自動化監測在運營地鐵車站保護區的應用
——以長沙地鐵2號線長沙火車站站為例

一、前言

日前，經濟迅速發展和城市規模日益增大，地鐵出行也成為人們首選出行方式，隨著各地大力發展軌道交通項目，城市軌道交通進入了大規模建設時代，在新的的城軌線路建設施工時，如何保障其對臨近的既有運營線路的安全則是建設者最為關注的難點和重點，而自動化變形監測技術的發展和應用，很好的解決了這一矛盾。本文以長沙地鐵為例，闡述長沙地鐵3號線火車站站項目施工期間自動化監測技術在既有2號線地鐵保護區的應用。

二、項目介紹

長沙地鐵火車站站位處五一大道與車站北路交叉路口東側，是長沙地鐵3號線與2號線的換乘站，3號線與2號線十字交叉換乘，2號線位于3號線上方。其中2號線長沙火車站站為地下二層，其正下方的3號線部分已與2號線建設時同步施工完成并于2014年開通運營。3號線火車站站新建部分于2015年1月開始動工建設，車站采用明挖法施工，沿車站長度方向依次分別開挖施工，埋深約24米。位置關系圖如下：

圖1 項目平面圖

圖2 項目剖面圖

三、自動化監測系統構成及原理

（一）自動化監測系統構成

監測系統包括：①監測單元(測量機器人、基準點、監測點棱鏡、傳感器)、②控制通訊單元（監測設備的電源供給和控制、監測設備的測量控制和數據讀取、服務器遠程通訊和數據上傳）、③服務器管理單元（安裝RocMoS的控制中心服務器）④用戶交互單元（RocMoS-Cloud用戶云平臺）

（二）監測原理及監測過程

1、監測原理：在連接到監測服務器上的計算機終端上，通過變形監測軟件系統遠程向測量機器人發送測量指令，使測量機器人在設定的時間、按設定的測量程序自動進行測量，測量數據返回到監測服務器，監測數據分析模塊自動對監測數據進行計算與分析，給出各監測點的三維變形量（平面及高程），并繪制變形時程曲線。每次測量時，先觀測基準點，按后方交會方法定出儀器坐標和高程，然后再觀測變形監測點。

2、具體測量過程為：安裝在計算機上的監控模塊，通過通訊模塊發送測量指令給安裝于基點站的全站儀，控制全站儀對校核點和變形點按一定的順序進行逐點掃描、記錄、計算及自校，并將測量結果發送至計算機，由監測數據分析模塊對監測數據進行整理、分析。并通過云端對數據進行信息共享。

四、自動化監測方案

（一）監測范圍

長沙地鐵3號線長沙火車站站深基坑施工對既有2號線長沙火車站車站造成影響，其范圍為DK10+240～DK10+370，根據實際情況及國家基坑監測規范，除基坑范圍需要監測外，并向基坑兩個方向各延伸2～3倍基坑深度的監測范圍

圖3 自動化監測系統構成及原理

圖4 自動化變形監測云服務平臺

（二）監測對象、監測項目、監測精度表（如表1所示）

（三）監測基準點的布設與測量

自動化監測控制網由基準點和工作基點（測站點）組成，其工作原理是通過后方交會法確定工作基點的空間位置，再對監測點進行測量；基準點用于對工作基點坐標的實時檢核及校正。為保證基準點的穩定性，需布設在隧道內的穩定區域。為滿足測量精度及通視要求，工作基點一般安置在離測區較近的部位，同時為保證后方交會的精度及預防個別基準點受到破壞，須布設有足夠的基準點。結合現場情況，本項目工作基點均在監測區范圍內。左右線各布設布設8個監測基點，分布在監測區域兩端，每端4個，且基準點距最外側監測斷面的距離不小于30m。同時如果監測期間有基準點發生位移，自動化監測系統會進行自動識別并將其剔除。

