GEOMOS自动监测系统在城际铁路隧道下穿既有广深铁路施工中的应用

王晓磊

(中铁三局集团广东建设工程有限公司，广州　510630)



GEOMOS自动监测系统在城际铁路隧道下穿既有广深铁路施工中的应用

王晓磊

(中铁三局集团广东建设工程有限公司，广州510630)

摘要：主要研究城际铁路大断面隧道下穿既有广深铁路枢纽区域的施工过程中，如何快捷高效、无人值守的获得既有铁路设施的实时变形或位移数据，达到自动监测系统指导现场施工的目的。运用GEOMOS自动监测系统，并结合各个施工工况的前后数据进行对比分析，有效地指导开挖施工，确保既有高速铁路运营安全及城际铁路隧道开挖安全。

关键词：GEOMOS自动监测系统；城际铁路；广深铁路；下穿施工

随着我国城际轨道交通建设的快速发展，下穿既有铁路线的施工越来越多，为确保施工及既有铁路的运营安全，快速、有效地获得相关的变形或位移等监测数据进而依据相关数据，分析结果指导现场施工成为其关键环节。在既有铁路区域采用常规人工测量监控的方法面临工作量大、效率低、安全风险大等诸多问题。而GEOMOS自动监测系统快捷、高效、无人值守、24 h监测的特点较好地解决了这些问题，达到了有效指导现场施工的目的。随着轨道交通事业的发展和“以人为本”理念的深入，GEOMOS自动监测系统的运用前景也将十分广阔。

1工程概况

莞惠城际铁路作为珠三角城际轨道交通线网的一部分，由穗莞深城际麻涌站接入，终点至惠州市惠州大道客运北站。正线全长99.81 km，设计时速200 km，沿线经过区域工业经济发达、人口密集。受地面空间和环境限制因素的影响，线路走行方案超过50%位于地下，地下段总长达52.46 km。

莞惠城际铁路以浅埋大断面矿山法隧道形式下穿广深铁路与京九铁路的交叉枢纽区域，该枢纽区域线路繁忙种类多(表1)，行车密度大，其中开行的广深和谐号动车组最小列车间隙仅为5 min。而下穿区段位于遇水即崩解软化的全风化混合片麻岩或软弱富水的淤泥质粉质黏土地层中，地下水丰富，地下水位埋深1.0～2.0 m，在隧道开挖施工过程中，极易发生地面沉降，危及列车行车安全。因此，对地面高程变化的监控量测不仅要快捷、高速，而且要求能够实现全天候值守。

表1　下穿区域各条线路基本情况

2确定监测范围及项目

根据朗肯土压力理论[1]，土体内摩擦角为φ，破裂角为45°+φ/2，隧道开挖时对地面影响范围为45°+φ/2。而φ≥0， 如图1所示。

图1　朗肯土压力影响范围示意

因此，沿城际隧道线路方向，以隧道开挖断面最大轮廓线所在的切线与全、强风化地层交界界面线的交点为起点，斜向上按照45°延伸至既有线轨底作为影响线范围(图2)，而平行于既有铁路走向的两侧，根据铁路相关规定，以距离轨道中心线左右各20 m范围作为下穿影响区段。

图2　隧道开挖影响范围(仅示单侧)

据此，整个下穿广深铁路枢纽区域施工的影响范围近似叠加成2个四边形，见图3。

图3　城际铁路隧道开挖影响范围平面示意

隧道开挖施工中，拱顶上方土体有发生沉降的趋势。因此，为保证既有线铁路的运输安全，在地表对铁路路基、基础网立柱基础及信号机基础等设施进行沉降监测是非常有必要的。

同时，不均匀的沉降形成轨道几何偏差，又称轨道不平顺。轨道不平顺可以引起运行列车的各种振动，使轮轨作用力发生变化，是轨道方面影响列车运行安全性和平稳性的控制因素，是轨道结构部件损伤和失效的重要原因。因此，轨道是否不平顺也是监测的重点。可通过测量轨道的高低、轨向、水平、三角坑(扭曲)以及轨距等几何参数来量化。

根据上述要求，确定地面既有铁路设施的主要监测项目及控制标准如表2所示。

表2　监控量测项目及控制标准[2]

