軌道交通沉降監測方法探討

鄧洪建

摘要：軌道交通具有線路長、環境相對封閉、盾構結構易產生變形等特點，尤其是已投入運營的軌道交通線路，長期存在的水平方向或者垂直方向的形變會給其安全運營帶來極大威脅，因此需要對軌道交通線路進行長時間、周期性的變形監測，為其安全運營提供數據保障。從技術層面出發，探討水準測量以及自動化監測設備在已運營軌道交通線路沉降監測中的應用策略，通過沉降監測獲得的數據，對沉降的物理原因進行進一步分析，為軌道交通設施的安全運營提供數據支持。

關鍵詞：軌道交通；水準測量；沉降監測；自動化監測

0? ?引言

地面沉降是指在一定地表面積內所發生的地表面降低的現象，地面沉降作為沿海城市的一種緩變的地質災害，具有累進和不可逆轉的特性，相關影響將長期存在，尤其不均勻地面沉降的危害性極大，可直接導致地上地下構建筑物及設施發生垂直及水平方向的形變，對構建筑物造成安全隱患。在交通領域，地面不均勻沉降會導致軌道交通結構發生斷裂、滲水的情況，甚至可能縮短軌道交通使用壽命?；谶@種狀況，市政相關部門需要定期組織技術團隊對軌道交通定期開展變形監測。通過長期的沉降監測，可以準確找出軌道交通隧道的沉降規律，預測變化速率、幅度、范圍及可能產生的危害，為各方決策和采取措施提供及時、準確、科學的監測資料，以確保軌道交通的安全運營[1]。

1? ?沉降監測技術發展現狀

地面沉降監測技術是現代基礎設施狀態監測和維護的重要支撐，地表沉降情況是評價特定構筑物安全性與穩定性的關鍵參考。近年來，國家相關部門高度重視地面沉降監測技術的創新與運用，在不斷完善沉降監測技術規范、優化整合沉降監測技術流程基礎上，制定并實施了諸多導向標準，為新時期地面沉降監測技術的實踐應用提供了基礎遵循，彰顯出時代性與技術性。廣大工程單位發揮主體作用，在破解傳統沉降監測技術難題等方面進行了積極探索，通過技術革新與升級，有效提升了沉降監測數據的準確性，加之硬件技術的配合提升，其技術潛力得以全面挖掘。

依托于系統完善的沉降監測技術方法，可全面詳實獲取構筑物沉降數據，揭示軌道交通在不同階段的沉降特征變化，對未來短時期的變化趨向做出研判分析。與當前高標準、高要求的軌道交通沉降監測需求相比，當前地面沉降監測技術水平尚有較大提升空間，監測數據獲取、分析與處理的綜合實效有待進一步提升，需要準確把握影響監測效果的因素，并分類進行專業技術應對處理。

2? ?地面控制網沉降監測實現方式

2.1? ?做好地面控制網布設工作

控制網布設過程中，技術團隊需要在市區內重要地標建筑物附近、十字路口處以及軌道交通入口處附近布設城市水準點，將其作為地面沉降監測點。其中，中心城區城市水準點間距離500m左右，周邊地區及郊區可視情況放寬距離[2]。

軌道交通線路附近水準點選點應盡可能選在路線附近機關、學校、公園內或其他易于尋找的地方，點位應埋設于地基堅實穩定、安全僻靜處，以利于標石的長期保存和觀測，要按照《國家一、二等水準測量規范》要求埋設，并繪制水準點點之記。

2.2? ?做好外業測量與內業數據處理

以基巖點為路線起點和終點，進行水準測量。中心城區采用一等水準測量方法，周邊地區及郊區可采用二等水準測量。以基巖點高程為已知點高程，將地面沉降監測線路數據進行平差，得到各個城市水準點的最新平差值。將其與上次監測數據比對，得到各個城市水準點的沉降值，即可掌握城市地面沉降情況。

