運(yùn)營期地鐵隧道沉降觀測數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)與應(yīng)用

金新平，衛(wèi)建東

(1.華東勘測設(shè)計(jì)院(福建)有限公司，福建 福州 350003； 2.上海東鍇建設(shè)科技集團(tuán)有限公司，上海 200434)

1 引 言

地鐵區(qū)間隧道的沉降監(jiān)測是關(guān)系地鐵運(yùn)營安全的一項(xiàng)長期的、連續(xù)的、非常重要的工作。目前沉降監(jiān)測的主要手段是采用電子水準(zhǔn)儀，與光學(xué)水準(zhǔn)儀相比減少了人工讀數(shù)和記錄，提高了外業(yè)工作效率。然而內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，還需要輔助平差軟件、Excel辦公軟件等，由于地鐵隧道沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)量大，人為在不同軟件間復(fù)制、粘貼、導(dǎo)入和導(dǎo)出，還要編輯、制作圖表、編制監(jiān)測報(bào)告，不但效率低也容易出錯(cuò)。開發(fā)基于地鐵隧道沉降數(shù)據(jù)處理與分析的軟件，實(shí)現(xiàn)從電子水準(zhǔn)儀原始觀測文件導(dǎo)入、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、監(jiān)測網(wǎng)平差處理、各種報(bào)表、沉降曲線生成等功能于一體的自動化軟件，就顯得十分必要。

2 地鐵隧道沉降觀測方法簡介

地鐵隧道運(yùn)營期沉降監(jiān)測主要觀測道床的沉降，實(shí)現(xiàn)對隧道結(jié)構(gòu)底板沉降觀測的目的。由于地下車站結(jié)構(gòu)體較大，相對隧道要穩(wěn)定的多，地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形主要關(guān)心隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)相對兩端車站的垂直位移，通常在兩端車站內(nèi)布設(shè)若干個(gè)沉降工作基點(diǎn)組成監(jiān)測控制網(wǎng)。隧道沉降監(jiān)測點(diǎn)一般沿道床中線每間隔 30 m布設(shè)一個(gè)測點(diǎn)，在車站與隧道、聯(lián)絡(luò)通道處、不同結(jié)構(gòu)接縫處等特殊區(qū)段加密布設(shè)。監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)位置示意圖如圖1所示。

圖1 地鐵隧道沉降監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)示意圖

測量時(shí)將兩個(gè)車站的工作基點(diǎn)和兩個(gè)車站之間的監(jiān)測點(diǎn)作為一條附合水準(zhǔn)路線進(jìn)行觀測，或通過聯(lián)絡(luò)通道和左右線交叉處構(gòu)成閉合環(huán)測量。當(dāng)采用附合水準(zhǔn)線路時(shí)，附合差的大小一方面反映觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞，另一方面反映起算工作基點(diǎn)是否相對穩(wěn)定。當(dāng)附和線路出現(xiàn)附合差超限時(shí)，可能是測量誤差引起，也可能是車站上工作基點(diǎn)發(fā)生變動，此時(shí)分析相鄰的區(qū)間附合差是否超限，如果相鄰區(qū)間符合差也超限，但兩相鄰區(qū)間合起來線路不超限，說明中間車站上的工作基點(diǎn)發(fā)生了變動，這種分析方法稱為三站兩區(qū)間分析方法，結(jié)合同區(qū)間段左、右線附合差、車站內(nèi)相鄰工作基點(diǎn)間高差變化量等，綜合分析車站工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性是行之有效的[2]。

3 最小二乘平差統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型

地鐵隧道沉降監(jiān)測網(wǎng)通常采用最小二乘進(jìn)行平差[3]，由于考慮工作基點(diǎn)是否穩(wěn)定的因素，常會遇到經(jīng)典網(wǎng)平差、自由網(wǎng)平差或者擬穩(wěn)平差的選擇。為適應(yīng)不同平差基準(zhǔn)下平差計(jì)算，同時(shí)考慮軟件開發(fā)的方便，采用帶條件的參數(shù)平差統(tǒng)一模型，如(1)式所示：

(1)

比如，沉降監(jiān)測網(wǎng)中i點(diǎn)到j(luò)點(diǎn)的高差觀測值為hij，則誤差方程的形式為：

(2)

3.1 經(jīng)典基準(zhǔn)

