運(yùn)行中的地鐵隧道變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
摘 要 文章結(jié)合廣州市“倉(cāng)邊復(fù)建綜合樓項(xiàng)目”工程施工監(jiān)測(cè)方案，對(duì)受緊鄰基坑施工擾動(dòng)影響的運(yùn)行中地鐵隧道變形的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了分析，采用TCA2003全站儀的全自動(dòng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以24 h無(wú)人值守、連續(xù)監(jiān)測(cè)運(yùn)行中的地鐵隧道變形，且每次監(jiān)測(cè)可在地鐵運(yùn)行間隔內(nèi)迅速完成。監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)提供給施工方，以指導(dǎo)當(dāng)前及下一步的施工，在工程應(yīng)用中取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞 地鐵隧道 連續(xù)運(yùn)行 基坑開挖 變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
1 概述
在我國(guó)已有地鐵的城市中，地鐵沿線（非常靠近地鐵隧道）的深基坑越來(lái)越多，如何在基坑開挖中保護(hù)正在運(yùn)行中的地鐵隧道，是一個(gè)十分現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。采用信息化施工及監(jiān)測(cè)方法，可以有效地指導(dǎo)基坑施工過(guò)程，施工中采用的時(shí)空效應(yīng)法、逆作法、注漿法和基坑加固方法等均可達(dá)到保護(hù)鄰近隧道、控制變形的目的。而常規(guī)的地鐵變形監(jiān)測(cè)如連通管法、巴塞特法等，在運(yùn)行的地鐵隧道中進(jìn)行監(jiān)測(cè)相當(dāng)困難，主要是因?yàn)榈罔F運(yùn)行間隔很短，運(yùn)行期間絕對(duì)不允許測(cè)量人員進(jìn)入，為此，須有一種簡(jiǎn)便的、無(wú)人值守、自動(dòng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，可在很短的時(shí)間間隔內(nèi)，迅速完成隧道的變形監(jiān)測(cè)，并為鄰近基坑的施工提交監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
廣州市 “倉(cāng)邊復(fù)建綜合樓項(xiàng)目”與廣州地鐵1號(hào)線平行，西側(cè)基坑距區(qū)間隧道（公園前站～農(nóng)講所站）北線最近處約4 m，東側(cè)基坑距北線隧道最近處約8 m，基坑開挖深度約為10.5 m，采用地下連續(xù)墻圍護(hù)，兼做承重結(jié)構(gòu)。基坑開挖將對(duì)地鐵1號(hào)線構(gòu)成威脅，為保證地鐵的安全運(yùn)行，必須在基坑開挖過(guò)程中對(duì)運(yùn)行中的隧道變形進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)。
2 自動(dòng)化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
2.1 監(jiān)測(cè)要求
由于地鐵隧道在一天中的三分之二以上的時(shí)間是處于全封閉的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，絕對(duì)不允許監(jiān)測(cè)人員進(jìn)入隧道內(nèi)工作，所以要求必須在隧道內(nèi)設(shè)置自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)代替人工操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道水平、垂直位移的連續(xù)、精確監(jiān)測(cè)。考慮到地鐵運(yùn)行的間隔很短，所采用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能在3～5 min內(nèi)完成隧道（受影響的區(qū)間段）的變形監(jiān)測(cè)，以掌握基坑開挖施工引起地鐵1號(hào)線隧道變形規(guī)律及特性。
2.2 監(jiān)測(cè)范圍
地鐵1號(hào)線下行線“農(nóng)講所站～公園前站”區(qū)間隧道沿基坑的60 m及兩端各向外延伸45 m（約150 m）的范圍。監(jiān)測(cè)內(nèi)容為隧道的水平和垂直位移。
2.3 自動(dòng)化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成
一個(gè)完整的自動(dòng)化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是指在無(wú)需操作人員干預(yù)的條件下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)、記錄、處理、存儲(chǔ)、報(bào)表編制、預(yù)警預(yù)報(bào)等功能，它由一系列的軟件和硬件構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)配置包括：TCA自動(dòng)化全站儀、棱鏡、通訊電纜及供電電纜、計(jì)算機(jī)與專用軟件。
