地铁既有线自动化监测的应用

李金昌

（中铁十四局集团第四工程有限公司 山东省济南市 250000）

当前，有部分地铁施工附近会存在距离既有地铁隧道较近并且较深的大基坑，这些基坑不仅会提高其他建筑物的建设难度，同时施工过程中地铁隧道周边的土体会发生改变，从而对地铁的结构稳定和运营安全造成一定影响。眼下我国地铁施工过程中还主要是依靠人工测量地铁隧道结构变化，但是在施工过程中使用自动化监测系统能高效、准确地向相关单位传输数据资料，明显优化的监测工作的准确性和高效性，能及时发现施工过程中隧道变形出现的异常问题，确保施工工程顺利完成。

1 项目概况

石碶站（5 号线）与已建成石碶站（2 号线）通道换乘。基坑与2 号线石碶站车站（地下三层箱型框混凝土结构，距离基坑11.63m）、2号线附属（地下二层箱型框混凝土结构，距离基坑6.67m）及盾构区间（最近距车站约13.07m）。

本站共设置3 个出入口、2 个风亭组和一个换乘通道，其中A号出入口远期预留，B 号出入口与A 号风亭组合建，C 号出入口与B 号风亭组合建。

1.1 基坑与2号线石碶站关系

在建5 号线石碶站主体基坑紧邻2 号线石碶站，西端头井距离2 号线鄞石区间最近距离为13.47m，基坑东北角设有换乘接口。

2 号线鄞石区间盾构隧道侧壁距离5 号线石碶站主体基坑西端头井最近距离16.04m；其中，5 号线盾构隧道上穿2 号线鄞石区间，鄞石区间拱顶标高-14.529m，5 号线盾构区间拱底标高-13.408m（以地面标高3.5m 计）。

2 监测点布设

2.1 车站、隧道水平位移监测点布设

车站、隧道水平位移监测点布置在车站侧墙或隧道两侧管片上，监测点采用反光棱镜，测点埋设前应先确定埋设的位置，由于目前车站侧墙和隧道管片上管线及电箱较多，因此测点的埋设位置需保证与监测仪器之间的通视。在选定测点位置后，用钻机在墙上钻孔，打入膨胀螺丝并将反光棱镜紧固安装。棱镜安装应尽量紧贴侧墙，以免遭到破坏。本项目共布设46 个水平位移点。

2.2 车站附属结构（出入口、风井等）沉降监测点布设

目前车站附属结构均已装修完成并开通运营，墙体装修为干挂金属板材，故监测点无法直接布设在主体上。根据以往类似项目监测经验，将监测点直接布设在干挂材料上，采用螺帽直接用AB 胶粘在干挂材料上，本项目共布设8 个附属结构沉降监测点。

2.3 车站主体与隧道结构的差异沉降监测

当轨道交通控制保护区监测范围同时包含隧道及车站结构时，需布设站隧差异沉降监测点，在车站与隧道接缝两侧的车站底板结构和隧道管片结构上分别布设沉降监测点，对两者的差异沉降情况进行监测。本项目共布设4 个站隧结构差异沉降点。

2.4 道床沉降监测点布设

道床沉降监测采用人工监测与自动化监测结合的方式，其中，人工监测点埋设在轨枕上，与运营监测共用监测点；自动化监测点布设于道床结构一侧，与人工道床沉降监测点在同一断面，采用莱卡小棱镜。同时，在受保护区基坑影响范围外设置4 个道床沉降点，位于保护区两端外约40 米位置处，亦与运营监测共用监测点。

2.5 隧道收敛监测点布设

隧道收敛监测分为水平收敛和竖向收敛两个方向的收敛变形监测，本项目内径收敛监测拟采用电子激光测距仪。

隧道收敛监测点按5 环（每6m）间距布设一个监测断面，每个断面布设两条测线（0°—180°、90°—270°）（如遇遮挡可根据隧道内限界轨旁系统布置情况适当调整）。180°位置使用道床沉降监测点做为测距仪的对中点，0°位置在环片顶部设置十字标记做为瞄准标志；90°和270°位置分别布设直径为6mm 不锈钢螺丝钉，然后用油漆画上明显的十字标记，一端做为测距仪的对中点，另一端为瞄准标志。

