉降，這種沉降同樣會影響軌道的平整度及順暢性。對于鐵路來說，地鐵運行車輛重量較輕、速度低，軌道和車輛行走部分的變形一般不會引起地鐵事故，但軌道變形造成的不平順可能會導致列車發生不正常振動，這會降低列車運行的穩定性，減少用戶的舒適度，更重要的是會加快軌道結構部件的損壞速度，從而間接影響列車的行車安全。

2.1.2 隧道結構變形

地鐵隧道結構變形發生在施工階段和運營階段，在施工階段，地鐵暗挖隧道工程是在巖土體內部進行的，在開挖過程中對地下巖土的擾動是不可避免的，這就破壞了地下巖土體原有的平衡條件。隧道開挖時，地層初期受到的影響較小，發生的形變也是微型形變，隨著開挖的不斷深入，變形會極具增大，然后又趨于緩慢。因此，在隧道開挖過程中應對隧道的拱頂下沉量和地表的下沉量進行檢測，以便于對隧道結構的穩定性和開挖工程的安全性提供分析依據。地鐵隧道開挖引起的地層變形是一個漫長而緩慢的過程，無論是淺埋暗挖法，還是盾構法，在工程完工投入使用后，都會不同程度的發生整體下沉的現象，尤其是工程處于軟土層中時下沉現象更加明顯。交通對于經濟發展具有促進作用，地鐵隧道的建設同樣也會促進周邊地區建筑行業的發展，地鐵隧道附近和隧道上方基坑施工逐漸增多，大規模的交通線網也不斷得以建設。在交通網線相互交叉穿越時，新工程的開挖會對既有地鐵隧道的受力狀況產生影響，原有的受力平衡被破壞，地應力不得不重新分布，由此也引發了地鐵隧道的變形。

2.2 地鐵隧道變形監測內容

地鐵隧道變形不僅會影響列車運行的穩定性，還可能對整個工程及其臨近工程的結構造成影響，因此做好地鐵隧道變形的監測工作，對于維護地鐵隧道工程的安全具有實際意義。在實際的監測過程中，不同階段的監測任務不同，施工階段主要監測的內容包括工程支護結構、結構自身的穩定性、變形區的地表情況、建筑物情況、管線及其他相關環境；隧道投入使用后監測的主要內容則為隧道運營情況和周邊建設情況對隧道軌道、道床和建筑工程結構，同時還應對運營地區附近的地表、建筑、管線等相關情況進行實時監督。對工程施工階段和投入使用后階段的變形情況進行分析后，可知施工、使用后期間的隧道結構變形情況、施工階段的支護結構變形情況、投入使用后軌道、道床的變形情況都屬于被監測對象。

2.3 地鐵隧道變形監測技術

2.3.1 傳統監測技術

傳統監測技術是利用水準測量儀的檢測功能對隧道結構的變形情況進行監測，主要對隧道變形區域的斷面進行監測。該法在實際使用過程中存在一系列不足：

首先，該法無法使用先進的遠程測量技術，在監測過程中不得不打斷監測區內的列車運行；

其次，地鐵隧道內可視性差，空間受到限制，運行環境復雜，給監測的安全性和監測質量造成了不利影響；

最后，監測點數量受限，若設置監測點過多，不僅會增大工作量，還會延長監測周期的長度，無法準確的反映出變形的真實情況；若設置監測點過少，無法根據有限的數據得到較為精準的變形趨勢，這對后期的隧道結構的變形負荷分析是極為不利的。傳統的監測技術已經無法適應現代社會的需求，新型的監測技術急需被研發使用。

2.3.2 三維變形監測技術

三維變形監測技術也被稱為激光雷達技術，該技術在實際測量時可完全擺脫人工操作，被監測物體的幾何圖像的排列情況由掃描棱鏡中放射的激光點云中獲得，通過激光的快速測距功能，建立物體的三維空間模型。當三維變形檢測技術在沒有發射棱鏡的情況下，能以最低10萬個點每秒的速度獲得某個監測點的三維坐標。檢測方法如下：

