地鐵既有線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

李金昌

（中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司 山東省濟(jì)南市 250000）

當(dāng)前，有部分地鐵施工附近會(huì)存在距離既有地鐵隧道較近并且較深的大基坑，這些基坑不僅會(huì)提高其他建筑物的建設(shè)難度，同時(shí)施工過(guò)程中地鐵隧道周邊的土體會(huì)發(fā)生改變，從而對(duì)地鐵的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和運(yùn)營(yíng)安全造成一定影響。眼下我國(guó)地鐵施工過(guò)程中還主要是依靠人工測(cè)量地鐵隧道結(jié)構(gòu)變化，但是在施工過(guò)程中使用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能高效、準(zhǔn)確地向相關(guān)單位傳輸數(shù)據(jù)資料，明顯優(yōu)化的監(jiān)測(cè)工作的準(zhǔn)確性和高效性，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中隧道變形出現(xiàn)的異常問(wèn)題，確保施工工程順利完成。

1 項(xiàng)目概況

石碶站（5 號(hào)線）與已建成石碶站（2 號(hào)線）通道換乘?；优c2 號(hào)線石碶站車站（地下三層箱型框混凝土結(jié)構(gòu)，距離基坑11.63m）、2號(hào)線附屬（地下二層箱型框混凝土結(jié)構(gòu)，距離基坑6.67m）及盾構(gòu)區(qū)間（最近距車站約13.07m）。

本站共設(shè)置3 個(gè)出入口、2 個(gè)風(fēng)亭組和一個(gè)換乘通道，其中A號(hào)出入口遠(yuǎn)期預(yù)留，B 號(hào)出入口與A 號(hào)風(fēng)亭組合建，C 號(hào)出入口與B 號(hào)風(fēng)亭組合建。

1.1 基坑與2號(hào)線石碶站關(guān)系

在建5 號(hào)線石碶站主體基坑緊鄰2 號(hào)線石碶站，西端頭井距離2 號(hào)線鄞石區(qū)間最近距離為13.47m，基坑?xùn)|北角設(shè)有換乘接口。

2 號(hào)線鄞石區(qū)間盾構(gòu)隧道側(cè)壁距離5 號(hào)線石碶站主體基坑西端頭井最近距離16.04m；其中，5 號(hào)線盾構(gòu)隧道上穿2 號(hào)線鄞石區(qū)間，鄞石區(qū)間拱頂標(biāo)高-14.529m，5 號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間拱底標(biāo)高-13.408m（以地面標(biāo)高3.5m 計(jì)）。

2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

2.1 車站、隧道水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

車站、隧道水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在車站側(cè)墻或隧道兩側(cè)管片上，監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用反光棱鏡，測(cè)點(diǎn)埋設(shè)前應(yīng)先確定埋設(shè)的位置，由于目前車站側(cè)墻和隧道管片上管線及電箱較多，因此測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)位置需保證與監(jiān)測(cè)儀器之間的通視。在選定測(cè)點(diǎn)位置后，用鉆機(jī)在墻上鉆孔，打入膨脹螺絲并將反光棱鏡緊固安裝。棱鏡安裝應(yīng)盡量緊貼側(cè)墻，以免遭到破壞。本項(xiàng)目共布設(shè)46 個(gè)水平位移點(diǎn)。

2.2 車站附屬結(jié)構(gòu)（出入口、風(fēng)井等）沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

目前車站附屬結(jié)構(gòu)均已裝修完成并開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，墻體裝修為干掛金屬板材，故監(jiān)測(cè)點(diǎn)無(wú)法直接布設(shè)在主體上。根據(jù)以往類似項(xiàng)目監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)直接布設(shè)在干掛材料上，采用螺帽直接用AB 膠粘在干掛材料上，本項(xiàng)目共布設(shè)8 個(gè)附屬結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.3 車站主體與隧道結(jié)構(gòu)的差異沉降監(jiān)測(cè)

當(dāng)軌道交通控制保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)范圍同時(shí)包含隧道及車站結(jié)構(gòu)時(shí)，需布設(shè)站隧差異沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在車站與隧道接縫兩側(cè)的車站底板結(jié)構(gòu)和隧道管片結(jié)構(gòu)上分別布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)兩者的差異沉降情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本項(xiàng)目共布設(shè)4 個(gè)站隧結(jié)構(gòu)差異沉降點(diǎn)。

