某項目地鐵運營保護監測及數據分析

摘要：隨著我國城市軌道交通的快速發展，越來越多的工程在地鐵保護區域范圍內施工，不可避免的對地鐵隧道結構產生影響，進而對地鐵的運營帶來安全隱患。傳統的人工監測受制于地鐵運營、地鐵巡檢等等的影響，一般只能特定的夜晚進行，無法滿足實時監測的需要。為了及時掌握隧道結構的變形特征與發展趨勢，保證地鐵運營安全，應自動化監測系統。本文通過對自動化監測系統系統在地鐵運行監控中的應用進行了分析，為地鐵運行監測提供了借鑒。

關鍵詞：地鐵保護區域；運營安全；人工監測；自動化監測

隨著我國城市軌道交通的快速發展，越來越多的工程在地鐵保護區域范圍內施工，不可避免的對地鐵隧道結構產生影響，進而對地鐵的運營帶來安全隱患。傳統的人工監測受制于地鐵運營、地鐵巡檢等等的影響，一般只能特定的夜晚進行，無法滿足實時監測的需要。而測量機器人能夠進行目標自動搜索、識別、跟蹤和精確照準，并獲得角度、距離和三維坐標等信息，進一步輔助以遠程傳輸、實時分析等功能，可以做到24h不間斷監測，能及時發現隧道結構和軌道變形，保證地鐵運營的安全，是地鐵監測的發展趨勢。此外，對于工程影響監測等級為二、三、四級的項目，可以采用人工監測；但對于工程影響監測等級為特級、一級的項目，危險性高，對于監測頻率要求≥1次/天[1]，這對于人工監測來說，是無法做到的。

本文在武漢某項目地鐵運營安全保護監測過程中，引入徠卡TM50測量機器人建立綜合自動化監測系統，此技術在本工程中得到了成功運用，可在今后類似工程中應用推廣，可有效解決非接觸監測的難題。

1"項目概況

“擬建項目”建筑物面積約35000m2，周邊長約920m，由兩層地下室+三層裙房+2棟塔樓構成。地鐵保護區間內“擬建項目”為兩層地下室+三層裙房構成。地鐵運營監測工作開展前，“擬建項目”支護樁已施工完畢，且已完成第一道內支撐施工。“擬建項目”位于地鐵已運營線路西側，“擬建項目”基坑支護結構邊線距離已運營線路左線結構最小凈距約19.8m，“擬建項目”基坑支護結構距離地鐵車站站體結構最小凈距約17.8m，“擬建項目”侵入軌道交通隧道區間結構及地鐵車站站體結構的軌道交通規劃控制保護地界線分別為30.2m、32.2m。

“擬建項目”與地鐵結構場地地貌單元屬剝堆積壟崗區（III"級階地），二者之間地質條件較好，土層從上到下依次為：①雜填土、③粉質黏土、⑥強風化石英砂巖、⑥中風化石英砂巖。已運營地鐵地鐵車站站體及隧道區間結構位于強風化石英砂巖、中風化石英砂巖中，地質條件較好。

“擬建項目”靠近地鐵隧道區間東側基坑采用φ1200@1500"鉆孔灌注樁+φ700@500高壓旋噴樁止水帷幕+三道鋼筋混凝土支撐的支護形式，基坑挖深17.55～18.55m。“擬建項目”場地內，對工程建設有影響的地下水主要是上層滯水，因此本項目采用排水溝引流處理。

2"方案設計

本項目施工影響的地鐵隧道區間及地鐵車站站體結構長度約為82m，次要影響區域從主要影響區域兩端分別外延50m，總監測范圍約182m[2][3]"[4]，工程監測等級為二級。

監測網的組成：本項目監測網由基準點、工作基點（設站點）及監測點組成。

基準點作為變形監測的基準，其穩定性十分重要。考慮到站體地基為中風化石英砂巖，基礎牢固，同時為提高基準網的穩定性，基準點一般布設在監測范圍外30m以上。因此在地鐵車站站體布設了3個基準點，另外在地鐵隧道區間布設了3個基準點，基準點上設置標準圓棱鏡。

