暗挖隧道下穿既有线路基沉降自动监测系统研究

2014-01-18银健民

铁路技术创新 2014年3期

■ 银健民

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东莞—惠州城际轨道交通工程暗挖隧道下穿广深铁路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ线施工时，路基沉降采用自动监测系统监测。从监测项目、沉降监测点布设、监测设备、沉降监测精度与技术要求、监测频率与监测控制值及警戒值方面论述沉降监测；从自动监测系统组成、自动监测信息系统、精密光电测距三角高程测量原理和精密光电测距三角高程测量精度方面分析自动监测技术；从沉降曲线和沉降数据统计分析自动监测结果；提出采用基于自动全站仪的自动监测系统监测暗挖隧道下穿既有线路基沉降可行等结论。

暗挖隧道；既有线；路基沉降；自动监测系统

1 概况

东莞—惠州城际轨道交通工程常平—常平东站区间暗挖隧道下穿广深铁路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ线情况见表1。暗挖隧道区段上覆第四系全新统人工堆填层、第四系全新统冲积层）、第四系残积层，下伏基岩为前震旦系混合片麻岩。隧道采用矿山法施工，采用马蹄形断面；衬砌结构采用复合式衬砌，初期支护和二次衬砌之间施作全包防水层，二次衬砌采用防水混凝土浇筑。隧道为两条双洞单线隧道。

根据设计要求，隧道暗挖施工进入影响作用分界里程范围至隧道二次衬砌施工完成一个月后，需对广深铁路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ线进行监控量测，连续监测施工影响范围的路基沉降、接触网立柱和信号机等附属设施基础的沉降，以及轨道几何状态变化情况，为信息化施工提供可靠数据，确保施工期间广深铁路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ线的行车安全和施工安全。

表1 暗挖隧道下穿广深铁路情况

广深铁路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ线为客运专线，线路等级高，动车组列车行车密度大，采用通常人工水准测量对路基沉降进行监测，其受行车影响大，效率低，难以每天多次连续监测，且在路基上进行监测作业，对行车安全和监测人员安全造成隐患。因此，采用全站仪自动监测系统（光电测距三角高程测量）进行监测。在此分析基于全站仪的自动监测系统构成、自动监测技术方法、自动监测信息传输与控制技术方法，以及现场实际应用情况。

2 沉降监测

（1）监测项目。随着隧道开挖施工，其上方及侧向土压力发生改变。为保证广深铁路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ线运输安全，设计单位在设计图上标定了下穿Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ线地段的影响作用分界里程，其监测项目为既有铁路路基沉降、接触网立柱和信号机等附属设施基础沉降。

（2）沉降监测点布设。根据设计要求，隧道下穿地段影响作用范围的既有铁路路基沉降监测点设置在路基两侧路肩，按每10 m间距布设1个，每个接触网立柱基础布设1个，每个信号机基础布设1个。路基沉降布设25个监测点，接触网立柱基础和信号机基础沉降各布设4个监测点。

（3）监测设备。采用带精密光电测距三角高程测量的自动监测系统。

（4）沉降监测精度和技术要求。对变形测量精度等级按三等要求（见表2）；对带精密光电测距三角高程测量的自动监测系统技术要求见表3。

（5）监测频率。根据设计要求，隧道下穿施工对既有铁路路基沉降监测频率不得低于常规项目监测频率的2～3倍。沉降监测频率根据路基边坡坡脚距开挖面的水平距离确定（见表4）。

（6）监测控制值与警戒值。根据设计要求，隧道下穿施工对广深铁路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ线的沉降监测控制建议值与警戒值见表5。

3 自动监测技术

3.1自动监测系统组成

自动监测系统由监测、基准、测站和控制中心组成。

（1）监测部分。由安装有L形小棱镜的沉降监测点组成，直接反映监测点的沉降情况。路基沉降监测是在路肩两侧监测点位置埋设混凝土方墩，混凝土方墩中植入螺栓，通过圆钢支架安装小棱镜；接触网立柱基础和信号机基础可直接通过圆钢支架安装小棱镜。小棱镜安装高度根据现场实际观测条件和通视力情况确定。

（2）基准部分。检核测站的稳定性，并对测站位置变化作出修正。根据有关规范和现场实际情况，设定3个基准点，安装了3个L形小棱镜。基准点设在隧道下穿施工影响作用范围以外、便于长期保存的稳定位置。