2.4 道床沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

道床沉降監(jiān)測(cè)采用人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)合的方式，其中，人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)在軌枕上，與運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)共用監(jiān)測(cè)點(diǎn)；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于道床結(jié)構(gòu)一側(cè)，與人工道床沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)在同一斷面，采用萊卡小棱鏡。同時(shí)，在受保護(hù)區(qū)基坑影響范圍外設(shè)置4 個(gè)道床沉降點(diǎn)，位于保護(hù)區(qū)兩端外約40 米位置處，亦與運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)共用監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.5 隧道收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

隧道收斂監(jiān)測(cè)分為水平收斂和豎向收斂?jī)蓚€(gè)方向的收斂變形監(jiān)測(cè)，本項(xiàng)目?jī)?nèi)徑收斂監(jiān)測(cè)擬采用電子激光測(cè)距儀。

隧道收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)按5 環(huán)（每6m）間距布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面布設(shè)兩條測(cè)線（0°—180°、90°—270°）（如遇遮擋可根據(jù)隧道內(nèi)限界軌旁系統(tǒng)布置情況適當(dāng)調(diào)整）。180°位置使用道床沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)做為測(cè)距儀的對(duì)中點(diǎn)，0°位置在環(huán)片頂部設(shè)置十字標(biāo)記做為瞄準(zhǔn)標(biāo)志；90°和270°位置分別布設(shè)直徑為6mm 不銹鋼螺絲釘，然后用油漆畫上明顯的十字標(biāo)記，一端做為測(cè)距儀的對(duì)中點(diǎn)，另一端為瞄準(zhǔn)標(biāo)志。

2.6 結(jié)構(gòu)裂縫及滲、漏水觀測(cè)

基坑施工前會(huì)同軌道交通運(yùn)營(yíng)分公司及石碶站項(xiàng)目參建單位共同對(duì)石鄞區(qū)間的已有裂縫及滲漏水點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查，對(duì)各處裂縫擊滲漏水點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)并登記入冊(cè)，同時(shí)用裂縫觀測(cè)儀采取初始值，初始調(diào)查完成后形成的文件由各責(zé)任單位簽字確認(rèn)。在基坑施工過(guò)程中，對(duì)車站及隧道新增裂縫擊滲漏水點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)并編號(hào)及登記入冊(cè)。

2.7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的修復(fù)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的銜接

在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到監(jiān)測(cè)點(diǎn)損壞的情況，因此，在每次巡檢過(guò)程中應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)是否受損進(jìn)行巡查。若發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)損壞，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修復(fù)或在其附近埋設(shè)新的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在原數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行累加。

3 監(jiān)測(cè)方法

3.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)為三維坐標(biāo)監(jiān)測(cè)，同時(shí)監(jiān)測(cè)水平位移及豎向位移。采用拓普康MS05AXII 全站儀，測(cè)角標(biāo)稱精度為0.5″，測(cè)距標(biāo)稱精度為0.8mm+1ppm。

3.2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)頻率

全站儀全天24 小時(shí)連續(xù)測(cè)量，平均4 小時(shí)為一個(gè)監(jiān)測(cè)周期，每個(gè)監(jiān)測(cè)周期進(jìn)行2 測(cè)回觀測(cè)，每天進(jìn)行6 次測(cè)量。其中白天和夜間各監(jiān)測(cè)3 次，考慮到白天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能會(huì)受列車運(yùn)營(yíng)的影響，故以夜間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)白天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，分析基坑白天開(kāi)挖期間對(duì)車站的影響。當(dāng)?shù)罔F結(jié)構(gòu)突然發(fā)生較大量的變形和不均勻變形，提醒監(jiān)測(cè)人員，加密自動(dòng)化監(jiān)測(cè)周期，并及時(shí)上報(bào)相關(guān)單位，防止地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形損壞，影響地鐵安全。

3.3 水平位移監(jiān)測(cè)（人工復(fù)核）

水平位移監(jiān)測(cè)采用拓普康MS05AX II 全站儀，測(cè)角標(biāo)稱精度為0.5″，測(cè)距標(biāo)稱精度為0.8mm+1ppm，使用極坐標(biāo)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.4 沉降監(jiān)測(cè)

沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)以埋設(shè)于站臺(tái)內(nèi)檢測(cè)合格后的工作基點(diǎn)作為起測(cè)點(diǎn)，采用幾何水準(zhǔn)方法，按照附合水準(zhǔn)方法和中視水準(zhǔn)測(cè)量方法相結(jié)合進(jìn)行施測(cè)，沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般作為中視點(diǎn)（轉(zhuǎn)站點(diǎn)），除站臺(tái)兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)外，其余沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)可作為附合水準(zhǔn)線路的轉(zhuǎn)點(diǎn)，左右線路的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程可同時(shí)施測(cè)。

在各線路的上下行線各布設(shè)一條水準(zhǔn)閉合路線，以各線路水準(zhǔn)點(diǎn)為依據(jù)直接進(jìn)行各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水準(zhǔn)測(cè)量。單點(diǎn)相鄰兩次的高程變化為本次垂直變化量，與初測(cè)高程的變化為累計(jì)垂直變化量。

4 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為保證地鐵隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)工作的正常開(kāi)展，保證監(jiān)測(cè)成果的及時(shí)性、有效性，軌道交通自動(dòng)化監(jiān)測(cè)需建立RocMoS 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

4.1 RocMoS自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)

（1）單窗口多項(xiàng)目，多設(shè)備管理，兼容主流機(jī)器人，可接入多種傳感器；

（2）單測(cè)站、多測(cè)站、多設(shè)備組網(wǎng)監(jiān)測(cè)，復(fù)雜區(qū)域監(jiān)測(cè)也可以輕松實(shí)現(xiàn)；

（3）集成監(jiān)測(cè)網(wǎng)精度分析功能，提高組網(wǎng)精度的利器；

（4）自適應(yīng)擬穩(wěn)技術(shù)，多種網(wǎng)平差和模型自動(dòng)選擇，確保亞毫米級(jí)測(cè)量精度；

（5）單純網(wǎng)絡(luò)通信，有效解決串口與網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換帶來(lái)的系統(tǒng)故障；

（6）網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)器故障數(shù)據(jù)采集和同步，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)冗余，用不丟失；

（7）集成遠(yuǎn)程電源管理系統(tǒng)，對(duì)異常設(shè)備冷啟動(dòng)，可解決設(shè)備導(dǎo)致的系統(tǒng)故障；

（8）多種、多級(jí)報(bào)警設(shè)置，支持短信、郵件、電話語(yǔ)音、微信、聲光報(bào)警。

4.2 RocBox遠(yuǎn)程智能測(cè)控終端

RocBox 集成了設(shè)備供電，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通訊、現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警燈多個(gè)功能于一體?？蔀轫?xiàng)目節(jié)約大量的人力和物流成本，帶來(lái)更多的項(xiàng)目收益。

4.2.1 通訊和供電

（1）遠(yuǎn)程通訊：全網(wǎng)通（支持聯(lián)通、移動(dòng)、電信），WLAN 光纖和有限局域網(wǎng)；

（2）本地通訊：機(jī)載4 個(gè)本地通訊接口，每個(gè)接口包含RS232RS485 通訊功能；

（3）供電：本地通訊接口集成供電功能，并且包含遠(yuǎn)程電源開(kāi)關(guān)。

4.2.2 支持接入的設(shè)備

測(cè)量機(jī)器人，GNSS 接收機(jī)，測(cè)距傳感器，傾斜傳感器，氣象傳感器，靜力水準(zhǔn)，巖土傳感器，聲光報(bào)警燈。

4.2.3 數(shù)據(jù)采集、校驗(yàn)、存儲(chǔ)和傳輸

RocBox 基于嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，機(jī)載SD 卡插槽，最大32G 的SD 卡，內(nèi)置符合國(guó)家和行業(yè)規(guī)范的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集程序，可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校驗(yàn)，校驗(yàn)合格的數(shù)據(jù)都存在SD 卡上，并實(shí)時(shí)上傳至RocMOS 服務(wù)器，在服務(wù)器斷面，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或者監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)故障的情況下，RocBox 可以脫機(jī)控制設(shè)備數(shù)據(jù)采集，并把數(shù)據(jù)保存在SD 卡上，在服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，自動(dòng)把數(shù)據(jù)同步到服務(wù)器，保障了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整性。