如果高程監(jiān)測網(wǎng)采用經(jīng)典平差方法，式(1)中的基準(zhǔn)方程式中的一行對應(yīng)一個(gè)具體的已知條件。高程網(wǎng)的經(jīng)典平差基準(zhǔn)是指定某一點(diǎn)高程在平差前后不變，高程網(wǎng)中有幾個(gè)已知點(diǎn)，G陣就有幾列。

3.2 重心基準(zhǔn)

3.3 擬穩(wěn)基準(zhǔn)

3.4 帶基準(zhǔn)條件的參數(shù)平差解

4 軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)

運(yùn)營地鐵沉降觀測數(shù)據(jù)處理軟件以數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)管理和存儲的核心，圍繞數(shù)據(jù)庫管理各測量周期的數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)的錄入、處理、分析和輸出。沉降觀測數(shù)據(jù)庫采用比較常用的Microsoft Accesss數(shù)據(jù)庫，它是Microsoft Office套裝軟件之一，是一個(gè)開放式的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。沉降觀測數(shù)據(jù)庫由不同的表組成，主要包括周期信息表、原始觀測值表、高差觀測值表、高程平差值表、高程變化量表、高程基準(zhǔn)值表，這些表的內(nèi)容涵蓋了沉降觀測從原始數(shù)據(jù)到平差處理數(shù)據(jù)到變形數(shù)據(jù)的幾乎全部的信息。

4.1 軟件功能設(shè)計(jì)

軟件在功能設(shè)計(jì)上主要考慮以下方面，能夠讀取天寶DiNi03、徠卡DNA03等常用電子水準(zhǔn)儀原始觀測數(shù)據(jù)文件，將觀測數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，軟件自動進(jìn)行閉合線路的查詢和閉合差的計(jì)算、水準(zhǔn)網(wǎng)的平差計(jì)算、周期沉降量計(jì)算，自動生成基于Word或Excel的觀測手簿、平差報(bào)告、監(jiān)測報(bào)表等，另外做一些相關(guān)性分析、回歸分析等[4～6]。軟件總體功能結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 沉降觀測數(shù)據(jù)處理軟件功能結(jié)構(gòu)圖

4.2 軟件界面設(shè)計(jì)與開發(fā)

地鐵隧道沉降觀測數(shù)據(jù)處理軟件HAnalysis 1.0在Microsoft.NET環(huán)境下開發(fā)，采用.net C#語言編寫，數(shù)據(jù)庫操作采用ADO.net技術(shù)。軟件采用可視化的窗體界面，方便人機(jī)交互，含可查看各類數(shù)據(jù)的表格界面和可查看變形曲線的圖形界面。軟件設(shè)置了以下功能模塊：工程管理模塊主要包含工程文件的建立、打開、另存等。

編輯設(shè)置模塊主要包含工程概況編輯、周期信息編輯、工作基點(diǎn)高程數(shù)據(jù)輸入、原始觀測數(shù)據(jù)輸入、補(bǔ)測數(shù)據(jù)錄入、點(diǎn)名的修改。其中周期信息編輯需要輸入該周期測量設(shè)備、人員、平差模式等信息，如圖3所示；輸入觀測數(shù)據(jù)，可以兼容DINI03、DNA03等數(shù)字水準(zhǔn)儀的觀測數(shù)據(jù)格式，如圖4所示。

圖3 HAnalysis 1.0周期信息設(shè)置對話框窗口

圖4 DINI03原始觀測數(shù)據(jù)文件讀入對話框窗口

平差計(jì)算模塊包含測段合并、閉合差計(jì)算、高程網(wǎng)平差。其中測段合并，可以將一個(gè)測段中間過渡點(diǎn)去掉，提取該測段累計(jì)高差、累計(jì)線路長度、累計(jì)測站數(shù)等信息。高程網(wǎng)平差可以選擇使用經(jīng)典平差或擬穩(wěn)平差[7]。圖5為附和或閉合水準(zhǔn)線路閉合差統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，能統(tǒng)計(jì)處水準(zhǔn)網(wǎng)中所有閉合環(huán)或附和水準(zhǔn)線路的閉合差；圖6為平差窗口，根據(jù)周期設(shè)置的平差方式選擇經(jīng)典平差或擬穩(wěn)平差，根據(jù)定權(quán)方式選擇線路長或測站數(shù)定權(quán)。