2.6 结构裂缝及渗、漏水观测

基坑施工前会同轨道交通运营分公司及石碶站项目参建单位共同对石鄞区间的已有裂缝及渗漏水点进行调查，对各处裂缝击渗漏水点进行编号并登记入册，同时用裂缝观测仪采取初始值，初始调查完成后形成的文件由各责任单位签字确认。在基坑施工过程中，对车站及隧道新增裂缝击渗漏水点进行观测并编号及登记入册。

2.7 监测点的修复及监测数据的衔接

在监测过程中，经常会遇到监测点损坏的情况，因此，在每次巡检过程中应对监测点是否受损进行巡查。若发现测点损坏，应及时进行修复或在其附近埋设新的监测点，监测数据在原数据的基础上进行累加。

3 监测方法

3.1 自动化监测

自动化监测为三维坐标监测，同时监测水平位移及竖向位移。采用拓普康MS05AXII 全站仪，测角标称精度为0.5″，测距标称精度为0.8mm+1ppm。

3.2 自动化监测频率

全站仪全天24 小时连续测量，平均4 小时为一个监测周期，每个监测周期进行2 测回观测，每天进行6 次测量。其中白天和夜间各监测3 次，考虑到白天的监测数据可能会受列车运营的影响，故以夜间的监测数据为准，同时对白天的监测数据进行分析比较，分析基坑白天开挖期间对车站的影响。当地铁结构突然发生较大量的变形和不均匀变形，提醒监测人员，加密自动化监测周期，并及时上报相关单位，防止地铁隧道结构变形损坏，影响地铁安全。

3.3 水平位移监测（人工复核）

水平位移监测采用拓普康MS05AX II 全站仪，测角标称精度为0.5″，测距标称精度为0.8mm+1ppm，使用极坐标法进行监测。

3.4 沉降监测

沉降监测点观测以埋设于站台内检测合格后的工作基点作为起测点，采用几何水准方法，按照附合水准方法和中视水准测量方法相结合进行施测，沉降监测点一般作为中视点（转站点），除站台两个基准点外，其余沉降监测点可作为附合水准线路的转点，左右线路的沉降监测点的高程可同时施测。

在各线路的上下行线各布设一条水准闭合路线，以各线路水准点为依据直接进行各监测点的水准测量。单点相邻两次的高程变化为本次垂直变化量，与初测高程的变化为累计垂直变化量。

4 自动化监测系统

为保证地铁隧道结构监测工作的正常开展，保证监测成果的及时性、有效性，轨道交通自动化监测需建立RocMoS 自动监测系统。

4.1 RocMoS自动变形监测系统具有以下特点

（1）单窗口多项目，多设备管理，兼容主流机器人，可接入多种传感器；

（2）单测站、多测站、多设备组网监测，复杂区域监测也可以轻松实现；

（3）集成监测网精度分析功能，提高组网精度的利器；

（4）自适应拟稳技术，多种网平差和模型自动选择，确保亚毫米级测量精度；

（5）单纯网络通信，有效解决串口与网络转换带来的系统故障；

（6）网络或服务器故障数据采集和同步，监测数据冗余，用不丢失；

（7）集成远程电源管理系统，对异常设备冷启动，可解决设备导致的系统故障；

（8）多种、多级报警设置，支持短信、邮件、电话语音、微信、声光报警。

4.2 RocBox远程智能测控终端

RocBox 集成了设备供电，数据采集，数据校验、数据存储、数据通讯、现场声光报警灯多个功能于一体。可为项目节约大量的人力和物流成本，带来更多的项目收益。

4.2.1 通讯和供电

（1）远程通讯：全网通（支持联通、移动、电信），WLAN 光纤和有限局域网；

（2）本地通讯：机载4 个本地通讯接口，每个接口包含RS232RS485 通讯功能；

（3）供电：本地通讯接口集成供电功能，并且包含远程电源开关。

4.2.2 支持接入的设备

测量机器人，GNSS 接收机，测距传感器，倾斜传感器，气象传感器，静力水准，岩土传感器，声光报警灯。

4.2.3 数据采集、校验、存储和传输

RocBox 基于嵌入式Linux 操作系统，机载SD 卡插槽，最大32G 的SD 卡，内置符合国家和行业规范的监测数据采集程序，可以对采集的数据进行实时校验，校验合格的数据都存在SD 卡上，并实时上传至RocMOS 服务器，在服务器断面，网络出现故障或者监测现场出现故障的情况下，RocBox 可以脱机控制设备数据采集，并把数据保存在SD 卡上，在服务器和网络恢复后，自动把数据同步到服务器，保障了监测数据的完整性。

