地鐵隧道及軌道變形遠程自動化監測及分析

李春芳

（中鐵十七局集團第六工程有限公司　福建省　福州市　350000）

地鐵隧道及軌道變形遠程自動化監測及分析

李春芳

（中鐵十七局集團第六工程有限公司福建省福州市350000）

隨著城市建設的大規模發展，按照軌道交通線網規劃，地鐵骨架線將首先建成，新建換乘地鐵站不可避免地要穿越既有線車站結構或區間隧道，新建地鐵車站有上穿或下穿既有線結構兩種方式。例如，北京地鐵5號線東單暗挖車站從既有1號線區間隧道上面穿越，崇文門暗挖車站從既有1號線下面穿過[1]。北京地鐵4號線宣武門車站將下穿既有地鐵2號線宣武門站施工，西單站暗挖部分將從既有1號線區間隧道上面穿越。由于新建地下工程施工而引起的對既有地下結構影響的問題已是地鐵建設中一個亟待解決的技術關鍵。為保證既有線結構的安全和正常運營，在地下穿越工程施工期間，需要對既有線地鐵進行全天候的實時監控量測。傳統監測技術在高密度的行車區間內無法實施，且不能滿足對大量數據采集、分析以及及時準確的反饋，因此采用遠程自動化監測系統對既有線的結構和軌道變形進行24h監控量測。

地鐵隧道；遠程；自動化監測

1　工程概況

北京地鐵4#線西單站位于西長安街與宣武門內大街、西單北大街相交處十字路口的東側，呈南北走向，與既有1#線西單地鐵車站呈“T”字形換乘。該車站中部采用雙孔并行大斷面暗挖隧道下穿長安街、上跨既有地鐵1#線區間隧道（圖1），是全線風險等級高的重難點控制工程之一。該工程實施過程中最核心的問題是控制變形，不但要減少兩孔隧道之間的相互影響，還要減少對上部繁華街道和下部繁忙地鐵運營線的影響。

圖1　新建車站與既有1#線位置關系縱斷面

暗挖段上跨1#線既有區間，暗挖段底板板底與1#線既有區間隧道結構頂凈距0.5m，為即新建地下工程從既有地下結構上部垂直穿越的近接施工。新建4#線西單車站暗挖段施工卸載以后對1#線區間隧道的影響不可忽視。新建4#線西單車站暗挖段上跨1#線既有區間，暗挖段底板板底與1#線既有區間隧道結構頂凈距0.5m，且既有區間結構二襯施工時間較早，沒有配鋼筋，抗變形能力差。4#線西單站上穿施工時，在暗挖隧道開挖卸載以后，將產生向上推力，使既有隧道上浮，若上浮量過大，1#線區間結構縱向內力就會超出初始狀態較多。因此，區間結構在縱向上裂縫會進一步加劇，裂縫的增多增深可能會使二襯出現碎裂而影響1#線行車安全。根據既有隧道結構竣工資料及現狀檢測結果，經過計算分析表明，既有隧道結構現狀安全度已經達到臨界狀態。因此，既有1#線區間隧道因卸載以后產生的危害應引起高度重視。同時，為保證既有1#線正常運營，就必須保證軌道幾何形位（包括軌距、水平、高低及相應的變化率）不受影響。如結構變形影響引起軌道變形，也會影響1#線的運營安全。

2　監測項目、監測原理及測試系統

2.1監測項目

既有線結構變形的監測，采用采用靜力水準儀，布設方案為：以4#線西單站穿越中心線為基準，在其下寬80m的區域作為重點監測區域，間距4m，共布設20個測點（包含基點）。既有線軌道變形監測采用在地鐵排水溝中布設靜力水準系統（需將靜力水準系統小型化）的方法進行監測，布設方案為：在其下寬80m的區域作為重點監測區域，上、下行線共布設18個沉降測點（包含基點），具體布置如圖2。