2.3.1 TCA自動(dòng)化全站儀
TCA自動(dòng)化全站儀能夠自動(dòng)整平、自動(dòng)調(diào)焦、自動(dòng)正倒鏡觀測(cè)、自動(dòng)進(jìn)行誤差改正、自動(dòng)記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)，其獨(dú)有的ATR（Automatic Target Recognition，自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別）模式，使全站儀能進(jìn)行自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別，操作人員一旦粗略瞄準(zhǔn)棱鏡后，全站儀就可搜尋到目標(biāo)，并自動(dòng)瞄準(zhǔn)，不再需要精確瞄準(zhǔn)和調(diào)焦，大大提高工作效率。
TCA2003是Leica TCA自動(dòng)化全站儀中的一種（見圖1），該儀器測(cè)角精度為0.5〞，測(cè)距精度為1 mm±1 ppm。可通過(guò)專用的控制軟件來(lái)控制觀測(cè)目標(biāo)、設(shè)定觀測(cè)周期。
2.3.2 Leica標(biāo)準(zhǔn)精密測(cè)距棱鏡
棱鏡作為觀測(cè)標(biāo)志，利用膨脹螺絲固定在隧道內(nèi)側(cè)（見圖2），其數(shù)目可按實(shí)際需要設(shè)定，該標(biāo)志能被TCA2003全站儀自動(dòng)跟蹤鎖定，以實(shí)施精密測(cè)角和測(cè)距。
2.3.3 計(jì)算機(jī)
計(jì)算機(jī)利用電纜和全站儀連接，并裝有專用軟件以實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程的全自動(dòng)化，既能控制全站儀按特定測(cè)量程序采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并將測(cè)量成果實(shí)時(shí)進(jìn)行處理，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，杜絕返工，也可以對(duì)各個(gè)觀測(cè)周期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并生成監(jiān)測(cè)報(bào)告。
2.3.4 其它設(shè)備
其它設(shè)備包括溫度計(jì)﹑氣壓計(jì)﹑濕度計(jì)、連接電纜、外接電源等；溫度計(jì)﹑氣壓計(jì)﹑濕度計(jì)用于測(cè)定空氣的溫度、壓力和濕度，將測(cè)定結(jié)果輸入到計(jì)算機(jī)中，對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正，以提高觀測(cè)精度。
2.3.5 實(shí)時(shí)控制軟件
GeoMos Monitor是專門用于監(jiān)測(cè)的、與TCA2003全站儀配套的變形測(cè)量軟件，其在Windows環(huán)境下運(yùn)行，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中，它既可按操作者設(shè)定的測(cè)量過(guò)程和選定的基準(zhǔn)點(diǎn)、觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量處理，也可快速建立三維坐標(biāo)、位移量以及其它相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速存儲(chǔ)、檢索、編輯，可實(shí)時(shí)顯示量測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理或后處理，能實(shí)時(shí)顯示圖形或事后顯示。
2.3.6 后處理軟件
采用自己編制的軟件，利用和GeoMos的軟件接口，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，按施工方要求的格式將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)圖表的形式直觀地表達(dá)出來(lái)，繪制出監(jiān)測(cè)報(bào)表和位移曲線，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、報(bào)警以及報(bào)表生成的功能，可以根據(jù)用戶的要求提供報(bào)表的形式。
3 施工監(jiān)測(cè)
3.1 測(cè)點(diǎn)布設(shè)
測(cè)點(diǎn)分為測(cè)站點(diǎn)、基準(zhǔn)點(diǎn)以及觀測(cè)點(diǎn)3類，測(cè)點(diǎn)布設(shè)在區(qū)間隧道K9+920~K10+070約150 m的范圍之內(nèi)。基準(zhǔn)點(diǎn)用來(lái)檢驗(yàn)測(cè)站是否產(chǎn)生位移，位于基坑影響區(qū)域外的東、西2點(diǎn)；觀測(cè)點(diǎn)沿隧道每隔約10 m布設(shè)1個(gè)，如圖3所示。
觀測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)都采用棱鏡作為觀測(cè)標(biāo)志（可實(shí)現(xiàn)在水平方向上和垂直方向上的旋轉(zhuǎn)），固定在支座上，支座采用膨脹螺絲固定在隧道管片上，安裝高度低于2 m（以確保安裝時(shí)不需要停電作業(yè)，并不對(duì)行車造成影響）。儀器設(shè)置在施工影響區(qū)域的中央（隧道的南側(cè)），固定在觀測(cè)臺(tái)上（避免對(duì)中誤差），并在旁邊放置穩(wěn)壓電源。
