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基坑施工對臨近運營地鐵隧道影響監測的實踐

衛建東，樓楠

（1．信息工程大學測繪學院，河南 鄭州450052）

摘要：由于受基坑開挖所產生的卸載、基坑降水等影響，臨近地鐵隧道的受力條件將改變，造成地鐵隧道的變形和位移。采用自動化技術實時監測地鐵隧道的變形，對保證地鐵運營安全至關重要。本文結合廣州大馬站商業中心項目基坑開挖對臨近運營地鐵一號線隧道結構變形變位自動監測工程項目的實踐，對自動全站儀監測系統在地鐵隧道監測方面的系統構建、測量方法、測量精度、監測效果等方面進行論述。實際應用表明，系統以高精度、自動化的優勢，及時提供可靠的動態監測數據，科學指導了基坑施工，保證了地鐵運營安全，取得了良好的效果。

關鍵詞：地鐵  基坑施工  自動全站儀  自動監測

Abstract:The mechanics change of The metro tunnel influenced by unloading and dewatering due to adjacent foundation pit，it result in Deformation of metro tunnel.monitoring of deformation based on Auto supervisory survey is important for safety of metro’s management. In this article，associate with the project of Damazhan emporia foundation pit of Guangzhou，we dissertate system composition，surveying method，surveying precision and surveying effect of total station auto supervisory system of metro tunnel. The actual application shows that supervisory system provides credible survey data in time by right of high precision and automatization，and guides pit construction scientifically，and ensures metro working safely，it obtains a favorable effect.

Keywords: metro；project of foundation pit；total station；auto supervisory system

地鐵建成運營一段時期后，由于外界環境趨于穩定不變，地鐵隧道結構比較穩定，監測的周期一般比較長。當隧道臨近或上方建設構筑物，尤其在開挖基坑階段，受卸載和基坑降水等的影響，隧道結構的受力發生變化，將產生變形和位移。監測變形大小，控制引起變形的因素，是保證地鐵安全運營的重要任務之一。由于該方面監測的周期短，要求時效性強，實時自動監測十分必要。廣州大馬站商業中心項目緊鄰地鐵1號線公園前站至農講所站上行線區間，為保證地鐵的安全運行，在基坑開挖和地下室施工至±0.00期間，對受基坑施工影響的60米長度隧道區間進行變形變位監測。地鐵1號線運營時間一般從早上6:00到晚上23:00，由于運營時間，測量人員無法下隧道測量，只能在夜間停運后測量。而白天是基坑施工的主要時間，也是監測的關鍵時間，因此，工程選擇了基于自動全站儀開發的無接觸式自動測量系統，實現了對運營地鐵隧道結構三維變形變位的自動監測統。

2 自動監測系統構成

系統在無需操作人員干預條件下，實現自動觀測、記錄、處理、存儲、變形量報表編制、變形趨勢顯示等功能。

2.1 自動全站儀

自動全站儀具有ATR（Automatic Target Recognition）自動目標識別功能和馬達驅動功能，可實現對棱鏡目標的自動識別與精確照準，因此，自動全站儀又稱測量機器人。本監測工程采用的是徠卡自動全站儀TCA1800，該儀器的測角精度為1.0〞，測距精度為1mm±2ppm。用戶可以通過GeoBasic開發工具或GeoCom函數對TCA1800全站儀進行指令控制，在指令控制下，實現全站儀的自動測量。

2.2 觀測棱鏡

棱鏡作為觀測標志，利用膨脹螺絲緊密固定在隧道壁上，棱鏡標志能被自動全站儀自動識別、精確照準和測量。在本監測工程中，監測點采用L小棱鏡，基準點采用標準圓棱鏡。設置基準點與變形點的位置特別要考慮儀器視場，否則，將會出現在儀器視場中發現多個棱鏡而無法測量。采用TCA1800的小視場功能與正常視場相比，可使監測點數量增加8－9倍。