3GEOMOS自动监测技术运用

城际隧道下穿区域为广深铁路与京九铁路枢纽交叉地段，线路种类多，等级高，行车密度大，故监测频次要加强。常规人工水准测量进行监测存在受行车影响较大，工作量大，效率低等缺点，且在线路上作业，无论是对行车安全或者是监测人员的人身安全都造成较大的隐患。而采用无人值守的GEOMOS自动监测系统可较好地解决上述问题，实现快捷、高效、无人值守、全天候的监控量测，进而对现场施工进行指导[3]。

GEOMOS自动监测系统是基于TCA2003精密全自动全站仪开发的一套适合各种不同需求的现代高科技实时监测系统[4-7]。它具有如下特点。

(1)GEOMOS自动监测系统可进行自动采集数据并计算，无须监测人员进入线路以内作业。在系统建立完成后，便可实现数据的自动采集和计算。对行车不会产生任何干扰和影响，消除了行车和人身安全隐患。

(2)GEOMOS自动监测系统可根据实际需要随时调整监测频率。故可实现对路基24 h按频率要求实时监测，大大提高了监测效率，以便于及时指导施工。

(3)GEOMOS自动监测系统能够加入气象传感器，针对测量中出现的极端气候环境等对监测成果造成的影响可进行自动修正。

(4)GEOMOS自动监测系统可有效结合互联网通讯技术和远程数据库技术，在现场控制的基础上，实现远程的数据监控机房控制。

(5)GEOMOS自动监测系统具有较强及时性、有效性的特点匹配该工程监控量测的频次多、数据快、无人值守的要求。

GEOMOS自动监测系统分为4个部分：监测点部分、基准点部分、测站部分及控制中心。

3.1监测断面和监测点的设置

监测部分主要由一系列具有一定结构的监测点组成，它们用于直接反映铁路路基沉降情况。

在图3确定的影响范围内的路基上，每隔10 m为一个断面，每个断面2个测点，对称的设在路肩两旁，监测点位置设稳固混凝土方墩，并插入φ28 mm螺纹钢筋(高度可根据实际通视条件设定)，钢筋顶部固定安装小棱镜。接触网及信号机基础位置的测点用膨胀螺栓稳固在混凝土面上(图4)。

图4　监测点设计图及现场布置

3.2基准部分

基准部分用于检核测站的稳定性，并对测站的位置变化做出修正。设定3个基准点，基准点设在隧道施工影响范围轮廓线之外，便于长期保存的稳定位置，同时考虑与监测点的通视及既有铁路线的走向情况。

3.3测站部分

测站部分是整个系统的数据采集终端，它由全自动伺服马达全站仪(TCA2003)、数据通讯设备及太阳能电池板等其他附件组成[8]。

测站布置在通视条件较好的稳定位置，采用强制对中墩。测站部分安装动力太阳能电池板、敷设传输线路等。为确保雨天作业，保护仪器，测站设置在四面开窗通视的板房内。如图5所示。

图5　测站内仪器及太阳能电池板布设

3.4控制中心

控制中心是数据收发的控制终端，它由微机、通讯设备、GEOMOS软件等组成。它既可以派发指令控制仪器进行数据采集，又能够接收数据并对数据进行计算和分析。

系统的硬件主要包括全站仪、电脑以及其他一些附件。其中全站仪为徕卡TCA2003，它是精度高(测角精度达到1″，测距精度达到1 mm+2 ppm)、稳定性好的全自动马达驱动全站仪。

系统的软件为GEOMOS自动监测软件[9]。它主要分为监测和分析两个部分。GEOMOS软件通过控制全站仪实现监测数据的采集，同时通过内部的优化算法输出各监测点的高程。

系统的流程如图6所示。

图6　GEOMOS自动监测信息系统流程

4自动监测系统的高程测量精度分析

如图7所示，在O点安置仪器进行观测，观测到O到A点的水平距离OB和水平面的夹角，待A有高差变化后，再观测到OA′和水平面的夹角。

图7　GEOMOS自动监测系统原理示意

根据图7，A点高程变化为

ΔH=OBtana′-OBtana

采用视距≤300 m、俯视角≤15°、4侧回单向观测，按照误差传播定律计算高程中误差。

已知测距精度1 mm+2 ppm、测角精度1″的全站仪，采用4个测回，依据规范中精密光电测距三角高程测量主要技术要求

ρ″=206 265

依据全站仪单向三角高程测量中误差计算公式[10-11]