為了更好地掌握地鐵運(yùn)行狀況和控制隧道受基坑施工的影響，在不同位置設(shè)置典型觀測(cè)斷面（斷面具體數(shù)目結(jié)合基坑開挖深度及影響范圍設(shè)定）。坐標(biāo)系設(shè)置為自定義坐標(biāo)系。
3.2 觀測(cè)方法
通過(guò)控制軟件，在每個(gè)觀測(cè)周期開始前，利用東、西2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，4測(cè)回推算出測(cè)站點(diǎn)的坐標(biāo)，然后，四測(cè)回對(duì)所有的點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，得到觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。基坑開挖深度較淺時(shí)，可以減少觀測(cè)頻率。隨著基坑開挖深度的不斷增加，24 h實(shí)時(shí)觀測(cè)，并加大重點(diǎn)部位的觀測(cè)頻率。
3.3 測(cè)量數(shù)據(jù)
表1為不同測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)報(bào)表，圖4是D12點(diǎn)的累計(jì)位移—時(shí)間的曲線圖。
3.4 測(cè)量誤差分析
3.4.1 誤差來(lái)源
測(cè)量的誤差來(lái)源于儀器的系統(tǒng)誤差、測(cè)站和目標(biāo)的對(duì)中誤差、外界環(huán)境的影響、測(cè)量?jī)x器的影響。
⑴ 儀器的系統(tǒng)誤差主要是由儀器本身構(gòu)造引起的，為保證精度，需在測(cè)量前對(duì)儀器進(jìn)行檢校，儀器即使在檢校后還有殘余的系統(tǒng)誤差。但由于監(jiān)測(cè)需要得到的是2次測(cè)量之間的位移值，因此系統(tǒng)誤差可以基本消除。
⑵ 由于測(cè)站點(diǎn)、觀測(cè)點(diǎn)均采用強(qiáng)制對(duì)中措施，而且標(biāo)志埋設(shè)后在整個(gè)觀測(cè)過(guò)程中不再重新安置，因此，測(cè)站、目標(biāo)的對(duì)中誤差可忽略不計(jì)。
⑶ 由于本次監(jiān)測(cè)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而地鐵隧道的濕度較大，對(duì)測(cè)距的精度會(huì)有影響，但地鐵隧道內(nèi)的溫度﹑氣壓﹑濕度均比較穩(wěn)定，因此，可不考慮這些外界環(huán)境因素對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響，可在觀測(cè)過(guò)程中利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正。而列車運(yùn)行帶來(lái)的震動(dòng)卻對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響較大，故應(yīng)盡量避免在這一時(shí)段進(jìn)行觀測(cè)。
⑷ 本次測(cè)量采用TCA2003全站儀觀測(cè)，其測(cè)角精度0.5″，測(cè)距精度1 mm±1 ppm，因此，其是影響測(cè)量的主要誤差源。
3.4.2 誤差分析
此次監(jiān)測(cè)主要的誤差來(lái)源是儀器的測(cè)角誤差和測(cè)距誤差，儀器的測(cè)角精度為0.5″，100 m的監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)由測(cè)角所引起的最大誤差為±0.12 mm；儀器的測(cè)距精度為1 mm±1 ppm，其中1 mm為固定誤差，±1 ppm為比例誤差(1 mm/km)，即100 m的距離由測(cè)距所引起的誤差為±0.1 mm，距離測(cè)量采用四測(cè)回觀測(cè)儀器引起的誤差為±0.5 mm；根據(jù)各點(diǎn)給定的初始坐標(biāo)估算，點(diǎn)位的平面精度約±0.5 mm，Z方向的精度與豎直角的大小有關(guān)，精度略低，但仍可以保證±1 mm的精度，能夠滿足施工及甲方對(duì)地鐵保護(hù)的要求。
4 結(jié)論
廣州市“倉(cāng)邊復(fù)建綜合樓項(xiàng)目”基坑開挖對(duì)地鐵1號(hào)線構(gòu)成威脅，施工中采用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行中的隧道變形進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果為基坑開挖施工提供了準(zhǔn)確、及時(shí)的指導(dǎo)數(shù)據(jù)，保證地鐵的安全運(yùn)行。這是一種簡(jiǎn)便、靈活、無(wú)人值守、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。工程應(yīng)用表明，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能滿足工程的要求，且監(jiān)測(cè)速度快、精度高、受人為影響少、自動(dòng)化程度高，可在地鐵運(yùn)行間隔內(nèi)迅速完成隧道的變形監(jiān)測(cè)。
* 周擁軍的工作單位為上海交通大學(xué)
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文章來(lái)源：隧道網(wǎng)