工作基點（設站點）布設應根據地鐵隧道區間的隧道走向、隧道高低起伏、監測范圍、監測條件等等因素確定，保證測量機器人與監測棱鏡之間相互通視即可。本項目測站點設在待測隧道中部的拱腰上，設站點上安裝測量機器人，基準點與工作基點構成測量控制網，每次測量前通過設站點與基準點的觀測結果，來更新工作基點坐標，隨后測定各監測點的實時坐標。

監測點布設：82m主要影響區間內每8m布設一個監測斷面，次要影響區間內每15m布設一個監測斷面，共計19個監測斷面。隧道區間由5個監測棱鏡組成一個監測斷面，測量拱頂沉降、道床沉降、道床水平位移和拱腰水平收斂（圖2）。因地鐵車站站體區間一側為站臺，因此站體區間由4個監測棱鏡組成一個監測斷面，測量站體頂部沉降、站體腰部水平位移、道床沉降和道床水平位移。監測點布設前，應設計好斷面監測點位置，不同斷面監測點間相互錯開，保證測量機器人能夠區分；監測點布設時，根據測量機器人視場角對監測點位置進行微調。

本項目采用基于徠卡TM50測量機器人（標稱測角精度0.5″、測距精度0.6mm+1ppm）的自動化變形監測系統GeoMoS，以徠卡TM50測量機器人為測量工具，并配備地鐵隧道監測專用的L型棱鏡。首先采用自由設站的方式得到測站點坐標，然后采用極坐標的測量方法，測定各變形點的三維坐標。同時測量機器人通過網絡自動將采集的數據傳入控制計算機，監測人員通過徠卡GeoMoS軟件對所采集的數據進行處理分析，輸出監測點的變形及相關信息。

3"測量原理

本項目工作基點（測站點）設置在地鐵結構監測范圍內，因此測量機器人首先采用自由設站法得到工作基點（測站點）坐標，然后采用極坐標法獲得監測點坐標，通過網絡傳輸將監測獲得的數據進行分析，以獲取地鐵隧道監測區間的各類監測變形量。

自由設站法：將測量機器人安裝在設站點上，觀測多個已知后視基準點的斜距和方位角，將設站點坐標作為未知參數，利用觀測值與設站點間的幾何關系建立觀測方程，然后將觀測方程轉為誤差方程，利用最小二乘原理計算得到設站點坐標[5]。另外也可以將設站點的三維坐標作為未知參數，利用以斜距、水平方向和天頂距等原始觀測值，建立更加嚴密的平差模型[6]。。

由自由設站法得到測站點坐標后，通過極坐標法，測量測站點到監測點間的距離、方位角、天頂距，即可計算得到監測點的三位坐標，計算公式如下：

Xi=X0+SisinAcos（α+L）

Yi=Y0+SisinAsin（α+L）

Zi=Z0+SicosA

式中：（Xi，Yi，Zi）為監測點坐標，（X0，Y0，Z0）為設站點坐標，Si為斜距觀測值，A為天頂距觀測值，α為已知方位角，L為水平觀測角。

4"監測數據分析

• 基準點穩定分析

由于地鐵隧道內空間狹小、觀測條件差等因素，基準點穩定性與否關系到監測成果的質量，因此地鐵隧道變形數據分析的首要任務是后視基準點的穩定性分析[7]。根據本項目監測過程中，后視基準點橫向位移和高程隨時間變化曲線（圖3）可知，從2021年2月～2023年3月，后視基準點的橫向位移和高程最大變化量均小于2mm，說明本項目后視基準點穩定可靠，可以作為監測點變形分析的依據。