2.3 計算機控制系統

中繼站計算機是系統的控制中心，通過通訊電纜和全站儀連接，利用安裝在計算機中的系統控制軟件實現整個監測過程的全自動化。控制軟件采用自主開發的InTMoS智能全站儀自動變形監測軟件，根據用戶設置的每天各周期測量開始時間，自動啟動測量過程。在測量過程中，自動判斷各測回內和測回間的測量成果是否超限，如果出現目標遮擋（如列車駛過的遮擋），系統自動進行合理等待處理，通過對測量成果是否超限的判斷和處理，大大提高了測量成果的精度。每周期自動測量結束后，系統自動解算各觀測點三維坐標的周期位移量，并將觀測值數據，周期平差數據、位移量等存儲在Microsoft Access數據庫中，實現數據的快速存儲、檢索和實時顯示和輸出。

系統軟件提供位移曲線的圖形顯示功能，可以瀏覽和輸出各點的三維坐標位移量隨時間的變化曲線，也可以瀏覽和輸出某一周期三維坐標位移量隨點位分布的變化曲線，同時自動生成基于Microsoft Word格式的監測數據報表。監測數據報表包括各點各周期的三維變形量的變化值和累加值報表，以及各周期的前兩位累加變形值報表。

3. 現場監測情況

3.1 監測網的布設

該工程監測網有1個測站點、3個基準點、20個監測點組成。如圖1所示，基準點設在遠離變形區的兩邊，基準斷面1有2個基準點，基準斷面2有1個基準點。監測點分5個斷面布設，相鄰斷面間距約15米。每個監測斷面設4個監測點，分布位置見圖2所示，四個監測點分布在盾構隧道靠近基坑的一側，分別位于隧道橫斷面的底部、中下部、中上部和頂部。儀器設站點約位于隧道監測區間的中間位置，靠近3號監測斷面，位于隧道橫斷面的中下部。

監測點的命名規則，從左起：第1位為字母D，代表變形點；第2位為數字，代表斷面號；第3位為數字，代表在該斷面的點號，點號1位于底部，點號2位于中下部，點號3位于中上部，點號4位于頂部。例如，D32表示第3斷面中下部的變形點，即第3斷面的2號點。

3.2 測量方法

坐標系設置為自定義的空間直角坐標系，見圖1所示，隧道近似軸線方向為Y方向，鉛垂方向為Z方向。在該監測工程中，把所有變形點分成兩組測量，其中第1、4、5斷面和3個基準點共15個點為第一組，第2、3斷面和3個基準點共11個點為第二組。每組測量時，都按全圓觀測法觀測兩個測回，對組內的各測回測量限差進行判斷，確保觀測質量。每周期全部測量完成兩組點只需時間15分鐘，根據需要每天測量3－5周期。如果每天24小時不間斷監測，每天最多可以測量90個周期。

3.3 觀測數據的處理

自動監測系統利用全站儀的極坐標三維測量原理，由于該工程測量范圍小，兩端基準點之間的距離為150米左右，同時列車的運行，使得測量區域內的各點的氣象條件較為一致，因此，通過一定的觀測數據處理方法，可以消除由于不同測量周期測量時的氣象變化所引起的測量誤差。目前，較為常用的觀測數據處理方法為多重差分法和坐標轉換法。利用差分方法進行觀測數據的處理，除基準點穩定不動外，測站點在各觀測周期間也要求穩定不變，或者測站點相對穩定基準點的位置已知。坐標轉換法利用基準點在各觀測周期的坐標數據，求取當前周期觀測坐標系相對于首期觀測坐標系的轉換參數，進一步求當前周期監測點在首期坐標系下的坐標，然后，可以得到監測點的變化量。

這兩種數據方法不僅可以消除或減弱氣象變化所引起的測量誤差，還可以消除或減弱全站儀在自動測量過程中的度盤零方位的漂移等系統性誤差。在該監測工程中，為分析比較兩種方法，系統軟件設計時，采用了差分和坐標轉換兩種方法。由于測站點位于變形區，最后只提供坐標轉換的結果，差分結果做為參考。