首先在被監測區域內沿著軌道中心線設置環形閉合測量控制網；

然后在隧道中心后設橫斷面，間距為3m，將反射標靶分別設置在墻壁垂線、穹拱、地鐵路基上，以便于三維激光掃描收集點云；

最后，隧道的三維模型的確定則需要通過數據、連接、存儲等數據處理方式實現，這一系列的操作是建立在曲線曲面的非均勻有理B樣條曲線表面函數基礎上的。

對于地鐵隧道的變形監測來說，24h不間斷監測是保障隧道結構和地鐵安全原型的有效手段；但地鐵運行的密度較為密集，若能在不打斷地鐵運行的情況下，保障測量人員的安全，同時還能保障測量結果的有效性則需要通過測量機器人的協助才能實現以上目標。測量機器人利用遠程自動檢測系統可對地鐵隧道的結構、墻壁垂線、隧道路基等實施不間斷監控，監控周期段，可在短時間內為工作人員提供地鐵隧道運行的安全狀態。

3 地鐵隧道變形監測分析及預報方法

3.1 測量機器人的布設

利用自動電子全站儀（ETS）進行隧道變形監測，該檢測設備也被稱為測量機器人，是一種可自動對目標進行搜索、辨認、追蹤和校準的三維坐標的智能型監測設備，觀測點采用全站儀自由設站的原則對隧道變形觀測點進行全程監測。在觀測點上放反射片，增加感光率，提高觀測數據的準確性，其余觀測任務則由測量機器人在軟件的控制下自動完成。通過對觀測周期的調節設定，可觀測不同時期的數據，然后利用計算軟件對不同周期的三維坐標值進行處理，最終獲得觀測點的三維坐標異動情況，并以△x，△y，△z表示。在對隧道變形進行監測時，測量機器人的設站方法如下：將觀測墩放在第一個鐵軌的外面，測量機器人被用底座固定在觀測墩上，外側用玻璃罩保護，觀測站安裝反射片的數目控制在6-16片，安裝區域分布在墻壁垂線、穹拱、軌道固定點和軌道排水渠各處，在監測過程中，所有的坐標數據均由測量機器人自動采集，然后通過數據線傳輸到控制服務器上。

3.2 基準點及工作基點的設置

對隧道工程進行變形監測時，通常將監測基準點放在車站內，如帶有強制歸心裝置的觀測墩處，左側出入段和左線各設置3個階段點，定期對基準點進行檢測，確保監測結果的可靠性。工作幾點布設時，可在監測范圍內中部的隧道側墻上設置托架，長度為400mm，左出入線段和左線分別設置1個工作基點；變形監測點可按要求的斷面進行布設，每個斷面在軌道附近的道床上布設兩個監測點，共設置六個觀測斷面，對每個觀測點配備反射棱鏡，棱鏡反射面指向工作基點。

3.3 數據處理

3.3.1 變形數據處理方法發展現狀

地鐵隧道變形監測的主要目的是通過采集隧道結構的變形數據，了解隧道和軌道的運行情況，以便于及時發現問題，防止重大安全事故的發生，同時為后期的工程提供參考價值。因此，對監測數據的處理，并根據數據得出變形規律，進而做出科學的預報是監測工程的關鍵所在。由于現在的監測手段不斷發生變化，已經由傳統的單一監測模式發展至點、線、面結合的立體交叉多元監測模式，采集的數據也由離散型轉向連續性，因此對數據的分析預報也應該由靜態分析轉向動態分析。在時間序列、回歸分析、人工神經網絡、灰色系統、卡爾曼濾波和小波分析等多種智能分析方法的應用，極大的推動了變形動態模型的發展和應用。