表1

（四）監測斷面及監測點布設

1、監測斷面

根據施工影響范圍，對鄰近項目基坑的2號線車站區域為每5米布設一條監測斷面（DK10+280～DK10+300，DK10+310～DK10+330），離開項目基坑的2號線車站區域為每10米布設一條監測斷面，即2號線上下行線各布設18個監測斷面。

2、監測點

每個監測斷面在地鐵隧道內設置的監測點包括：1個拱頂沉降監測點，1對隧道收斂觀測點（同時也是隧道水平位移觀測點），2個軌道沉降觀測點（兼道床水平位移觀測點）。根據實際隧道狀況設計如下：

（五）主要監測設備（如表2所示）

（六）監測警戒值（如表3所示）

（七）監測頻率與周期

1、監測頻率

在附屬結構施工期，施工強度低，施工位置距離隧道頂部較遠，可能產生的影響較小，監測頻率為每天1次，可選取0-4點進行一次自動化監測。

在主體結構施工期，施工強度大，距離隧道結構近，對隧道可能產生較大影響，隧道水平位移與沉降監測在樁基施工期、土方開挖期24小時連續不間斷監測(每6小時提供一次數據)，底板砼強度達到設計強度后一天2次；在樁基施工期間，施工范圍內隧道每6米測量一組管徑收斂數據。當隧道管片累計沉降變形10mm或連續三天的位移速率超過2mm/d時，對應區域進行每天至少一次的管片收斂監測。

當有危險事故征兆時，應連續監測；當出現下列情況之一時，應進一步加強監測，縮短監測時間間隔、加密監測次數（如表4所示）。

圖5 自動化監測橫斷面布置示意圖

當出現監測值達到報警標準；或監測值變化量較大或者速率加快；隧道結構出現異常情況時（如開裂、滲漏等）時，應適當加強監測，縮短監測時間間隔、加密監測次數，直至危險或隱患解除為止。

2、監測周期

本項目監測周期為施工開工日期至施工影響區域內的受影響的建（構）筑物沉降變形穩定為止。（沉降變形穩定標準：參照《建筑變形測量規范》JGJ8-2007相關內容確定，即“當最后100d的沉降速率小于0.01～0.04mm/d時可認為已經進入穩定階段”。）

五、監測數據整理及分析

表2

表3

表4

圖6 長沙地鐵火車站站內自動化監測變形曲線圖

采用監測軟件對監測數據進行整理，自動計算各監測點沿隧道方向及垂直隧道方向的變形量，并繪制相應的變形——位移-時間監測曲線圖（單點、多點），通過對施工前、施工過程中、施工完工后的某一個監測點或多個監測點的數據和位移-時間監測曲線圖進行對比分析，如監測點監測值達到報警值、變化量較大或速率加快、以及隧道結構出現異常情況時（如開裂、滲漏等），應立即分析其原因，在排除監測設備故障等相關問題后，上報運營部門和建設、監理、施工單位并應立即采取相關措施。

以施工自動監測期間2016年12月20日～2017年1月19日數據（如圖6）為例，對其監測期間地鐵隧道結構變形監測分析發現：下行線通道監測首輪值以2016年8月22日數據作為首輪監測值，截止2017年1月19日，施工期間各斷面均有數據波動（排除監測期間列車運行影響），但日監測數據均小于日報警值（±2mm），而該期間最大累積平面位移值為-2.1mm，最大累計沉降為-2.2mm，最大隧道累計收斂值為2.2mm，均小于監測累計報警值（±4mm，±3.2mm）。綜上所述，初步分析，隧道該施工期間處于穩定狀態。

六、結語：

通過本工程中發現：基于測量機器人的自動化監測系統，其實現在地鐵正常運營情況下，全自動、無人值守、24小時連續監測，并且能實時提供變形點三維坐標和實施遠程監管，這樣既克服了以往人工測量的不足，也保障人地鐵運營安全及測量人員的人身安全，有效的提高了工作效率。隨著近些年自動化監測技術的迅速更新和發展，其在地鐵建設中的作用意義將越來越突出。