自动化监测技术在地铁盾构下穿铁塔中的应用

周文斌

武汉地铁集团有限公司，湖北 武汉 432400

近年来，随着我国地下交通蓬勃发展，越来越多的城市开始兴建地铁线路。在为人们出行带来便利的同时，由于地铁路线多位于人群聚集地，地面建筑物多而复杂，导致隧道在施工的同时必须控制其对周围建筑物的影响。盾构法拥有掘进速度快、安全系数高、可实现自动化作业等优点，但在施工过程中较易引起周边土体卸荷导致地面沉降变形，进而影响地表建筑。传统的人工监测烦琐，无法全面覆盖地铁修建与运营的全过程，工作量相对较大易出错，无法满足对周围建筑物影响的监测要求，随着科技的发展，自动化监测应运而生。

目前，自动化监测技术发展迅速，国内较多的地铁工程都进行了地表构筑物的自动化监测。崔天麟等[1]结合北京地铁5号线工程实际，详细叙述了各种自动化监测的应用，为自动化监测技术的应用提供了导向作用；韩易[2]通过工程实例分析证明了远程通信技术在地铁隧道自动化监测系统中的应用的准确性；基于北京地铁8号线二期工程下穿某既有线路基的工程，张建坤等[3-4]利用静力水准系统对路基沉降进行了自动化监测，并对在安装、使用过程中的影响静力水准测量精度的关键技术问题进行了探讨；刘银伟[5]以天津地铁为背景，研究了盾构施工穿越既有铁路时所引起的地表沉降、深层土体位移以及应力分布规律；杨帆等[6]以深圳地铁2号线下穿地铁1号线为工程实例，介绍了自动化监测的实施要点，并对数据进行了分析。李明[7]介绍了两种自动化监测，并运用在天津地铁3号线金狮桥站—天津站站盾构穿越京津城际铁路工程中；谢春光等[8]通过分析、监测地铁盾构下穿摩天轮工程，利用自动化监测手段保证摩天轮在盾构过程中的稳定与安全性。

文章以武汉市5号地铁线武钢站—王青公路站区间下穿铁塔为监测对象，简单地介绍了自动化监测系统的构成与运行，并通过对监测数据的处理分析表明了该系统的实用性及有效性。

1 工程概况

武钢站—王青公路站区间经由友谊大道与冶金大道交叉口，沿着陈家湾、李家湾、肖家湾和厂前自建三村方向敷设后直至团结大道，区间线为12.4～14.2m，覆土厚度为6.4～18.16m，采用盾构法施工；区间下穿大量1～4层房屋、人工构筑物（人防工程）及道路下方浅埋管线。左线全长1226.730m，右线全长1194.526m。区间线间距为12.4～14.2m，线路平面最小曲线半径为415m，最大纵坡为8.501‰。武钢站—王青公路站区间侧穿110kV厂高线8#铁塔，结构类型为钢筋混凝土，基础形式为钻孔灌注桩（直径为1.8m、长度为14m），隧道左线侧穿该基础，水平净距740mm。

2 自动化监测系统

根据武钢站—王青公路站区间的工程概况，自动化监测所需达到的目的如下：（1）以监测数据分析为基础，掌握周边构筑物与围岩的位移规律，以此反馈盾构掘进的施工参数；（2）通过监测数据分析，了解周边地表构筑物对盾构施工的响应，以保证施工安全及周边建筑物的安全；（3）了解施工过程中地表构筑物不同位置的垂直变位与倾斜情况；（4）实现信息化、自动化施工监测，将监测结果用于反馈设计，为改进设计施工提供信息指导。

2.1 监测对象等级划分

《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202—2013）[9]中监测对象的相关规定如表1～表3所示。

武钢站—王青公路站区间隧道直径约6m，强烈影响区（A）隧道直径为6m，显著影响区（B）隧道直径为12m，一般影响区（C）隧道直径为18m；盾构隧道与铁塔最近距离仅0.75m，最远距离为1.5m，接近程度为非常接近；通过表1～表3分析可得，盾构施工对铁塔的影响等级为特级，监测等级为一级。

表1 盾构法隧道工程影响区

表2 接近程度判定标准

表3 外部作业影响等级的划分

2.2 监测点布置

监测系统项目包括建筑物竖向位移与建筑物倾斜度。监测点布置如图1所示。

图1 自动化监测点布置

竖向位移监测点间隔布置于铁塔混凝土基础上，监测点相距1.8m，共3个，命名为SGC1～SGC3；倾斜度监测点布置于铁塔中部两侧，与隧道断面平行的，两侧各布置1个，命名为SGQ1、SGQ2。