忽略大气折光误差mk、仪器高量测误差mi和棱镜高量测误差mv，那么可得高程中误差

由此可知，高程误差小于1mm，采用以上高程测量方法可以满足精度要求[12]。

5数据处理及指导施工

图8　路基沉降变化曲线

根据量测值绘制时态曲线，如图8所示。选择回归曲线，预测最终值，与控制基准进行比较，结合隧道施工的各个工况对既有铁路的影响进行分析评价，并提出相应工程对策建议。同时将监测工作纳入工程建设管理和施工信息化管理系统，做到监测信息能及时反馈给建设、设计和施工单位，以便出现异常情况时调整和控制设计参数，并为是否启动预案及备用方案提供依据，做到信息化动态施工管理。从图8广深线的图表数据可以看出：2012年11月12日，广深铁路在开挖、立钢架、喷射混凝土的各个施工工况过程中，路基、接触网及信号机基础的沉降基本趋于稳定，应继续监测。

从图8东莞疏解线的图表数据可以看出：2012年12月10日，东莞疏解线的施工中，出现了较大的沉降变化，一度达到10 mm，现场立即停止施工，并报告相关参建单位，启动应急预案，经过各方会商分析，得出以下结论。

(1)与初始值相比，变化比较大的3个测点分别为SJ12、SJ14、SJ15，其中SJ12位于隧道正上方，而SJ14、SJ15位于轮廓线外的两边5 m的位置。结合隧道的施工工况来看，从沉降6～10 mm的阶段正是隧道开挖后支护结构尚未封闭成环这一时间段，而隧道支护封闭成环后，沉降逐渐趋于稳定。这说明隧道开挖环节对沉降变化影响较大，围岩的扰动及应力释放可引起较大幅度的沉降，风险较高，必须足够重视这一工况下的施工及既有线运营安全，应采用分部分台阶开挖方法，减少围岩的暴露面积，同时加快施工封闭成环的速度。另外，可在地面采取斜向加固铁路路基土体的措施，以提高路基下方的土体强度。

(2)其余各个监测点的沉降情况基本呈现出如下的规律：随着距离隧道开挖掌子面远近而不同，距离近的沉降大，距离远的沉降小。但是SJ10、SJ13测点的沉降却不符合这一规律，结合此处地质情况，分析原因如下：该测点下方土层多为塑性强的淤泥质粉质黏土，而此类土层的失水反应敏感于其他土层，隧道开挖过程中的地下水流失易造成较大的沉降。因此，对这种软弱土层的危害也应该引起重视，应采用地面补偿加固注浆的方法来改善地层。

6结语

莞惠城际铁路隧道工程下穿地质情况复杂的既有铁路枢纽繁忙线路的施工中，通过GEOMOS自动监测系统的成功运用，提高了沉降变化数据收集的及时性、准确性，有效指导了开挖施工，确保了既有高速铁路运营安全及城际铁路隧道开挖安全。

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The Use of GEOMOS Automatic Monitoring System in the Construction of Inter-city Railway Tunnel under the Existing Guangzhou-Shenzhen Railway

WANG Xiao-lei

(Guangdong Construction Engineering Company Limited of China Railway Third Group， Guangzhou 510630)

Abstract：This paper focuses on how to obtain the real-time deformation or displacement data related to existing railway facilities in a quick， effective and non-attended manner during the construction of the inter-city railway tunnel with large cross section under the existing Guangzhou-Shenzhen railway joint terminal area so as to guide the site works by the automatic monitoring system. The GEOMOS automatic monitoring system is applied for fast and efficient access to existing railway facility deformation or displacement data， to guide the construction and ensure safe operation of high speed railway and safe excavation of intercity tunnel with the assistance of data comparison and analysis before and after each construction phase.

Key words：GEOMOS automatic monitoring system; Intercity rail; Guangzhou-Shenzhen railway; Under-pass construction

中图分类号：U456

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.023

文章编号：1004-2954(2015)04-0094-04

作者简介：王晓磊(1983—)，男，工程师，2006年毕业于兰州交通大学。

收稿日期：2014-07-28； 修回日期：2014-08-21