一款强制对中架在城市轨道交通工程监测中的应用及分析

高祥祥，边俊杰，伍 佳，李春浩，林其灿

（深圳市房屋安全和工程质量检测鉴定中心 深圳 518000）

0 引言

随着城市轨道交通建设的快速发展与城市建筑对地下空间的极大需求，导致地铁建（构）筑物附近出现越来越多的深基坑工程施工［1-2］。深基坑开挖面卸荷改变了原始土基的界面和应力状态影响，破坏了岩土介质原有的应力平衡状态，不可避免的对周围地层产生扰动，引起地表沉降和地层移动，这将对城市轨道交通的运行造成严重的安全隐患［3-4］。若风险不能及时发现，变形扩大导致险情发生，后果不堪设想。所以对城市轨道交通进行周期性监测保证其正常施工和安全运营具有重要意义［5-6］。

在地铁监测中，主要是采用测量机器人进行自动化监测。整个监测过程中仪器的稳定可靠性是重要的特征要求，而阳光直射；强制对中装置受到外力振动；仪器长期直接暴露在外界环境中的造成的锈蚀老化；通视条件不佳，受到遮挡等众多因素都会对数据的稳定性造成影响［7-8］。为了保障测量机器人的安装在现场的稳定性和强制对中的需求研制了一款可拆卸的强制对中支架，不仅可提高观测精度，降低外业测量劳动强度，而且便于使用和维护［9-10］。本文介绍了该对中支架在使用中对监测数据影响的分析及应用。

1 工程概况

工程场地内拟建两栋建筑，A 栋拟建1层地下室、B 栋拟建3 层地下室。基坑开挖最大深度17.8 m，基坑支护周长约为783 m。基坑西侧支护边线距离地铁约24 m。靠近地铁4 号线的基坑边长为120 m，各向两端延长两倍基坑深度（17.8 m），即两端各延长约36 m，故监测区域范围约200 m，监测区域内地铁线路均为高架桥。监测平面布置如图1所示。

图1 监测平面布置Fig.1 Layout of Monitoring Section

2 监测内容

2.1 监测点布设

监测区域范围约200 m，分为上行线、下行线及联络线，每条线路间隔10 m 布置1 个断面，共计21 个断面。每个断面使用L型棱镜布设2个监测点。

2.2 测量机器人安装

每条地铁线路安装两个强制对中支架，仪器使用徕卡TS60 测量机器人。两台测量机器人通过测站之间的6个公共点进行联测。安装方式如图2所示。

图2 强制对中支架安装效果Fig.2 Installation Effect of Forced Centering Frame

2.3 强制对中架介绍

该地铁线路属于高架段，为解决通视条件不佳以及缺少安装位置等问题，基于地铁沿线既有电缆线架设计了一款可拆卸式对中支架。

本专利仪器支架采用了镀锌钢材质，镀锌钢能够在保持支架强度的同时能够有效防止钢材腐蚀生锈从而延长钢材使用寿命，并且在底部预留了4 个膨胀螺丝孔，可使用膨胀螺丝对其固定安装。

强制对中板上增加遮盖设计，采用了铝合金材质防护罩，具有良好的耐蚀性和可焊性，四周通过预留的螺丝孔与支架紧密结合。并在监测点一侧开口，有效的避免阳光直射及雨水对仪器的侵蚀的同时仪器可正常工作不受阻挡。

顶部向一端延伸，延伸结构下增加一条立杆和斜杆加固，对延伸臂起到良好的支撑效果，有效的保证了延申臂的稳定与牢固，使仪器避免被临近的物体阻挡。强制对中架如图3所示。该设计对中装置具有安装便利、位置可调、造价低廉、便于回收等优点。

图3 强制对中支架Fig.3 Forced Centering Frame

3 外界环境对观测误差的影响

3.1 日照的影响

当仪器长时间静置在日照强烈的天气中，受到阳光直射的影响，背光面和受光面会产生明显的温差。由于仪器的不均匀受热可能会导致测量机器人水平度盘与竖直度盘产生变形，导致误差产生。

3.2 震动的影响

当列车运行时，其运行速度以及自身的重量会导整个区域内剧烈震动，在高架段区域内尤其强烈。同时由于高架段在遇到强风时如果仪器的安装未采取特殊措施，也会产生明显的震动，影响观测精度。

3.3 长期暴露在户外环境的影响

测量机器人长期暴露在户外环境，受雨淋潮湿气候和空气中粉尘的影响，易导致仪器零器件锈蚀、老化；镜头被灰尘等污染物覆盖导致观测精度下降，严重时可能会导致驱动马达故障，仪器无法运行。

4 监测结果分析

4.1 监测成果对比

选取其中一条线路的数据进行对比，使用新设计的强制对中支架前后数据变化曲线如图4所示。

图4 使用强制对中支架前后水平位移曲线Fig.4 Horizontal Displacement Curve before and after Using the Frame

4.2 使用强制对中支架前后精度的对比

通过在相同的观测条件下对监测点进行多次观测，计算中误差并进行对比。

使用强制对中支架前及使用后的中误差分布曲线如图5所示，中误差最大值对比如表1、表2所示。

表1 监测点坐标最大中误差对比Tab.1 Comparison of Maximum Mean Square Error of Coordinate of Monitoring Point

表2 监测点高差最大中误差对比Tab.2 Comparison of Maximum Mean Square Error of Elevation Difference at Monitoring Points

图5 中误差分布曲线Fig.5 Root Mean Square Error Curve

从最大中误差以及中误差分布图可以看出，在使用强制对中支架后，中误差得到了有效降低。

5 结论

结合实际工程中使用该款强制对中支架前后各监测项目的中误差的对比，得出结论如下：

⑴本文中的强制对中支架结构通过延长支架，较好的解决了监测工作中受场地限制，强制对中装置安装位置受限时的通视条件问题。

⑵通过对延长支架增加立杆和斜拉杆加固，有效降低了城市轨道交通工程监测中车辆行驶时震动对仪器的影响，提高了监测时仪器的稳定性。

⑶遮盖设计有效地避免了阳光直射和雨淋对仪器的影响，有效提高了测量精度，减缓了仪器的老化速度。

⑷通过对长时间的监测过程中数据的分析，数据稳定，测量精度满足《工程测量规范：GB 50026—2020》要求，有效解决了特定场景条件下强制对中装置安装的需求，可应用于相应场景的监测工作。