4.2"監測數據分析

本項目采用獨立坐標系，以隧道走向為縱向，以垂直隧道走向為橫向，考慮到地鐵隧道結構為管片連接+注漿加固，且項目基坑垂直于地鐵隧道走向，因此隧道縱向變形很小，本項目基坑施工對地鐵隧道的變形影響為隧道道床橫向水平位移、隧道拱頂和隧道道床沉降、隧道收斂。當隧道道床橫向水平位移、隧道拱頂沉降、道床沉降、隧道收斂超過報警值時，通過分析監測數據的變化情況，可以發現基坑對地鐵變形規律，對項目予以預警。由于地鐵運營監測工作開展前，“擬建項目”支護樁已施工完畢，且已完成第一道內支撐施工，因此本項目監測數據僅能反應基坑開挖后隧道變形情況。

因地鐵車站站體及隧道區間的左線離項目基坑更近，這里分析左線監測數據變化情況。2021年2月～2021年9月為土方開挖期，開挖的深入，地鐵隧道變形量逐漸增大，隧道拱頂、道床最大沉降點分別為1.9mm、2.1mm，道床水平位移、隧道水平收斂最大變形量分別為1.8mm（偏向基坑）、1.5mm；當基坑底板澆筑完成后，隧道拱頂沉降、道床沉降、道床水平位移、水平收斂2022年3月最大變形量分別為2.2mm、2.0mm、1.9mm、1.5mm，地鐵隧道變形趨于平穩。本項目監測結果顯示：基坑施工對地鐵隧道影響較小，原因如下：①地鐵車站站體和隧道區間主要位于強風化石英砂巖、中風化石英砂巖中，巖石強度高；②“擬建項目”場地內，對工程建設有影響的地下水主要是上層滯水，項目采用排水溝引流處理，未抽取地下水，減小了地下水抽排對地層沉降的影響；③地鐵運營監測工作開展前，“擬建項目”支護樁已施工完畢，且已完成第一道內支撐施工，缺少支護施工階段監測數據。本項目地鐵隧道區間監測變形量同該項目影響評估報告基本吻合。

相對于傳統的人工監測，自動化監測系統能夠及時發現基坑施工過程中地鐵隧道的突變情況，并及時反饋給基坑建設、施工、地鐵管理單位，以便及時調整施工方案、改進施工工藝，從而減小基坑施工對運營地鐵隧道的擾動。本項目在2021年2月～2023年3月的監測過程中，后視基準點穩定可靠，監測精度優于±1mm，地鐵隧道變形特征與基坑施工狀態相符，因此本項目監測成果正確可靠，滿足地鐵隧道保護監測需求。

結語

測量機器人在地鐵隧道變形中應用越來越廣泛，本文通過分析對某項目地鐵運營保護監測的數據分析，結果表明：

（1）自動化監測數據準確反映了基坑施工過程中，地鐵結構變形情況，驗證了本項目自動化監測方案是準確、可靠的，為地鐵隧道運營安全提供了可靠保障，因此地鐵隧道自動化監測研究具有重要的現實意義。

（2）相比于傳統人工監測，自動化監測系統能夠實時、準確獲取監測對象的數據，在突發情況下，可以立即開展加密監測，這是傳統的人工監測所不具備的，因此在類似的重大項目中值得推廣。

參考文獻：

[1]軌道交通工程運營期結構監測技術規程：DB4201/T"646—2021[S]".

[2]城市軌道交通工程監測技術規范：GB"50911-2013[S]".

[3]城市軌道交通結構安全保護技術規范：CJJ/T"202-2013[S]".

[4]城市軌道交通工程測量規范：GB/T"50308-2017[S]".

[5]張忠良，楊友濤，劉成龍.軌道精調中后方交會點三維嚴密平差方法研究[J].鐵道工程學報，2008，25（5）：33-36+71.

[6]柏文鋒.基于智能全站儀的地鐵隧道自動化監測精度分析及驗證[J].測繪通報，2018（11）：107-110.

[7]段偉，儲征偉，杜偉吉，等.基于VT檢驗法的變形監測基準點穩定性分析[J].測繪通報，2014（S1）：36-38.

作者簡介：宋劍（1987—""），男，漢族，湖北赤壁人，碩士研究生，工程師，研究方向：大地測量與變形監測。