國鐵下穿隧道施工影響自動化監測方法研究

李振華

（1.中鐵四局集團有限公司設計研究院，安徽 合肥 230022）

隨著城市軌道交通建設的開展，各種復雜的工程建設也不斷涌現，既有國鐵線路或場站與地鐵隧道交疊便是其中之一。為了保證下穿地鐵隧道施工過程國鐵正常運營，就需要對下穿地鐵隧道施工過程期間國鐵場站地表沉降、路基變形、鐵軌變形、周邊建筑物變形等多個要素進行周期性連續監測，保障下穿地鐵隧道施工安全和國鐵正常運營[1-3]。

高精度智能測量儀器的出現為變形監測提供了新思路，促進了自動化監測技術的發展[4]。帶電動馬達驅動、程序控制和自動目標識別功能的智能全站儀，可以通過智能軟件控制實現測量數據采集自動化，被廣泛應用于變形監測領域。智能全站儀在自動化監測中占有重要地位[5-7]，是高精度變形監測領域不可或缺的儀器，但智能全站儀需要專業的軟件控制才能實現測量自動化，且自動化測量技術的應用獲取的數據量巨大，需要更加智能的軟件進行數據處理和分析，為下穿隧道安全施工提供指導意見。因此，研究國鐵下穿隧道施工影響自動化監測方法不僅具有廣闊的應用前景，而且對國鐵正常運營和下穿隧道施工安全具有重要意義。

鑒于此，本文結合合肥市軌道交通4號線天水路站至翠柏路站區間隧道下穿國鐵涉鐵項目，提出一種融合云平臺與智能全站儀的國鐵下穿隧道施工影響自動化監測方法，設計并實現了云平臺監測軟件系統，通過項目實際應用評估了該方法的有效性和適用性。

1 監測系統設計

合肥地鐵4 號線天水路站至翠柏路站區間線路經合肥東編組站北側鐵路專用線項目用地后，下穿合肥東編組站42股道群。合肥地鐵4號線下穿隧道施工期間，合肥東編組站還需正常運行。為了保證國鐵運營安全和地鐵施工安全，需要對下穿隧道區間的國鐵線路和周邊建筑物進行連續監測。基于變形監測理論，以徠卡智能全站儀為主要數據采集設備，根據工程實際情況設計了基于云平臺的自動化監測系統。

1.1 監測系統建立原則

根據工程實際情況和研究需要，國鐵下穿隧道施工影響自動化監測系統依據以下原則建立：

1）研究地鐵區間隧道下穿鐵路過程中，國鐵場站地表沉降變化特征和趨勢；

2）分析既有鐵路路基主體結構、鐵軌及附屬工程措施在下穿地鐵隧道施工過程中的變形特征和規律，研究既有國鐵線路對下穿地鐵隧道施工影響的響應及反饋；

3）掌握周邊典型建筑物的變形特征和規律，防止不均勻性沉降或位移導致建筑物結構破壞，引發安全事故；

4）顧及國鐵場站環境復雜，為了不對國鐵線路運營造成影響，需應用無人值守的自動化監測系統，系統具備數據自動采集、自動傳輸和自動處理分析等功能。

1.2 監測系統組成

采用基于云平臺的物聯網自動化監測系統，對監測設備、監測數據進行集約化管理；以計算機終端、手機客戶端等形式為管理部門不同用戶以不同權限層級的模式提供“智慧服務”，在風險事件條件下，及時通過手機短信、客戶端信息等形式向用戶提供預警和報警信息。

在工作基點上安置智能全站儀，在測站間的基準點上安置360°圓棱鏡，通過后方和前方交會測量實現多測站組網觀測；系統通信采用有線和無線相結合，數據采集模塊與智能全站儀之間通過電纜連接，數據采集模塊與服務器電腦之間采用無線通信，實現數據的遠程傳輸。如圖1為監測系統組織架構圖，該系統利用CDMA通信網及因特網遠程控制智能全站儀對監測點棱鏡進行自動循環測量，并將監測數據通過監測終端傳輸至后臺軟件，由后臺軟件對監測數據進行解析、平差、運算、篩選，并繪制成工程所需的監測圖表。