3.3.2 卡爾曼濾波算法

卡爾曼濾波算法是Kalman在濾波理論的基礎上提出的一種時域上的狀態空間分析方法，在該算法中，動態系統的描述通過狀態方程實現，狀態觀測信息通過觀測方法進行分析，結合空間攝影理論，提出的狀態估計理論。離散線形系統的卡爾曼濾波模型的狀態方程和觀測方程可用下式表達：

①Xk+1=φk+1，kXk+ψk+1，kUk+1+Γk+1，kΩk+1

②Lk+1=Bk+1Xk+1+Gk+1Uk+1+Δk+1

X為狀態向量，L為觀測向量，U為控制向量，φ為狀態轉移矩陣，ψ為時刻控制矩陣，B為觀測矩陣，Γ和G為隨時間變化的系數矩陣，Δ是觀測噪聲，Ω是動態噪聲。下角標為“k”，表示該數據為在tk時刻所測得的數據，角標為“k+1”時，則為tk+1時刻所測得的數據；當角標為“k+1，k”時，表示該數據由k時刻至k+1時刻時間段內所測得的數據。卡爾曼濾波模型的建立基礎是假設離散線形系統的觀測噪聲和動態噪聲都為零均值白噪聲，且二者之間不存在必然聯系，在此模型的基礎上可推導出呂爾曼濾波方程以及預報方程。

3.3.3 時間序列分析算法

在分析隨機數據序列時，時間序列分析法是一種有效的處理方法，該法通過分析一組時序相關的數據序列，找到時間對數據的影響規律，然后在此基礎上對數據的變化趨勢做出分析和預報。時間序列分析算法已經廣泛應用于經濟、氣象、天文和測繪等多個領域。若時間序列{xi}為平穩、正態、零均值，其取值受到前面時間序列和對應噪聲值的影響，按照多元線形回歸思想即可得到該時間序列的模型，對模型進行不同條件設定時，可分別獲得自回歸模型和滑動平均模型的表達形式。

3.3.4 數據處理系統

數據處理系統的主要功能是繪制變形過程的曲線、數據的后處理、數據報表、預報警等。實施繪制曲線的功能可使工作人員能夠直觀、實時的查看工程結構變形情況；數據分析系統則通過有效的處理措施后對測量誤差進行減弱或消除；預警系統則對超過參數設定值的數據進行報警，確保工程的施工安全；報警方式可通過聲、光方式和短信預警方式，其中短信預警既可以手動操作，也可以自動完成。

3.4 工程應用

對某地鐵隧道工程采用三維激光掃描方法進行變形監測，該隧道1號線處有熱力管道工程橫穿而過，在工程施工過程中對隧道結構造成了一定的影響，變形區域由K3+770至K3+810，在對該區段進行監測時，所得結果如下：隧道結構最大變形點累積變形量得到+1.90mm，軌道最大變形量累積達到+1.86mm，軌道沉降最大值為-0.29mm。根據以上監測結果可知，工程施工對隧道結構和軌道結構的累積變形未超出2mm（變形范圍），熱力管道工程的施工對該段地鐵隧道的結構和軌道沒有影響。通過對監測點連續性監測，發現與人工監測方式相比，該監測技術采集數據穩定，其監測精度準確可靠。

4 結語

城市化進程的不斷加快導致以人口超飽和、城市綠化減少、建筑空間擁擠、交通阻塞嚴重為代表的城市綜合癥越來越嚴重，尤其是交通阻塞問題，已經嚴重影響了各大中小型城市的發展。交通阻塞問題的主要原因是城市交通總容量不足，擴建道路是解決交通阻塞問題的有效途徑，在城市建筑面積逐漸減少的今天，利用地下軌道擴展交通空間，可有效緩解交通阻塞問題。在地下隧道工程施工過程中和投入使用后，工程結構變形問題不可避免，利用先進的三維監測技術，對地下隧道工程實施快速、高效、準確的變形監測，不僅可為地鐵的運營提供安全保障，還可為后期的工程建設提供科學參考。

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