圖2　隧道及軌道結構變形監測點布置

2.2測試原理

靜力水準儀依據連通器原理，用電容傳感器，測量每個測點容器內液面的相對變化，再通過計算求得各點相對于基點的相對沉陷量。如圖3所示，設共布設有n個測點，1#點為相對基準點，初始狀態時各測量安裝高程相對與（基準）參考高程面▽H0間的距離則為：Y01、Y02…Y0i…Y0n；各測點安裝高程與液面間的距離則為h01、h02、h0i…h0n，則有：

圖3　測量原理

當發生不均勻沉陷后，設各測點安裝高程相對于基準參考高程面▽H0的變化量為：Δhj1、Δhj2…Δhji…Δhjn（j為測次代號，j= 1，2，3……）；各測點容器內液面相對于安裝高程的距離為hj1、hj2、…、hji、…、hjn。

則j次測量i點相對于基準點1的相對沉陷量Hi1為：

由（2）式可得：

由（1）式可得：

將（5）式代入（4）得：

即只要用電容傳感器測得任意時刻各測點容器內液面相對于該點安裝高程的距離hji（含hj1及首次的h0i），則可求得該時刻各點相對于基準點1的相對高程差。如把任意點g（1，2…i，n）做為相對基準點，將f測次作為參考測次，則按（6）式同樣可求出任意測點相對g測點（以f測次為基準值）的相對高程差Hij：

2.3數據自動采集系統

監測功能包括對各類傳感器的實測數據進行自動采集和對實測的信號做出越限報警。同時為滿足對地鐵隧道安全監測的各種不同的管理要求，本系統提供了5種不同的監測數據采集方式，以增加系統的靈活性，便于遠程服務[2]。

（1）數據采集單元（DAU）定時測量方式（即無人值班方式）。根據監控主機所設定的測量時間，DAU能自動定時地進行選測和巡測。該方式主要用于日常常規測量。

（2）人工干預測量方式。必要時，測試人員可通過監控主機任意進行測量。該測量方式的優先權高于其它任何方式，主要用于在特殊情況下可任意加密測次及對重點監測部位實施任意頻次的測量。

（3）網絡化測量方式。本系統具備有網絡化的管理功能，任何一臺計算機聯入此網絡后，可在計算機終端上實施數據采集；資料查詢等。

（4）人工測量方式。作為一種后備方式，當監控主機或通信線路發生故障時，在恢復通信之前采用便攜式計算機實施人工數據采集。DAU由于采用全模塊化結構，更換模塊非常方便，DAU不會因為模塊故障而長期停測。

（5）遠程控制測量方式。本系統提供了遠程控制測量功能，通過遠方辦公室的計算機，可在任何地方自如地實現數據采集和通信。

該系統能夠實現自動的數據采集、計算、圖形制作、數據分析、數據存儲、數據信息管理、系統的自檢、而且能夠實現網絡化遠程操作，是真正意義上的遠程監測系統。

3　儀器安裝、調試及保護

儀器的安裝如圖4～5所示，按要求在測點預埋φ180三個均布的M8×40（伸出長度）螺桿[3]。安裝注意事項如下：

圖4　地鐵隧道側壁靜力水準儀安裝

圖5　地鐵軌道基礎靜力水準儀安裝

（1）檢查各測墩頂面水平及高程是否符合設計要求。

（2）檢查測墩予埋鋼板及三根安裝儀器螺桿是否符合設計要求。

（3）提前將儀器主體容器塑料管連接處用水沖洗干凈。

（4）在測墩鋼板上安放儀器，用水平儀測定并調整頂板水平及高程，具體可以通過調節水準螺栓來調整。

（5）用槽架穩定并保護連接管，同時用連接管連接儀器，并在因其中加入SG溶液以排除連接管中氣泡。

（6）在主體容器內放入浮子。

（7）在主體容器上安裝頂板，并將傳感器裝于其上。

在水準管和儀器安裝完成時，將電纜和電容器焊接好并對焊接處采取絕緣措施。

3芯屏蔽電纜的紅芯接測量模塊的信號接線端口，白、黃芯接激勵（橋壓）接線端口。當容器液位上升時，電容比測值應變小，否則將白、黃芯接線位置互換。

4　監測結果分析與反饋

4.1控制標準

為了總變形值、上浮速率都在控制范圍內，按照允許值的70%、80%作為預警值、報警值；并在每一施工步序中進行分解、確保每一步序的結構變形都在控制指標內。根據施工影響分析計算中體現的變形規律分解總變形值，控制標準見表1。