圖1 監測系統組織架構圖

1.3 監測系統功能

國鐵下穿隧道施工影響自動化監測系統主要功能是實現對多臺智能全站儀的控制，實現數據采集、數據傳輸、數據處理和分析的自動化。其主要功能如下：

1）通信參數配置：首先需要對網內各智能全站儀進行初始化，設置智能全站儀與計算機之間的通信參數，保持通信接口、波特率等數據一致。同時還需要檢查測試網絡通信是否完好，如果通信測試不通，系統將無法實現對智能全站儀的遠程控制。

2）自動采集監測數據：自動采集監測數據是本系統的核心功能，對監測數據的自動采集主要包括學習測量和自動測量2 個模塊。學習測量需要人工粗略照準，幫助智能全站儀定位監測目標，通過學習測量可以獲得各基準點和監測點相對于工作基點的位置信息（方位、距離），監測系統則可以通過這些信息引導智能全站儀實現監測目標自動定位，再通過智能全站儀的自動目標識別功能實現監測數據的自動采集。為了保證數據采集質量符合要求，嚴格按照《國家三角測量和精密導線測量規范》中的全圓觀測法進行，監測數據限差需滿足規范要求。

3）數據管理與分析：監測數據采集完成后通過數據傳輸功能傳至服務器，系統能對數據進行自動化處理，獲得監測點變形量，如果變形量超過設定預警值，系統通過手機短信、微信等方式進行實時預警。

2 自動化監測內容

下穿地鐵隧道采用盾構法施工，盾構下穿期間，既有國鐵列車仍需繼續運營。為保證施工期間營業線的安全，需對施工過程中臨近營業線30 m范圍內的軌道幾何變形、路基等進行自動化監測，對地表沉降、周邊建筑物沉降及傾斜采用人工監測。通過及時采集監測數據，判別營業線的安全狀況，為臨近營業線施工提供數據保障，同時也為營業線的安全運營保駕護航。

1）接觸網立柱監測。每根接觸網立柱設2處監測點，現場共監測營業線內16根接觸網立柱，營業線外北側2根電氣化立柱，共計布設36個測點。監測點采取反光標貼與立柱進行粘結，在立柱距地面0.5 m、2 m處布設一監測點。

2）燈橋立桿監測。每根立桿設2個監測點。現場共監測4根燈橋立桿，共計布設8個監測點。監測點采取反光標貼與立柱進行粘結，在立桿距地面0.5 m、2 m處布設一監測點。

3）軌道幾何變形。軌道監測目的在于監測軌道的變形，其監測點直接布設在軌道上。沿鐵路各股道縱向，每股道布置11 個監測斷面，監測斷面間距5~10 m。共布設462 個監測斷面。每個監測布設監測點2個，左右軌各1個。軌道幾何形位監測點共計924個。

4）鐵路路基監測。盾構下穿鐵路股道路基時，需對營業線影響范圍內路基沉降進行監測。沿鐵路各股道縱向，每隔1股道布置11個路基監測斷面，監測斷面間距5~10 m，共計242個監測斷面。每個監測斷面含2個監測點，左右軌各1個，共計484個監測點。

3 監測系統實現與應用

基于監測系統設計和監測需求，在Microsoft Visual Studio.NET平臺利用C#編程語言實現了基于云平臺的智能全站儀自動化監測系統。在完成監測系統開發后，將其應用于合肥市地鐵4 號線天水路站至翠柏路站區間隧道下穿國鐵項目中，對鐵路路基沉降和軌道變形進行連續自動化監測。

根據項目現場情況，按以下5 個步驟執行自動化監測任務：

1）儀器選址與架設：為滿足盡可能多的測量到監測點，儀器架設首選監測項目位置的制高點，其次應考慮智能全站儀的供電和防盜。因此，選擇在股道外側鐵路設備單位辦公樓頂上架設智能全站儀，由于本項目所用智能全站儀數量多，還需在營業線內架設觀測墩。

