铁路隧道工程自动化实时监测技术应用

丁高伟，许 锋，王艳华

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308）

随着城市建设不断加快，邻近运营铁路隧道的施工越来越多，不可避免对运营铁路隧道造成一定影响；铁路隧道的结构比较复杂，周边施工极易对其产生影响，如果不能全天候进行监控量测很难及时预警，而隧道一旦发生大的坍塌事故将会造成巨大灾难和社会影响[1]，传统的人工测量已不适用运营铁路隧道的监测，自动化实时监测技术逐步被使用。

本文以东莞市广惠城际铁路隧道临近管廊施工为例，介绍了铁路隧道工程自动化实时监测技术。

1 工程概况

某管廊工程与广惠城际铁路隧道并行，基坑最深12.55 m，放坡开挖，工程结构部分位于隧道正上方。基坑与隧道结构外缘的最大水平净距为4.74 m，基坑底部标高位于铁路隧道顶上方9～13 m。铁路隧道部分位于1.5倍基坑开挖深度影响区域内，长度195.320 m。见图1。

图1 工程与城际铁路平面关系

2 自动化监测的实施

2.1 监测项目及控制值

根据设计、咨询、业主及铁路部门的相关要求并结合现场条件，综合制定自动化实时监测精度及控制值[2]。见表1。

表1 自动化监测要求mm

2.2 监测点布设

隧道结构竖向和水平位移及洞内收敛变形监测需沿左右拱腰位置布置棱镜,主要影响范围5 m左右一个监测断面，次要影响范围10 m左右一个监测断面，共设置44个监测断面，每个监测断面布置5个监测点。

自动化监测点采用以棱镜为主的元器件。布点时首先在隧道内壁上钻孔，孔深约8 cm，孔径约1.6 cm，每个观测点棱镜用两个化学锚栓及植筋胶锚固于隧道内壁上并用两个螺帽进行加固；由于高铁运营速度较快，在活塞效应作用下，为保证监测点的稳定性，避免监测点脱落带来灾难性事故，观测点棱镜通过化学锚栓与L形支架连接。见图2。

图2 监测点布设

采用徕卡智能全站仪TS60进行观测。见图3。

图3 全站仪安装平面

2.3 测站设置方法

本项目共设置2座测站。由于隧道内条件复杂，为保证通视，隧道内测站采用定制的全站仪钢支架。为避免隧道内监测基站、采集控制箱安装完成后在洞内风压的影响下倒向铁路轨道一侧，在相应的设备上方边墙位置钻打6颗ϕ12 mm化学锚栓，使用钢丝连接设备与化学锚栓，相应的测站同步布置于隧道壁上并将全站仪底座通过强制对中盘固定在测站支架上。见图4。

图4 测站布设点位

2.4 自动化监测系统

采用测量机器人自动化监测系统进行变形监测，具有自动测量、处理、发送、预警、控制等功能。每个测量周期完成后，系统自动上传测量成果，如果出现需要报警的情况，上传的数据通过云端服务期设置的报警值自动预警并发送各方，另外此系统还具有数据实时对比等智能化功能[3]，可一目了然观看实时变形趋势。

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现场监测设备及监测点位安装调试后，将采集好的初始值发送到全站仪并设置好观测间隔时间，全站仪通过网络接收命令自动观测现场埋设的棱镜，观测数据经过全站仪自动处理后通过网络发送到对应计算机系统，经过计算机监测成果分析系统复核无误后，直接把最终成果推送各参建单位，如有预警或异常情况，计算机会通过短信方式发送各方，避免了人为操作，保证监测数据的真实性。见图5。

图5 系统自动流程运转

2.5 监测方法

1）观测采用的徕卡TS60全站仪具有目标自动识别与马达驱动、自动精瞄固定棱镜及自动跟踪移动目标功能，测量更迅速便利，即使在弱光或恶劣的观测环境下也能正常工作。仪器自动记录监测数据，通过无线传输发送至远程服务器，通过远程服务器进行远程计算机自动平差，避免人为误差，平差后的监测数据由服务器发送到监测成果分析系统中，系统进行报表的自动生成、分析以及发送工作[4]。

