軌道交通地下工程周圍建（構）筑物自動化監測技術應用

王劍明

（中鐵二十四局集團有限公司，上海 200071）

1 引言

改革開放40年來，城市軌道交通發展突飛猛進。軌道交通是城市公共交通中的骨干力量，是城市的生命線工程。根據中國城市軌道交通協會發布的2018年中國內地城軌交通線路概況快報，截至2018-12-31，中國內地累計有35個城市建成投運城軌交通線路5 766.6 km。但在城市中心、建筑密集區建設軌道交通工程又是高風險項目，必須保證自身建設及周圍環境的安全。

其中，城市軌道交通工程監測工作非常重要，應做到技術先進、經濟合理、成果可靠，才能保證工程結構和周邊環境的安全。城市軌道交通工程監測應編制合理的監測方案，精心組織和實施監測，為動態設計、信息化施工和安全運營及時提供準確、可靠的監測成果[1]。

不夸張地說，監測數據和成果是現場施工工程技術人員判斷工程是否安全的依據，為工程決策機構的“眼睛”。如何結合工程實際，按照《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB 50911—2013）、《建筑變形測量規范》（JGJ 8—2016）等規范要求，克服常規監控量測存在的監測項目多、測量慢、數據多、工作量大等問題，研究快速、高效、準確的監測新技術并應用，尤為重要。

自動化變形監測主要是以智能型測量儀器、監測元件為載體，利用計算機技術和現代化的數據傳輸方式來實現對監測物形變測量的自動數據采集、自動數據傳輸和自動變形數據分析處理，以達到取代人工監測，實現自動化的目的[2]。

2 工程概況

貴陽市軌道交通延安路站為1、2號線地下換乘站，基坑支護采用全套管咬合圍護樁+內支撐結構。周圍有多棟高層建筑，其中，景天城（31F+2）、龍泉大廈（26F+1）、達亨大廈（21F）等，容易受基坑開挖影響而發生沉降傾斜或變形開裂。地質條件復雜，位于向斜核心，有一條張扭性斷層，巖層產狀變化較大。

三疊系中統關嶺組灰色中厚層白云巖，局部含泥質，細晶結構，巖體節理裂隙發育；巖溶強發育；地下水、周圍地表水（生活污水）較豐富，覆蓋土層含水。監測內容主要有建筑物的沉降和傾斜，圍護樁墻水平位移、墻頂水平/豎向位移、支撐內力、地下水位等，重點為地面高層建筑物在車站基坑開挖或隧道穿越時沉降、傾斜監測和監測設備保護、維護工作等。

3 監測方案

3.1 監測思路

監測是采用儀器量測、現場巡查或遠程視頻監控等手段和方法，長期、連續地采集和收集反映工程施工、運營線路結構以及周邊環境對象的安全狀態、變化特征及其發展趨勢的信息，并進行分析、反饋的活動[1]。變形監測與常規測量與相比，有共同之處，又有自己的特點：周期性重復觀測、精度要求高、多種技術的綜合應用、監測網著重于研究點位的相對變化。

由于部分項目位于市主城區繁華地段，人口稠密、建筑林立，且以高層房屋、居民樓為主。在高巖溶高富水地質不良環境下施工，為了確保工程質量，保障周邊居民生活和建筑結構的安全，不可繼續采用常規監測方法，即精密水準、全站儀、GPS觀測等，需要尋找先進的監測技術，如采用多元信息遠程自動化監測系統，以提升監測數據的準確性和及時性，為優化施工防護措施方案提供有力保障。

3.2 自動化監測系統

自動化監測是變形監測的發展趨勢，優點是工效高、勞動強度小，能實現實時、連續監控，有利于提高測量精度。多元信息遠程自動化監測系統是隧道、基坑工程自動化監測領域中的新產品，系統可以實現傳感器數據遠程自動化采集，并在數據服務器平臺發布，實現移動客戶端查詢。從使用傳統的光學類儀器發展為現代的電子儀器，從單一的、范圍受限及工作量大的作業手段發展成范圍廣大、自動化程度高、使用方法多樣的新技術，使獲得的數據更加可靠，分析能力更強、更及時。

4 監測實施

4.1 監測項目及儀器

本著經濟、合理、有效的原則，遵守工程施工規律，合理設置監測項目并選擇可靠的監測方法。對于高層和超高層建筑，監測項目主要有沉降和傾斜觀測。沉降觀測應測定建筑的沉降量、沉降差及沉降速率，并應根據需要計算基礎傾斜、局部傾斜、相對彎曲及構件傾斜[3]。建筑物監測項目及儀器如表1所示。

表1 建筑物監測項目及儀器（以景天城為例）

主要的監測儀器有2種：①靜力水準儀（HX-DG-0320系列）為電感調頻式，內置電子標簽，可自設編號，直接輸出物理量；靜力水準測量具體結構簡單、精度高、穩定性好、無須通視等特點，易于實現自動化沉降測量[2]。根據觀測精度要求和預估沉降量，選取相應精度和量程的靜力水準傳感器。②固定式電子測斜傳感器（HX-ZL-0103系列），為重力加速度計，測量地球引力在測量方向上的分量。可同時測量X/Y兩個方向傾斜變化，從而通過計算可以得出該點的傾斜方向與傾斜角度，測量精度較高、測量穩定。兩者均能實現自動化數據采集。

