运营期地铁隧道沉降观测数据处理软件开发与应用

金新平，卫建东

(1.华东勘测设计院(福建)有限公司，福建 福州 350003； 2.上海东锴建设科技集团有限公司，上海 200434)

1 引 言

地铁区间隧道的沉降监测是关系地铁运营安全的一项长期的、连续的、非常重要的工作。目前沉降监测的主要手段是采用电子水准仪，与光学水准仪相比减少了人工读数和记录，提高了外业工作效率。然而内业数据处理，还需要辅助平差软件、Excel办公软件等，由于地铁隧道沉降监测数据量大，人为在不同软件间复制、粘贴、导入和导出，还要编辑、制作图表、编制监测报告，不但效率低也容易出错。开发基于地铁隧道沉降数据处理与分析的软件，实现从电子水准仪原始观测文件导入、数据质量检查、监测网平差处理、各种报表、沉降曲线生成等功能于一体的自动化软件，就显得十分必要。

2 地铁隧道沉降观测方法简介

地铁隧道运营期沉降监测主要观测道床的沉降，实现对隧道结构底板沉降观测的目的。由于地下车站结构体较大，相对隧道要稳定的多，地铁隧道结构变形主要关心隧道区间结构相对两端车站的垂直位移，通常在两端车站内布设若干个沉降工作基点组成监测控制网。隧道沉降监测点一般沿道床中线每间隔 30 m布设一个测点，在车站与隧道、联络通道处、不同结构接缝处等特殊区段加密布设。监测点布设位置示意图如图1所示。

图1 地铁隧道沉降监测点布设示意图

测量时将两个车站的工作基点和两个车站之间的监测点作为一条附合水准路线进行观测，或通过联络通道和左右线交叉处构成闭合环测量。当采用附合水准线路时，附合差的大小一方面反映观测数据质量的好坏，另一方面反映起算工作基点是否相对稳定。当附和线路出现附合差超限时，可能是测量误差引起，也可能是车站上工作基点发生变动，此时分析相邻的区间附合差是否超限，如果相邻区间符合差也超限，但两相邻区间合起来线路不超限，说明中间车站上的工作基点发生了变动，这种分析方法称为三站两区间分析方法，结合同区间段左、右线附合差、车站内相邻工作基点间高差变化量等，综合分析车站工作基点的稳定性是行之有效的[2]。

3 最小二乘平差统一数学模型

地铁隧道沉降监测网通常采用最小二乘进行平差[3]，由于考虑工作基点是否稳定的因素，常会遇到经典网平差、自由网平差或者拟稳平差的选择。为适应不同平差基准下平差计算，同时考虑软件开发的方便，采用带条件的参数平差统一模型，如(1)式所示：

(1)

比如，沉降监测网中i点到j点的高差观测值为hij，则误差方程的形式为：

(2)

3.1 经典基准

如果高程监测网采用经典平差方法，式(1)中的基准方程式中的一行对应一个具体的已知条件。高程网的经典平差基准是指定某一点高程在平差前后不变，高程网中有几个已知点，G阵就有几列。

3.2 重心基准

3.3 拟稳基准

3.4 带基准条件的参数平差解

4 软件的设计与开发

运营地铁沉降观测数据处理软件以数据库作为数据管理和存储的核心，围绕数据库管理各测量周期的数据，包括数据的录入、处理、分析和输出。沉降观测数据库采用比较常用的Microsoft Accesss数据库，它是Microsoft Office套装软件之一，是一个开放式的数据库管理系统。沉降观测数据库由不同的表组成，主要包括周期信息表、原始观测值表、高差观测值表、高程平差值表、高程变化量表、高程基准值表，这些表的内容涵盖了沉降观测从原始数据到平差处理数据到变形数据的几乎全部的信息。

4.1 软件功能设计

软件在功能设计上主要考虑以下方面，能够读取天宝DiNi03、徕卡DNA03等常用电子水准仪原始观测数据文件，将观测数据导入数据库，软件自动进行闭合线路的查询和闭合差的计算、水准网的平差计算、周期沉降量计算，自动生成基于Word或Excel的观测手簿、平差报告、监测报表等，另外做一些相关性分析、回归分析等[4～6]。软件总体功能结构框架如图2所示。

