自動化監(jiān)測在運營地鐵車站保護區(qū)的應(yīng)用
——以長沙地鐵2號線長沙火車站站為例

一、前言

日前，經(jīng)濟迅速發(fā)展和城市規(guī)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(fā)展軌道交通項目，城市軌道交通進入了大規(guī)模建設(shè)時代，在新的的城軌線路建設(shè)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(shè)者最為關(guān)注的難點和重點，而自動化變形監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)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(jiān)測技術(shù)在既有2號線地鐵保護區(qū)的應(yīng)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(cè)，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(shè)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(shè)，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(guān)系圖如下：

圖1 項目平面圖

圖2 項目剖面圖

三、自動化監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成及原理

（一）自動化監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

監(jiān)測系統(tǒng)包括：①監(jiān)測單元(測量機器人、基準(zhǔn)點、監(jiān)測點棱鏡、傳感器)、②控制通訊單元（監(jiān)測設(shè)備的電源供給和控制、監(jiān)測設(shè)備的測量控制和數(shù)據(jù)讀取、服務(wù)器遠程通訊和數(shù)據(jù)上傳）、③服務(wù)器管理單元（安裝RocMoS的控制中心服務(wù)器）④用戶交互單元（RocMoS-Cloud用戶云平臺）

（二）監(jiān)測原理及監(jiān)測過程

1、監(jiān)測原理：在連接到監(jiān)測服務(wù)器上的計算機終端上，通過變形監(jiān)測軟件系統(tǒng)遠程向測量機器人發(fā)送測量指令，使測量機器人在設(shè)定的時間、按設(shè)定的測量程序自動進行測量，測量數(shù)據(jù)返回到監(jiān)測服務(wù)器，監(jiān)測數(shù)據(jù)分析模塊自動對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行計算與分析，給出各監(jiān)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(zhǔn)點，按后方交會方法定出儀器坐標(biāo)和高程，然后再觀測變形監(jiān)測點。

2、具體測量過程為：安裝在計算機上的監(jiān)控模塊，通過通訊模塊發(fā)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(jié)果發(fā)送至計算機，由監(jiān)測數(shù)據(jù)分析模塊對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理、分析。并通過云端對數(shù)據(jù)進行信息共享。

四、自動化監(jiān)測方案

（一）監(jiān)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(jù)實際情況及國家基坑監(jiān)測規(guī)范，除基坑范圍需要監(jiān)測外，并向基坑兩個方向各延伸2～3倍基坑深度的監(jiān)測范圍

圖3 自動化監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成及原理

圖4 自動化變形監(jiān)測云服務(wù)平臺

（二）監(jiān)測對象、監(jiān)測項目、監(jiān)測精度表（如表1所示）

（三）監(jiān)測基準(zhǔn)點的布設(shè)與測量

自動化監(jiān)測控制網(wǎng)由基準(zhǔn)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(jiān)測點進行測量；基準(zhǔn)點用于對工作基點坐標(biāo)的實時檢核及校正。為保證基準(zhǔn)點的穩(wěn)定性，需布設(shè)在隧道內(nèi)的穩(wěn)定區(qū)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(qū)較近的部位，同時為保證后方交會的精度及預(yù)防個別基準(zhǔn)點受到破壞，須布設(shè)有足夠的基準(zhǔn)點。結(jié)合現(xiàn)場情況，本項目工作基點均在監(jiān)測區(qū)范圍內(nèi)。左右線各布設(shè)布設(shè)8個監(jiān)測基點，分布在監(jiān)測區(qū)域兩端，每端4個，且基準(zhǔn)點距最外側(cè)監(jiān)測斷面的距離不小于30m。同時如果監(jiān)測期間有基準(zhǔn)點發(fā)生位移，自動化監(jiān)測系統(tǒng)會進行自動識別并將其剔除。

表1

（四）監(jiān)測斷面及監(jiān)測點布設(shè)

1、監(jiān)測斷面

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

2、監(jiān)測點

每個監(jiān)測斷面在地鐵隧道內(nèi)設(shè)置的監(jiān)測點包括：1個拱頂沉降監(jiān)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(jù)實際隧道狀況設(shè)計如下：