5 數(shù)據(jù)處理及變形分析

5.1 數(shù)據(jù)處理

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)軟件計(jì)算出本次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。比較初值和上次的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出累計(jì)值和本次變化量，對(duì)超過(guò)報(bào)警值的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。匯總監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合施工狀況、巡視情況等進(jìn)行分析；工程異常情況可以根據(jù)數(shù)據(jù)的曲線分布狀態(tài)反映出來(lái)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制的曲線包括：測(cè)斜曲線、單點(diǎn)時(shí)程曲線、縱向分組曲線、斷面曲線、專業(yè)分析曲線（彎矩曲線，傾斜率曲線等）?？梢杂嗅槍?duì)性的根據(jù)數(shù)據(jù)曲線，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)工程安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。如通過(guò)對(duì)基坑變形曲線的分析，來(lái)判斷基坑的安全狀態(tài)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)曲線的形狀的辨識(shí)可以發(fā)現(xiàn)超挖、支撐不及時(shí)、支撐失穩(wěn)等一系列非正常工況。

5.2 變形分析

變形分析是監(jiān)測(cè)中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。大量的測(cè)量數(shù)據(jù)和資料如果不進(jìn)行整理、分析、解釋和反饋，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的監(jiān)控和災(zāi)害的預(yù)警，達(dá)不到“確保安全”這一最終目的。變形分析是在對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差探測(cè)與消除、數(shù)據(jù)格式化等數(shù)據(jù)處理后，提取監(jiān)測(cè)對(duì)象在變形過(guò)程中的變形量、變形幅度、變形速度、變形加速度等信息。結(jié)合監(jiān)測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，研究荷載和變形之間的關(guān)系，從而建立變形分析模型，確定變形規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的安全性、穩(wěn)定性的科學(xué)判斷，并對(duì)變形的發(fā)展做出預(yù)測(cè)。變形分析的工作主要是變形特征分析。變形特征分析包含了對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定性分析、測(cè)量數(shù)據(jù)誤差處理和精度評(píng)定、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)和評(píng)估等內(nèi)容。

6 監(jiān)測(cè)成分析

6.1 總體變形分析

石碶站車站于2020年7月8日封底、2020年9月18日封頂。

從人工抽測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出：在臨近基坑施工期間既有二號(hào)線石碶車站及隧道道床沉降呈下沉趨勢(shì)，最大變量為-3.5mm；結(jié)構(gòu)水平位移向基坑方向位移，最大位移量為-2.4mm(“-”表示向基坑方向位移)；隧道豎向收斂呈減小趨勢(shì)，最大累計(jì)量為-1.4mm，橫向收斂呈增大趨勢(shì)，最大累計(jì)變量為1.5mm，既有2 號(hào)線C 號(hào)出入口建筑物沉降呈下沉趨勢(shì)，最大變量為-3.5mm。

7 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

通常開(kāi)展人工全站儀收斂數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)工作有一定的時(shí)間限制，只能在凌晨地鐵未運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，不僅工作效率低，同時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)值也容易出現(xiàn)較大誤差。而針對(duì)同一量進(jìn)行同樣精度的觀察監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的激光測(cè)距儀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，只需要3 次就可以監(jiān)測(cè)出有效的測(cè)量數(shù)據(jù)，確保最終監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差值較小，不會(huì)超過(guò)規(guī)定的誤差數(shù)值范圍，高效率完成監(jiān)測(cè)工作。還有為確保數(shù)據(jù)實(shí)施時(shí)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化測(cè)距儀需要配置測(cè)量的頻率，連續(xù)不斷的完成監(jiān)測(cè)工作，不會(huì)因?yàn)榈罔F運(yùn)行發(fā)生間斷，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，發(fā)送完整的測(cè)量指令，并且監(jiān)測(cè)的最終數(shù)據(jù)以及變化曲線圖都是非常精準(zhǔn)的。相比之下自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比人工全站儀監(jiān)測(cè)工作效率和精準(zhǔn)度具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

8 結(jié)束語(yǔ)

目前隧道項(xiàng)目應(yīng)用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能高效率完成自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工作，該系統(tǒng)能將微擾動(dòng)對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)造成的影響及時(shí)反映出來(lái)，能高效率、精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)到變形數(shù)值。所以說(shuō)在地鐵施工項(xiàng)目中自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)有非常好的應(yīng)用前景。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于該系統(tǒng)具有高效率、高精準(zhǔn)以及網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)，施工期間相關(guān)管理單位和指導(dǎo)部門可以隨時(shí)通過(guò)聯(lián)網(wǎng)的電腦或者手機(jī)查看到隧道變形的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能及時(shí)采取有效措施控制施工工作，確保該地鐵結(jié)構(gòu)有較好的安全性。將人工監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更為高效精確，明顯提高了監(jiān)測(cè)工作效率和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，能完全代替人工監(jiān)測(cè)。