图2 沉降观测数据处理软件功能结构图

4.2 软件界面设计与开发

地铁隧道沉降观测数据处理软件HAnalysis 1.0在Microsoft.NET环境下开发，采用.net C#语言编写，数据库操作采用ADO.net技术。软件采用可视化的窗体界面，方便人机交互，含可查看各类数据的表格界面和可查看变形曲线的图形界面。软件设置了以下功能模块：工程管理模块主要包含工程文件的建立、打开、另存等。

编辑设置模块主要包含工程概况编辑、周期信息编辑、工作基点高程数据输入、原始观测数据输入、补测数据录入、点名的修改。其中周期信息编辑需要输入该周期测量设备、人员、平差模式等信息，如图3所示；输入观测数据，可以兼容DINI03、DNA03等数字水准仪的观测数据格式，如图4所示。

图3 HAnalysis 1.0周期信息设置对话框窗口

图4 DINI03原始观测数据文件读入对话框窗口

平差计算模块包含测段合并、闭合差计算、高程网平差。其中测段合并，可以将一个测段中间过渡点去掉，提取该测段累计高差、累计线路长度、累计测站数等信息。高程网平差可以选择使用经典平差或拟稳平差[7]。图5为附和或闭合水准线路闭合差统计和计算，能统计处水准网中所有闭合环或附和水准线路的闭合差；图6为平差窗口，根据周期设置的平差方式选择经典平差或拟稳平差，根据定权方式选择线路长或测站数定权。

图5 水准线路闭合差检查计算对话框窗口

图6 平差计算对话框窗口

变形分析模块包括首期两次测量分析处理、测段高差周期间对比分析、沉降量计算、沉降曲线显示、变形预报等。首期两次测量分析处理是对首期独立的两次测量结果进行对比，当满足限差要求时，取两次平均作为首期测量结果。测段高差周期间对比分析，是考虑当测量结果出现异常时，分析具体异常位置，能针对性查找问题所在，如图7所示。变形预报包含线性回归和灰色系统(1，1)两种分析方法，可以进行多点的批量分析预报，如图8所示。

图7 测段高差对比对话框窗口

图8 变形趋势分析对话框窗口

成果输出模块包括观测手簿输出、平差报告生成、单期监测报告创建、多期监测报告创建。其中多期监测报告可以用于周报、月报、汇总报告的生成。

5 实际工程应用

某运营地铁隧道沉降监测项目采用天宝DiNi03按规范[1]中规定的变形监测二等要求的指标执行。主要沉降监测点间距为 30 m，因此主线路视距约为 15 m，按后前前后测量顺序进行观测。加密沉降点采用间视的方法测量。测量在地铁夜间停运期间进行，工作时间约3个小时，一个水准作业组可完成作业约 3 km，大约100个～120个沉降监测点。利用天宝DiNi03数据传输软件，将观测的dat文件从仪器传输到计算机。打开运营地铁隧道沉降监测数据处理软件，导入DiNi03传出的dat文件，进行闭合线路的查询和闭合差的计算，网的平差计算和变形量计算、监测报表生成等操作，在数据正常情况下，通常几分钟就可以完成一系列数据内业工作。

在软件主界面可以查看各类数据表，也可以查看沉降曲线图，曲线可按点展开表达各测量周期隧道整体沉降情况，也可以按周期展开表达各点随时间的变化趋势。软件输出基于Word的原始观测手簿和监测网平差报告，输出基于Excel的监测报表和曲线图等，以方便提供纸质的书面报告。对变形趋势可以做简单的预报分析，比如线性回归分析、灰色系统(1，1)分析。

6 结 语

HAnalysis 1.0沉降观测数据处理软件是基于运营地铁隧道沉降观测的技术特点和内业数据处理需要，从读取数字水准仪原始数据文件，到闭合差计算、平差计算、变形量计算及变形分析预报、成果报表输出等一系列内业数据处理流程出发，兼顾其他功能需求开发的针对性很强的软件。非常适用于地铁隧道结构沉降监测的内业处理，实际工程应用表明，软件操作方便，数据处理分析的准确可靠，极大减轻了沉降观测数据内业处理工作量[8]。同时软件所具有的基本功能模块，也可以用于大坝沉降监测、基坑沉降监测等沉降监测工程的数据处理和分析。