3? ?城市軌道站臺接測技術方案

地面沉降監測完成后，需要將高程傳遞到地下，將監測數據作為地下隧道內沉降監測的工作基點?；谶@種內在邏輯關系，需要以地面沉降監測網中軌道交通入口處最近的城市水準點，以二等水準測量的方式，將高程引測到事先布置好的站臺兩側的工作基點上。進行二等水準測量經過軌道交通入口樓梯段時，水準測量視線高度和視距長度會超限，但由于情況特殊且無法通過有效措施避免，因此對軌道交通入口樓梯段的視線高度和視距長度不作要求，以能正常讀數為標準。

4? ?城市軌道隧道沉降監測技術方案

4.1? ?做好監測點的埋設

監測點的埋設需基于軌道交通道床種類的不同，根據實際情況選擇穩定的地點進行埋設。常規的整體式道床，監測點應埋設在道床軌枕的中間位置，并且應該保證每塊整體道床伸縮縫兩側和每塊整體道床中間，各有至少一個沉降監測點。淺埋段與敞開段的監測點埋設，要求基本與整體式道床一致。浮置板道床等特殊道床，則應將監測點埋設到道床兩側的對應盾構環片上的穩定位置[3]。

4.2? ?開展隧道內沉降監測

隧道測量路線沿軌道交通隧道上、下行線布設，相鄰軌道交通站臺工作基點之間構成附合水準路線。為縮短觀測周期，提高精度，宜采用兩臺電子水準儀分別從上下行進行水準觀測。儀器直接假設在鐵軌道床上，水準尺使用LED照射燈條進行照明，以適用于軌道交通隧道內昏暗的作業條件。上下行線構成小水準路線閉合環。

隧道路線測量參照二等水準測量的技術要求開展監測，隧道內應將部分監測點納入到二等水準路線進行往返觀測，并固定測站。將該部分監測點作為固定轉點，其余沉降監測點則采用中視法進行碎部點測量。某軌道交通沉降監測水準路線如圖1所示。

4.3? ?內業計算主要方法

根據地面控制網沉降監測平差，得到軌道交通車站入口附近的城市水準點高程值、站臺上下接測水準路線，對隧道內沉降監測水準路線構成的地上、地下附合水準路線網，進行平差計算，可以求得各個軌道交通地下站臺兩側工作基點的本次平差后高程值。再根據平差后軌道交通站臺兩側工作基點的高程值，對每個區間的隧道內路線進行平差計算，即可得到隧道內各個沉降監測點本次觀測高程值。通過將沉降監測點本次觀測值與上次觀測值進行比較，即可得到軌道交通隧道內監測點本次沉降量。

5? ?城市軌道交通沉降自動化監測技術舉措

通常軌道交通沉降監測借助德國進口的靜力水準設備來完成。通過安裝在軌道交通盾構結構環片上的基準點設備、監測點設備和供電箱組成的連通器系統，對軌道交通的沉降情況進行自動化監測，并通過內置的無線通信模塊，將沉降數據傳導到相應的數據網站上，實現了除安裝和維修外無人工干預的自動化沉降監測系統。靜力水準設備結構見圖2，靜力水準系統設備安裝實物見圖3。

目前軌道交通的自動化沉降監測的技術還不夠成熟，其原因有三：一是地鐵車輛的運行會導致幅度不小的振動，造成自定化監測設備移位，導致觀測數據的不穩定。二是自動化監測設備自身會出現一些質量問題，比如儀器漏液等情況。對此必須進行人工維修，由此導致監測數據的中斷。三是由于自動化監測設備的配電箱供電，依靠軌道交通隧道內的供電電源，有時會被地鐵工務巡視人員以用電安全為由強行斷電，由此導致監測數據的中斷。

6? 基于時序InSAR技術的軌道交通沉降監測技術應用

6.1? ?完善監測處理流程

現代軌道交通沉降監測的過程，同時也是對軌道交通地表數據進行采集、分析、處理與運用的過程。該過程可細化分為多個流程環節，通過銜接各流程環節的既定作用，獲取軌道交通監測處理的整體效果。

在InSAR原理方面，需要采用雷達等主動式微波傳感器等裝置，通過其獲取光學信息，對比分析電磁波傳輸強弱程度等，對目標區域與目標對象進行探測。在實踐中，InSAR技術所發射出的微波具有較強穿透性，受外界環境條件的影響相對較弱，不存在其他關聯性因素，且具有較強覆蓋性，可在更短時間內完成更多數量的沉降監測任務，適用條件較強。