圖5 水準(zhǔn)線路閉合差檢查計(jì)算對話框窗口

圖6 平差計(jì)算對話框窗口

變形分析模塊包括首期兩次測量分析處理、測段高差周期間對比分析、沉降量計(jì)算、沉降曲線顯示、變形預(yù)報(bào)等。首期兩次測量分析處理是對首期獨(dú)立的兩次測量結(jié)果進(jìn)行對比，當(dāng)滿足限差要求時(shí)，取兩次平均作為首期測量結(jié)果。測段高差周期間對比分析，是考慮當(dāng)測量結(jié)果出現(xiàn)異常時(shí)，分析具體異常位置，能針對性查找問題所在，如圖7所示。變形預(yù)報(bào)包含線性回歸和灰色系統(tǒng)(1，1)兩種分析方法，可以進(jìn)行多點(diǎn)的批量分析預(yù)報(bào)，如圖8所示。

圖7 測段高差對比對話框窗口

圖8 變形趨勢分析對話框窗口

成果輸出模塊包括觀測手簿輸出、平差報(bào)告生成、單期監(jiān)測報(bào)告創(chuàng)建、多期監(jiān)測報(bào)告創(chuàng)建。其中多期監(jiān)測報(bào)告可以用于周報(bào)、月報(bào)、匯總報(bào)告的生成。

5 實(shí)際工程應(yīng)用

某運(yùn)營地鐵隧道沉降監(jiān)測項(xiàng)目采用天寶DiNi03按規(guī)范[1]中規(guī)定的變形監(jiān)測二等要求的指標(biāo)執(zhí)行。主要沉降監(jiān)測點(diǎn)間距為 30 m，因此主線路視距約為 15 m，按后前前后測量順序進(jìn)行觀測。加密沉降點(diǎn)采用間視的方法測量。測量在地鐵夜間停運(yùn)期間進(jìn)行，工作時(shí)間約3個(gè)小時(shí)，一個(gè)水準(zhǔn)作業(yè)組可完成作業(yè)約 3 km，大約100個(gè)～120個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)。利用天寶DiNi03數(shù)據(jù)傳輸軟件，將觀測的dat文件從儀器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。打開運(yùn)營地鐵隧道沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件，導(dǎo)入DiNi03傳出的dat文件，進(jìn)行閉合線路的查詢和閉合差的計(jì)算，網(wǎng)的平差計(jì)算和變形量計(jì)算、監(jiān)測報(bào)表生成等操作，在數(shù)據(jù)正常情況下，通常幾分鐘就可以完成一系列數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)工作。

在軟件主界面可以查看各類數(shù)據(jù)表，也可以查看沉降曲線圖，曲線可按點(diǎn)展開表達(dá)各測量周期隧道整體沉降情況，也可以按周期展開表達(dá)各點(diǎn)隨時(shí)間的變化趨勢。軟件輸出基于Word的原始觀測手簿和監(jiān)測網(wǎng)平差報(bào)告，輸出基于Excel的監(jiān)測報(bào)表和曲線圖等，以方便提供紙質(zhì)的書面報(bào)告。對變形趨勢可以做簡單的預(yù)報(bào)分析，比如線性回歸分析、灰色系統(tǒng)(1，1)分析。

6 結(jié) 語

HAnalysis 1.0沉降觀測數(shù)據(jù)處理軟件是基于運(yùn)營地鐵隧道沉降觀測的技術(shù)特點(diǎn)和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理需要，從讀取數(shù)字水準(zhǔn)儀原始數(shù)據(jù)文件，到閉合差計(jì)算、平差計(jì)算、變形量計(jì)算及變形分析預(yù)報(bào)、成果報(bào)表輸出等一系列內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程出發(fā)，兼顧其他功能需求開發(fā)的針對性很強(qiáng)的軟件。非常適用于地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測的內(nèi)業(yè)處理，實(shí)際工程應(yīng)用表明，軟件操作方便，數(shù)據(jù)處理分析的準(zhǔn)確可靠，極大減輕了沉降觀測數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理工作量[8]。同時(shí)軟件所具有的基本功能模塊，也可以用于大壩沉降監(jiān)測、基坑沉降監(jiān)測等沉降監(jiān)測工程的數(shù)據(jù)處理和分析。