（五）主要監(jiān)測設(shè)備（如表2所示）

（六）監(jiān)測警戒值（如表3所示）

（七）監(jiān)測頻率與周期

1、監(jiān)測頻率

在附屬結(jié)構(gòu)施工期，施工強度低，施工位置距離隧道頂部較遠，可能產(chǎn)生的影響較小，監(jiān)測頻率為每天1次，可選取0-4點進行一次自動化監(jiān)測。

在主體結(jié)構(gòu)施工期，施工強度大，距離隧道結(jié)構(gòu)近，對隧道可能產(chǎn)生較大影響，隧道水平位移與沉降監(jiān)測在樁基施工期、土方開挖期24小時連續(xù)不間斷監(jiān)測(每6小時提供一次數(shù)據(jù))，底板砼強度達到設(shè)計強度后一天2次；在樁基施工期間，施工范圍內(nèi)隧道每6米測量一組管徑收斂數(shù)據(jù)。當(dāng)隧道管片累計沉降變形10mm或連續(xù)三天的位移速率超過2mm/d時，對應(yīng)區(qū)域進行每天至少一次的管片收斂監(jiān)測。

當(dāng)有危險事故征兆時，應(yīng)連續(xù)監(jiān)測；當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，應(yīng)進一步加強監(jiān)測，縮短監(jiān)測時間間隔、加密監(jiān)測次數(shù)（如表4所示）。

圖5 自動化監(jiān)測橫斷面布置示意圖

當(dāng)出現(xiàn)監(jiān)測值達到報警標(biāo)準(zhǔn)；或監(jiān)測值變化量較大或者速率加快；隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常情況時（如開裂、滲漏等）時，應(yīng)適當(dāng)加強監(jiān)測，縮短監(jiān)測時間間隔、加密監(jiān)測次數(shù)，直至危險或隱患解除為止。

2、監(jiān)測周期

本項目監(jiān)測周期為施工開工日期至施工影響區(qū)域內(nèi)的受影響的建（構(gòu)）筑物沉降變形穩(wěn)定為止。（沉降變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：參照《建筑變形測量規(guī)范》JGJ8-2007相關(guān)內(nèi)容確定，即“當(dāng)最后100d的沉降速率小于0.01～0.04mm/d時可認為已經(jīng)進入穩(wěn)定階段”。）

五、監(jiān)測數(shù)據(jù)整理及分析

表2

表3

表4

圖6 長沙地鐵火車站站內(nèi)自動化監(jiān)測變形曲線圖

采用監(jiān)測軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理，自動計算各監(jiān)測點沿隧道方向及垂直隧道方向的變形量，并繪制相應(yīng)的變形——位移-時間監(jiān)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(jiān)測點或多個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)和位移-時間監(jiān)測曲線圖進行對比分析，如監(jiān)測點監(jiān)測值達到報警值、變化量較大或速率加快、以及隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常情況時（如開裂、滲漏等），應(yīng)立即分析其原因，在排除監(jiān)測設(shè)備故障等相關(guān)問題后，上報運營部門和建設(shè)、監(jiān)理、施工單位并應(yīng)立即采取相關(guān)措施。

以施工自動監(jiān)測期間2016年12月20日～2017年1月19日數(shù)據(jù)（如圖6）為例，對其監(jiān)測期間地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)：下行線通道監(jiān)測首輪值以2016年8月22日數(shù)據(jù)作為首輪監(jiān)測值，截止2017年1月19日，施工期間各斷面均有數(shù)據(jù)波動（排除監(jiān)測期間列車運行影響），但日監(jiān)測數(shù)據(jù)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(jiān)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(wěn)定狀態(tài)。

六、結(jié)語：

通過本工程中發(fā)現(xiàn)：基于測量機器人的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，其實現(xiàn)在地鐵正常運營情況下，全自動、無人值守、24小時連續(xù)監(jiān)測，并且能實時提供變形點三維坐標(biāo)和實施遠程監(jiān)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(jiān)測技術(shù)的迅速更新和發(fā)展，其在地鐵建設(shè)中的作用意義將越來越突出。