3.4觀測精度分析

影響觀測的精度的因素很多，對變形觀測而言，由于不隨時間變化的系統誤差可以在兩周期求變化值時基本消除，這方面的誤差可以不予考慮。影響變形觀測精度的主要因素有隨時間變化的系統誤差及偶然誤差的影響。對本系統而言，不隨時間變化的系統誤差主要有儀器本身構造引起的的誤差、測站和目標點固定的對中誤差；隨時間變化的系統誤差包括儀器隨時間的度盤零方位的漂移、外界氣象條件引起的觀測值的變化；偶然誤差主要是儀器測量時的隨機誤差，主要體現為儀器的標稱精度。隨時間變化的系統誤差通過采用差分方法或坐標轉換方法可以基本消除。

本監測工程采用的是TCA1800全站儀觀測，根據實際測量中周期內測量標準差統計，估計實際各斷面測角觀測值和測距觀測值的精度，具體見表1所示。

表1：各斷面觀測精度統計表

從統計結果可以看出：本監測工程，TCA1800現場實際的測量精度為：水平角測角精度0.2~0.3秒，垂直角測角精度0.5~0.6秒，測距精度為0.1毫米，表中的點位精度為利用Helmert點位誤差公式估算的結果。考慮到基準點測量誤差后，監測點的觀測誤差約為： ，監測點的位移量觀測精度約為0.4mm。可以認為當位移量超過0.8mm時，可以認為監測點發生了位移。

4.變形趨勢分析

該監測工程經歷了一年的監測時間，于2006年6月7日結束，每日測量3－5個周期，獲得了大量的數據，為施工的順利進行提供了及時準確的數據。為反映變化趨勢，作者選取斷面中靠近基坑，具有代表性的3號點的日沉降變化，2號點的X方向日變化，以曲線形式列出。見圖3、圖4所示。

從圖3各斷面沉降圖上看（負為下沉，正為上升），各點在一段時間下沉不明顯，在第100天到第180天下沉較快，初步分析原因可能和該時期的基坑降水有關，在維持一段時間基本不變后，后期有一些回彈。在各斷面中，4號斷面沉降最大、其次為5斷面、3斷面，1和2斷面沉降不明顯。

從圖4各斷面X方向位移圖上看，各斷面具有向基坑方向位移的趨勢。2、3、4斷面X方向的位移較大，且存在向基坑方向移動的趨勢。在2、3、4斷面中，2號點、3號點位移較大，另外，各點在Y方向上的位移不大，整體呈現向基坑位移收縮的趨勢，由于篇幅有限，具體曲線不再列出。

對于地鐵結構及隧道的位移、沉降、橫向位移，要求達到10mm進行報警，達到15mm時決定采取適當應變措施及行動時間表，嚴格控制在20mm以內。從以上曲線可以看出最大下沉不超過5mm，最大橫向位移不超過3.5mm，均在要求的范圍內。另外從變化曲線的擺動情況看，曲線的最大鋸齒不超過1mm，也表明該監測工程的監測精度高。

5 幾點體會

（1）監測點的設置要綜合考慮監測要求和自動全站儀的視場要求，安裝前要做好設計。

（2）全站儀的供電和計算機供電盡可能是同一路電，最好供電電纜直接連到計算機的供電插板上，有利于信號放大裝置與全站儀供電系統運行安全。

（3）數據處理選擇坐標轉換方法好于差分方法，尤其在重新設置全站儀或更換全站儀時，差分方法要精確測定全站儀中心坐標，而坐標轉換不需要。

（4）盡可能不在列車停運時監測，該時間段為地鐵維修和檢查階段，受人員、車輛影響大，而正常營運時間，列車的行使還促進空氣流動，保持隧道區間溫度的一致性。

（5）基于自動全站儀開發的無接觸式自動測量系統，簡便、靈活、無人值守、實時、動態的監測特點，是運營地鐵隧道變形不間斷三維監測的理想手段。

參考文獻

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衛建東：E_Mail: wjd-2002@sohu.com；15981899325；