表1　既有線上浮控制標準

隧道施工過程中對既有線進行24h不間斷監測，全部監測數據（數據采集及數據分析）均由計算機管理，若出現較大沉降或沉降速率加速時，及時反饋信息。

4.2監測結果分析

既有線北側線路以上浮值為最大的測點BG06和BJ06為例，繪出結構和軌道的上浮歷程規律如圖6所示；南側線路以上浮值為最大的測點NG04-1和NJ06為例，繪出結構的上浮歷程規律如圖7所示；軌距變化的歷程規律如圖8所示。

圖6　既有線北側軌道及結構上浮時程曲線

圖7　既有線南側軌道及結構上浮時程曲線

由圖6～7所示，同一側結構和軌道上浮歷程曲線形狀相似，結構和軌道變形相互對應，與實際情況是相符的。結構和軌道上浮的最大值為3.2mm，沒有超過控制標準。

圖8　軌距變化時程曲線

從單個歷程曲線分析，上浮隨施工過程主要經歷以下三個階段：

（1）微小變形階段。開挖初期，隧道開挖卸載量不大，對既有線影響較小，上浮量很小，增加也很緩慢。

（2）急劇增加階段。隨著開挖工作面的增加，隧道開挖卸載量增加幅度大，對既有線影響較大，上浮變形速率迅速增加，上浮變形量急劇增大。該階段一直持續到開挖和初期支護基本完成，上浮達到最大值。變化的機理主要是由于隧道開挖引起地層應力釋放，造成圍巖應力重分布，既有線上方荷載及約束解除。該階段是上浮變形的主要階段。

（3）緩慢變形階段。當開挖和初支完成后，變形速率逐漸減小，上浮變形有所回落。隨著二襯的施作，既有線實際上又經歷了加載和恢復約束的過程，所以上浮變形減小。

比較南側和北側的歷程曲線，兩者也有所不同。南側的變化速率比北側的大，南側的回落現象也較為明顯。這與施工順序產生的力學作用也是相符的。隧道的開挖和支護都是從南側進行的，南側首先受到影響，因此南側的變化速率大。澆筑二襯也是從既有線南側開始的，所以南側上浮變形回落現象較為明顯。

從圖8軌距的變化歷程曲線看，軌距變化很小，在施工高峰期測到了軌距變化，但變化在0.1mm以內。因此，既有線上方開挖隧道在上浮量控制在一定范圍內的情況下，隧道開挖對既有線軌距的影響很小。

5　結論

（1）結構和軌道上浮滿足各分階段控制目標要求，最終的最大值為3.2mm，也沒有超過控制標準的要求。

（2）從單個歷程曲線分析，上浮隨施工過程主要經歷了微小變形階段、急劇增加階段和緩慢變形階段。

（3）既有線上方開挖隧道在上浮量控制在一定范圍內的情況下，隧道開挖對既有線軌距的影響很小。

[1]徐春明，汪春桃，孫澤信，等.地鐵保護區變形自動化監測技術應用研究[J].工程勘察，2014（12）：14～15.

[2]劉朝明，文志云.遠程監控管理技術及在軌道交通建設中的應用[J].上海建設科技，2005（5）：11～12.

[3]劉紹堂，李建新，周躍寅.光纖變形監測方法在隧道工程中的應用研究進展[J].公路，2014（10）：4～15.

[4]付麗麗，葉亞林，陳昊，等.自動化監測技術在地鐵隧道中的應用[J].城市勘測，2012（6）：143～147.

[5]張士宇，蔣宏偉，呂洪斌，等.自動化監測技術在地鐵運營監測中的應用[J].科技和產業，2014（4）：131～134.

U231+.92

A

1673-0038（2015）21-0232-03

2015-5-2

李春芳（1978-），男，工程師，本科，主要從事軌道交通、地鐵工作。