5 数据处理及变形分析

5.1 数据处理

对现场实测的数据通过软件计算出本次监测数据。比较初值和上次的监测数据，计算出累计值和本次变化量，对超过报警值的数据进行标识。汇总监测数据，结合施工状况、巡视情况等进行分析；工程异常情况可以根据数据的曲线分布状态反映出来。根据监测数据绘制的曲线包括：测斜曲线、单点时程曲线、纵向分组曲线、断面曲线、专业分析曲线（弯矩曲线，倾斜率曲线等）。可以有针对性的根据数据曲线，对监测数据进行对比分析，对工程安全进行评价。如通过对基坑变形曲线的分析，来判断基坑的安全状态。通过对数据曲线的形状的辨识可以发现超挖、支撑不及时、支撑失稳等一系列非正常工况。

5.2 变形分析

变形分析是监测中关键的环节。大量的测量数据和资料如果不进行整理、分析、解释和反馈，就无法实现对工程的监控和灾害的预警，达不到“确保安全”这一最终目的。变形分析是在对监测数据进行粗差探测与消除、数据格式化等数据处理后，提取监测对象在变形过程中的变形量、变形幅度、变形速度、变形加速度等信息。结合监测对象结构的特点，研究荷载和变形之间的关系，从而建立变形分析模型，确定变形规律，从而实现对监测对象的安全性、稳定性的科学判断，并对变形的发展做出预测。变形分析的工作主要是变形特征分析。变形特征分析包含了对基准点进行稳定性分析、测量数据误差处理和精度评定、数据质量检测和评估等内容。

6 监测成分析

6.1 总体变形分析

石碶站车站于2020年7月8日封底、2020年9月18日封顶。

从人工抽测监测数据可以看出：在临近基坑施工期间既有二号线石碶车站及隧道道床沉降呈下沉趋势，最大变量为-3.5mm；结构水平位移向基坑方向位移，最大位移量为-2.4mm(“-”表示向基坑方向位移)；隧道竖向收敛呈减小趋势，最大累计量为-1.4mm，横向收敛呈增大趋势，最大累计变量为1.5mm，既有2 号线C 号出入口建筑物沉降呈下沉趋势，最大变量为-3.5mm。

7 自动化监测技术应用优势

通常开展人工全站仪收敛数据监测工作有一定的时间限制，只能在凌晨地铁未运营时间内进行，不仅工作效率低，同时监测的数值也容易出现较大误差。而针对同一量进行同样精度的观察监测，自动化监测系统的激光测距仪的监测数据较为准确，只需要3 次就可以监测出有效的测量数据，确保最终监测数据的误差值较小，不会超过规定的误差数值范围，高效率完成监测工作。还有为确保数据实施时监测，自动化测距仪需要配置测量的频率，连续不断的完成监测工作，不会因为地铁运行发生间断，可以通过网络实时传输数据，发送完整的测量指令，并且监测的最终数据以及变化曲线图都是非常精准的。相比之下自动化监测系统比人工全站仪监测工作效率和精准度具有明显的优势。

8 结束语

目前隧道项目应用的监测系统中，自动化监测系统能高效率完成自动化监测工作，该系统能将微扰动对地铁隧道结构造成的影响及时反映出来，能高效率、精准的监测到变形数值。所以说在地铁施工项目中自动化监测技术有非常好的应用前景。自动化监测系统的优势在于该系统具有高效率、高精准以及网络化的特点，施工期间相关管理单位和指导部门可以随时通过联网的电脑或者手机查看到隧道变形的实时数据，能及时采取有效措施控制施工工作，确保该地铁结构有较好的安全性。将人工监测的数据和自动化监测的数据进行对比发现，自动化监测数据比人工监测数据更为高效精确，明显提高了监测工作效率和监测数据质量，能完全代替人工监测。