2）现场观测时，仪器测站先与影响区外的控制点进行连测取得坐标值，然后以影响区外的控制点作为基准点，测出平面控制点的坐标。以同样的方法测出影响区内监测点的坐标，作为测量的初始值。首次观测时应重复测量三次，取其平均数作为初始值[5]。

3）平面控制点要定期与附近的起算点进行连测，若控制点发生位移，在进行监测时应把监测点的位移量累加进去，作为最终的位移值，保证监测数据的准确性。

3 监测数据分析

监测时间为2020年7月1日—2020年12月30日，历时6个月，从施工前采集初始值至整个工程完成，隧道未出现变形情况，监测数据未报警，直至施工完成，监测点位拆除并进行了隧道内恢复，未出现安全及其他事故。

自动化监测时每次自动监测成果与初始值进行对比，分别得到ΔX、ΔY、ΔH3个方向的变化值。现场监测的最终成果以报表形式显示，以隧道DM2断面为例，监测历时沉降曲线见图6。

图6 历时沉降曲线

由图6可知，自动化实时监测存下以下特点。

1）波动性：竖向和水平位移存在范围内波动，具体根据仪器的自动测量误差决定，正常情况下波动幅度在±1 mm以内，现有的测量技术及现场条件能满足施工及各方需要。

2）稳定性：当施工对隧道未造成影响时，监测数据呈稳定变化，不会出现急剧增大或减小等异常情况。

3）关联性：当现场施工对隧道产生影响时，影响的不是某个监测点，而是整个断面或部分隧道；因此隧道变化时监测数据断面或整片数据都会出现异变、突变或逐渐变化等异常情况。

4）偶发性：自动监测时人员无法随时进入，隧道内观测条件复杂多变，当监测点被遮挡，观测数据会出现偶发性的异常或监测无规律的情况；因此监测数据分析人员应作出适当的判断和剔除作用，防止不真实的数据出现。

4 注意事项

1）现场施工前完成点位布设及初始值采集。监测点位置需根据设计图纸及要求进行埋设，远离火车及其他设备并做好点位的锚固、防护及标识工作，防止监测点位脱落、侵限。

2）自动化监测系统所使用的仪器设备及连接设施必须保证在有效期内，所有仪器在使用前必须进行全面检查，确保能在监测过程中正常使用，当出现粗差或被遮挡时，通过自动化远程控制终端预先设置的重复测量，进行二次测量或多次测量[6]。

3）在监测过程中准备可以随时更换的仪器设备，如现场仪器不能正常监测时，能够进行设备更换，确保自动化监测顺利进行。

4）全站仪安装完成后，必须做好固定防护及现场标识工作，不得私自动用或调整仪器；仪器调试完成后，必须关闭激光，防止自动监测时激光红线引发火车司机启动制动流程等。

5）增加温度、气压感应器，对监测数据进行补偿修正，确保监测数据的准确性。

5 结论及建议

1）自动化监测可以对监测数据进行无缝式连接，做到监测数据一键式接入，从而让仪器自身对数据进行整体管理，进而做到对监测数据、成果分析及数据发送等功能的自我纠正，避免了人为参与。

2）自动化实时监测技术可以实现联动式安全响应，从现场数据采集到数据超限、汇报决策层、决策措施方案及方案落地，能及时、有效、快速的进行部署，多方及时进行参与，把安全隐患消灭在萌芽状态。

3）针对铁路运营隧道的特殊性、封闭性、复杂性及铁路运营的固定性采用阶梯式预警，自动化高频率的监测，能更好服务各参建方。

4）应委托有资质的第三方监测单位进行实施，同时第三方监测方案必须报对应的业主、咨询、设计以及铁路主管部门进行审查，审查时应重点关注监测内容，点位保护工作等。

5）国家及行业内应继续加大对隧道自动化监测系统进行探究，加强对自动化监测系统、远程传输系统、监测仪器及配套设施灵敏度反应以及实施场地的灵活性等方面的研发工作，使自动化监测系统更全面、准确，适应性更强，为铁路隧道自动化实时监测工作的开展提供科学依据和相关标准作业。□■