2.3 设备安装

（1）竖向位移监测。此次竖向位移使用静力水准仪进行监测。静力水准仪监测点安装铁塔混凝土基础上，环状布置。①将传感器ID地址记录于PC机软件中，并进行10min的联机测试，注意安装时传感器的ID编号的顺序及测点位置。②测点水准仪采用膨胀螺栓固定于铁塔混凝土基础上，利用液体连通管、气压平衡管串联至3个测点传感器，并和基点、储液罐联通，同时液体接口处螺丝锁死固定，要求无漏液。③液体的添加。采用硅油注入储液罐和液体连通管。添加液体时，控制气泡。④采集仪的GPRS设置。GPRS一般选择固定IP，比较稳定可靠。采集模块内置GPRS模块及433自组网模块，两者之间可通过硬件进行选择，如选择GPRS所使用的SIM卡一般为中国联通、中国移动开通流量包月功能，传感器的字节数为13字节，可根据自己的采集频率计算流量大小。使用时只需要打开采集仪插入SIM卡即可使用、但需要接收数据段进行网络配置及数据导航指向固定计算机方可将数据上传至计算机。⑤软件和数据库的安装采用一键安装，安装时确定要安装路径下一步执行直到提示安装完成即可。软件内还需要设置测点和基点选项。有线采集需要设置端口和计算机端口一致，方可正常使用。该项目采用的HC-D300液压式静力水准仪的传感器精度为0.2mm，系统误差为±0.3mm，满足相关要求。

（2）倾斜度监测。工程采用HC-B200智能倾角仪进行倾斜度监测。HC-B200智能倾角仪内置ADI公司的高精度数字传感器，具有高灵敏度、高抗性的特点，适合于各种环境。采用201不锈钢安装底板直接固定在铁塔中部，安装时确保传感器水平安装误差满足相关要求，安装完成后进行传感器处读数，连续3次偏差不大于0.01视为传感器读数正常。通过M600数据采集仪进行数据采集，并通过无线通信模块实现基于4G网络的远程数据传输，将采集的数据发送至云平台。倾角变化测量按照以下计算：

式中：G为仪器系数，由率定表给出；R1为当前读数；R0为初始读数。

2.4 信息反馈系统

数据通过采集之后，经过软件和监测平台进行数据计算和分析，当出现异常情况通过网页、短信自动发送报警信息。日常监测工作过程中，各方可通过网页或手机APP进行查看监测数据。正常情况下的信息反馈包括日报、周报及月报。日报监测当日通过电子邮件或书面形式报送监理单位、总包单位、业主方。周报每周星期一以书面形式提交监理单位、业主方。月报每月1号以书面形式提交监理单位、业主方。当数据达到预警值时，将预警情况向施工单位进行报告，并配合施工单位进行预警情况的汇报。RocMoS-Cloud可提供界面友好的数据可视化分析，凸显自动化实时化监测的成果，为决策提供实时、直观、丰富的数据分析。

3 监测成果分析

实际监测数据表明自动化监测系统运行良好，监测数据经过处理，可客观完整地反映出地铁隧道施工过程中铁塔所受影响。建筑物沉降监测变化图如图2所示，建筑物倾斜度监测变化如图3所示。

图2 建筑物沉降监测变化图

图3 建筑物倾斜度监测变化

由图2可知，该建筑物在施工前期沉降形变量较大，随着工程的实施，盾构穿越后，支护逐步稳定，每日即时形变最大量及每日累计形变最大量都开始趋于稳定，表明在施工过程前期，盾构施工对铁塔的扰动较大，累计变形量波动较大，岩土受施工扰动较强烈；后期数据趋于平缓，盾构施工影响减弱，同时该建筑物沉降量均小于3mm，完全处于控制值内，日变化速率较小，且后期累计沉降量趋于稳定。

由图3可知，该建筑物在施工工程中即时倾斜度变化量最大可达0.0004，与竖向变形量变化相一致。在施工过程中，该建筑物倾斜度每日累计变化量均小于0.0001，整体波动不大，表明盾构施工中，对铁塔的倾斜影响相对较小，3个监测点沉降形变值变化规律相一致且差别不大，进一步从侧面证明了这一观点。

4 结束语

自动化监测系统所得数据可以较好地反映盾构下穿过程中铁塔位移变化规律，在施工过程中，铁塔最大沉降值为2.5mm，3个沉降点变化规律一致且相差较小。该建筑物倾斜度每日累计变化量均小于0.0001，整体波动不大，结合沉降监测结果可知盾构施工对铁塔的倾斜影响相对较小。自动化监测系统可以确保监测数据的连续性、准确性、完整性，并有效指导现场施工，为安全施工提供技术参数，该套系统的有效实施为类似工程积累了宝贵经验。