時序InSAR技術首先根據既定監測技術方案，將微波信號發送至目標場景，然后接受目標場景反饋回來的散射能量，最后比對分析返回強度和延時信號等，得出監測結論。通過控制距離向分辨率和方位向分辨率等，可防止監測數據信息變形等問題。

就時序InSAR技術而言，其具體監測處理流程如下：生成SAR影像連接圖，設定時間基線與空間基線的閾值范圍，保持監測過程中的良好干涉條件，滿足監測影像數據兩兩配對的既定目標需求；即對目標區域范圍內的圖像進行配對，剔除存在明顯偏差的監測數據，并進行往復多次形變反演，計算得出更加準確的形變速率；對監測成果進行編碼，將監測數據投影變換到地圖系統中，繪制形成監測圖線。

6.2? ?做好軌道交通沉降原因分析

通過分析研判沉降監測數據，可分析出軌道交通沉降的誘發原因，為細化完善后續沉降交通優化控制方案提供基礎參考。在當前技術條件下，影響軌道交通沉降的原因是多方面的，地面沉降在垂直方向出現的位移，往往由多類型不同因素疊加而成，只有準確界定各因素之間的權值關聯狀態，才能更加準確地判斷影響因素。

以交通動負荷為例，軌道交通更多情況下需要承受荷載不同強度的動負荷，且動負荷的方向、力度、矢量等差異明顯，加之地下水位變化和工程地質條件等因素影響，最終對軌道交通沉降造成的影響幅度則各不相同。

6.3? ?建立時間序列預測模型

選擇具有代表性的沉降監測數據，利用遺傳優化算法，建立時間序列預測模型，清晰直觀地體現軌道交通沉降狀態，為采取相應的加固處理措施等提供參考。在該過程中，應注重對比分析沉降監測預測值與實際值之間的偏差關系，若其偏離幅度過大，則應做出調整糾偏處理，以滿足模型數據構建要求。同時，利用神經元算法，根據既定神經元數量，構建神經網絡結構，對軌道交通沉降監測數據進行擬合優化，最終得出隱含層節點數，確保時間序列預測模型的準確性。模型構建完成后，可視軌道交通環境等基本情況，校核平均沉降值，將相對誤差控制在技術規范允許范圍內。

6.4? ?點位沉降預測與點位預測精度分析

在城市軌道交通點位沉降預測方面，技術團隊可以使用時序InSAR技術方法采集到的監測數據，針對于監測數據使用格柵矢量化分析，以獲得具有時序累計特征的數據源。然后分析特定時刻范圍內的累計沉降量，合理選擇插值數據。對不同監測期間的沉降數據進行縱向對比，結合不同監測點位測得的最大值點、最小值點和平均值點等，驗證點位沉降預測效果。在點位預測精度方面，則應充分發揮平均絕對誤差、均方根誤差和平均絕對百分比誤差等指標作用，控制預測結果與真實結果的平均偏離幅度，同步完成面域沉降的預測。

7? ?結束語

軌道交通被譽為“城市的生命線”，其能否安全有序地運行，關系到城市數百萬人民的人身、財產安全，關系到人民生活的便利性，關系到整個城市的發展。軌道交通具有線路長、環境相對封閉、盾構結構易產生變形等特點，尤其是已投入運營的軌道交通線路，長期存在的水平方向或者垂直方向的形變會給其安全運營帶來極大威脅，因此需要對軌道交通線路進行長時間、周期性的變形監測，為其安全運營提供數據保障。隨著科技的不斷進步，傳統水準測量變形監測手段加上新技術的運用，會為軌道交通的監測上一道“雙保險”。

參考文獻

[1] 中華人民共和國行業標準，《工程測量規范》（GB50026-2007）[S].中華人民共和國建設部，2008.5.

[2] 唐輝明.工程地質學基礎[M].北京：化學工業出版社.2008.

[3] 史儉峰，李戰軍，周波.水準測量在地鐵隧道沉降監測中的應用[J].測繪技術裝備，2014，16（4）：61-64.