2）埋設基準點：視點選擇徠卡圓棱鏡，埋設在施工影響區外的穩定區域。要求基準點組成的控制網范圍須包含監測區域范圍，且任意2 個基準點與儀器間的夾角應大于15°。

3）埋設監測點：監測點埋設按照上一節所述方法按規范要求進行埋設。需注意監測點埋設完成后，將小棱鏡對準儀器方向并固定。

4）智能監測軟件配置：首先新建項目，然后根據監測要求和相關規范配置限差和監測頻率等參數，完成軟件基本參數配置。

5）自動化監測：在完成軟件配置和通信連接后，導入學習測量中獲取的控制點、監測點和設站點數據，學習測量數據導入后，可以開展自動化監測，在監測狀態欄右側選擇測量結果，查看監測點位移變化，監測結果只顯示監測點點位變化數據，包括周期、日期、時間、坐標、位移變化量等監測成果。

3.1 鐵路路基沉降時間序列

完成監測系統部署之后，對鐵路路基所有監測點進行了58期（天）的連續自動化監測，以第一天獲取的監測數據為基準，通過對數據進行處理獲取了每天的變形值。為了直觀地闡述監測系統應用效果，選取國鐵營業線內5 個路基沉降監測斷面（每個斷面2 個監測點）數據進行了展示。盾構施工期間路基左右兩側各5 個監測點沉降的變化趨勢如圖2 所示，可以看出路基左側與右側變形趨勢基本一致，在監測到第36期次后沉降趨于穩定，最大沉降量不超過6 mm。在盾構施工初期，路基沉降隨施工進程逐步增大，監測點所在區域盾構施工完成之后一段時間內逐漸趨于穩定。值得注意的是，L1-1-3與L1-2-3這2個點從第41期到54期累積沉降值有減小趨勢，變形曲線呈現出上升的形態，這可能是由于下穿隧道施工完成之后，隧道襯砌固化之后導致軟性路基出現了輕微回彈。這2個點在同一個監測斷面，分別為路基的左右兩側監測點，其中L1-2-3點沉降最大上升約為0.5 mm，變形量處于允許范圍內，不對路基和下穿隧道施工安全構成影響。

圖2 路基沉降時間序列

3.2 鐵路路基沉降三維可視化分析

鐵路路基沉降時間序列分析結果表明沉降在施工結束后一段時間內逐漸趨于穩定，為了更加直觀地獲取整個監測區域鐵路路基沉降變化趨勢及變形規律，在監測系統中增加了三維可視化分析模塊。按一定時間間隔選取了第1、6、11、16、21、26、31、36、42期的監測數據構建三維可視化模型見圖3所示。

圖3 路基沉降三維可視化模型

從圖3可以看出，下穿隧道剛開始施工時，靠近施工區域出現局部變形（第6期），隨著下穿隧道盾構施工的進行，沿隧道施工方向逐步出現“溝狀”變形（第11期），且“溝狀”變形逐漸變長（第11期到第16期），到第21 期時，出現了一條貫穿監測區間的“溝狀”變形，但變形量較小，最大沉降量約為4 mm。在盾構施工完成后，鐵路路基在一定時間內依然出現了持續沉降，但沉降速率減小，且趨于穩定。從圖3可以看出，從第21期到第41期，“溝狀”變形形態沒有發生較大改變，說明變形主要由于下穿隧道施工引起，且距離下穿隧道中線越近，變形量越大，反之越小。

為了進一步分析其變形規律，分別獲取了鐵路路基沉降的一個橫截面和縱截面（圖4）。可以看出，其變形規律與下穿隧道施工節奏一致，且最大變形量小于6 mm，沒有對既有鐵路運營和施工安全造成威脅，說明本項目中工程防治措施較好，可以為后續類似項目提供重要參考。

圖4 路基沉降斷面圖

4 結 語

三維可視化分析模塊可以進一步提高監測系統性能，更加直觀、全面地展示監測點變形規律和趨勢。本文論述的監測方法及其工程應用，可以為復雜環境國鐵下穿隧道自動化監測積累經驗和技術，促進監測自動化、智能化發展，保障既有國鐵線路運營和下穿地鐵隧道施工安全。在后續研究中可以進一步融合多源傳感器，開展自動化監測系統及多源數據融合方法研究，為同類型項目提供更加全面的監測保障。