表2 变形测量精度

表3 自动监测系统技术要求

表4 沉降监测频率

表5 沉降监测控制建议值与警戒值 mm

（3）测站部分。是整个系统的数据采集终端，由全自动全站仪、数据通信设备、供电设备及其他附件组成。根据工程现场条件，在隧道施工影响作用范围以外的广深铁路Ⅳ线（里程DK92+171）路基旁涵洞顶板上面通视条件较好的位置布设1个测站，测站采用钢管混泥土强制对中墩。测站部分安装了仪器支座，在仪器支座的钢管混泥土强制对中墩中植入螺栓，用于安装全站仪。仪器支座可用于架设数据通信设备和其他辅助设备，同时配备防护设施，保证仪器安全。测站部分还安装了由太阳能（500 W）和UPS蓄电池组成的供电电源，可向设备24 h供电，以及安装了防雷避雷装置。

（4）控制中心。是数据收发的控制终端，由微机、通信设备、GEOMOS软件等组成。通过通信及互联网授权，以无线发送方式派发指令，控制仪器数据采集和接收，并对数据进行计算和分析。

3.2自动监测信息系统

为保证监测成果的及时性、有效性，自动监测及信息管理系统采用GEOMOS自动监测系统，其流程见图1。

GEOMOS自动监测系统是基于精密全自动全站仪开发的适合各种不同需求的现代高科技实时监测系统。

（1）硬件环境。GEOMOS自动监测系统硬件包括全站仪、计算机及其他一些附件，采用的是精度高、稳定性好的全自动马达驱动全站仪。工程采用的徕卡TS15a型全站仪测角精度达到1"，测距精度达到1 mm+2 ppm。

（2）软件环境。GEOMOS软件主要分为监测和分析两部分。监测部分是数据采集和计算的中央控制单元，用于仪器控制、多种限差实时检核及报警、实时图形化显示系统状态和数据等。分析部分主要是对观测数据进行处理和分析，可进行在线和离线数据分析、图形化与数字化时间序列分析，生成监测站点图和进行数据粗差探测及剔除等。GEOMOS自动监测系统能够加入气象传感器，对测量时大气环境等造成的影响进行改正。GEOMOS软件通过控制全站仪实现监测数据采集，并通过优化算法输出各监测点的高程。

3.3精密光电测距三角高程测量原理

光电测距三角高程测量见图2。在O点安置仪器进行观测，观测到O到A点的水平距离OB点和水平面的夹角，待A点有高差变化后，再观测到OA'点和水平面的夹角。

图1 自动监测信息系统流程示意

3.4精密光电测距三角高程测量精度分析

在光电测距三角高程测量中，采用视距≤300 m、俯视角≤15 °和四侧回，按照误差传播定律计算高程中误差。采用测距精度1 mm+2 ppm、测角精度 1″的全站仪，并采用四测回，计算得到的高程中误差满足高程精度小于1 mm的要求。

4 自动监测结果分析

广深铁路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ线路基沉降监测于2012年10月10日—2013年7月21日。按表4的沉降监测频率进行监测，累计监测994次。

4.1沉降曲线分析

根据每周星期五的监测周报数据统计绘制的路基沉降曲线见图3，接触网立柱基础沉降曲线见图4，信号机基础沉降曲线见图5，并对图3—图5进行分析。

（1）路基、接触网立柱基础及信号机基础沉降曲线呈缓慢平稳发展，没有出现陡降现象；各监测点沉降曲线呈平缓规则排列，说明暗挖隧道下穿施工期间围岩稳定，路基、接触网立柱基础及信号机基础没有出现异常沉降。

（2）沉降曲线均在沉降坐标10 mm以内，说明暗挖隧道下穿施工期间路基、接触网立柱基础及信号机基础沉降没有达到警戒值15 mm。

（3）所有沉降曲线的尾部基本达到水平线，说明隧道二次衬砌施工完成一个月后，路基、接触网立柱基础及信号机基础沉降已经稳定，可以停止监测。

图3 路基沉降曲线

图4 接触网立柱基础沉降曲线

图5 信号机基础沉降曲线

4.2沉降数据统计分析

根据每月最后一天的监测月报数据统计，对2012年10月—2013年7月的监测月报进行分析。监测期间，路基月沉降值在-0．4～2．3 mm，单月最大沉降值为2012年12月的2．3 mm；信号机基础月沉降值在-0．5～1．3 mm，单月最大沉降值为2013年1月的1．3 mm；接触网立柱基础月沉降值在-0．4～2．1 mm，单月最大沉降值为2012年12月的2．1 mm，路基、接触网立柱基础及信号机基础的单月沉降值较小，没有达到警戒值15 mm。监测结束时的路基累计沉降最大值为6．1 mm，信号机基础累计沉降最大值为2．7 mm，接触网立柱基础累计沉降最大值为5．3 mm，路基、接触网立柱基础及信号机基础的累计沉降值没有达到警戒值15 mm。