4.2 遠程自動化采集及傳輸

數據采集采用自動采集箱（HX-ZD-01型），可控制傳感器在指定的時間自動進行測量，并將結果保存在傳感器內。需要提取觀測數據時，可將電腦與自動采集箱相連，一次性讀出傳感器內存中的數據。選用太陽能或接220 V電源。

利用無線傳輸模塊（HX-ZD-02型），自動采集發射箱通過GPRS網絡將傳感器數據信息傳輸至云端服務器，然后經服務器計算中心分析計算后，將數據實時發布至WEB監測預警平臺，網絡終端可通過Internet網絡及移動客戶端（APP）查看數據。具體步驟如下：①將采集儀安放在現場易于保護的位置，將主電纜連接無線數據采集儀，打開電源；②每處測點埋設好，先將數據調零，對傳感器進行指令測量，設置采樣時間間隔，通過二次儀表采集數據后發送到監控中心；③軟件自動對測量數據進行換算，直接輸出監測量；④利用GPRS或點對點無線網絡進行數據傳輸，完成對傳感器數據的采集和監控。

4.3 數據分析

數據采集軟件（HX-RJ-01）將各種方式采集到的數據匯總到數據庫，形成Excel文件，可進行進一步的顯示、處理、分析。同時，采集軟件可通過域名解析軟件對采集系統進行遠程控制和實時數據采集，達到自動化測量。軟件可對有效采集數據進行綜合處理和分析，實用、自動生成多種曲線圖；操作界面簡單、直觀、易用。

該軟件系統包括數據操作、反饋分析、數據報警和可視化輸出的模塊[4]。集成智能軟件功能模塊如圖1所示。

圖1 集成智能軟件功能模塊

4.4 監測頻率及預警、報警

監測頻率和觀測周期應根據建筑的工程安全等級、變形類型、變形特征、變形量、變形速率、施工進度計劃以及外累因素等情況確定。本項目，一般情況下每30～120 min測量1次，如果遇到施工進度加快、監測值異常、出現預警、有危險事故征兆時進行調整。

預警分為監測預警、巡視預警和綜合預警三類。設為四級：正常綠色（四級）、黃色預警（三級）、橙色預警（二級）和紅色預警（一級）。控制標準按《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）規定，現場取值：沉降差7 mm，房屋整體傾斜0.001；預警值控制標準的70%.

傾斜度計算公式為：

式（1）中：sA和sB為傾斜方向上A和B兩點的沉降，mm；L為A與B兩點的距離，mm。

4.5 監測報表

每日以電子郵件或其他形式提交監測報表，圖表說明對應施工工況，利于綜合分析，采取相應技術措施，調整施工方案，做到信息化施工，確保周邊環境安全。工程結束后，提交監測總結報告。

在實施中嚴格按照有關規定要求，當監測數據超過變化速率和累計變化量時應及時進行報警，通知各相關單位和部門。本項目根據監測數據分析，建筑物沉降監測具體為：累計變化最大點為J5-1，累計變化量為-2.33 mm，變化速率平均為-0.002 mm/d。值得注意的是，負值為下沉，正值為反彈，變形量未超控制值。建筑物沉降-累計變化量最大點統計如表2所示。

建筑物沉降-累計變化量最大點曲線如圖2所示。

表2 建筑物沉降-累計變化量最大點統計表

圖2 建筑物沉降-累計變化量最大點曲線圖（J5-1）

監測結果應形成成果數據觀測、計算、分析數據庫，并可采用回歸分析方法建立變形量與變形因子關系數學模型，進行變形趨勢預報，用于后續分析預報確定建筑物是否安全。監測報告分為監測預警報告、定期報告與總結報告[3]。對監測成果宜采用抽樣核查方式進行質量驗收。

4.6 監測思考

從應用的深層次考慮，周圍建（構）筑物監測還需從以外觀形變監測為主導向內部結構狀態監測延伸，實現內部結構、外觀形變協同一體化自動化監測；進一步提升監測作用，不僅能綜合反映建（構）筑物的外觀、內部形態特征，還能反映軌道交通地下工程施工方法、結構設計的合理性，實現控制施工質量，驗證設計假設和結構安全狀態評估。

5 結論

在城市軌道交通地下工程（車站、隧道區間等）特殊地質環境下，緊鄰周邊高層建筑物施工時，安全風險極高，為了保障工程自身施工及周圍建（構）筑物的安全，國內外開展了許多相關研究，監測技術及手段不斷應用，技術水平發展迅速，本文只是介紹了其中一種——多元信息遠程自動化監測系統的應用，希望對類似工作有所借鑒。

多元信息自動遠程監測系統集數據采集、傳輸、保存、查詢、分析、預警等功能于一體，已成功應用于軌道交通地下工程施工周圍建（構）筑物監測。當然，除了靜力水準、電子測斜傳感器外，還有振弦式傳感器、爆破振動傳感器、激光掃描測量、近景攝影測量等技術手段和結合物聯網、云計算等處理方法正在不斷提高。