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基坑施工對(duì)臨近運(yùn)營(yíng)地鐵隧道影響監(jiān)測(cè)的實(shí)踐

衛(wèi)建東，樓楠

（1．信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，河南 鄭州450052）

摘要：由于受基坑開挖所產(chǎn)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(dòng)化技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地鐵隧道的變形，對(duì)保證地鐵運(yùn)營(yíng)安全至關(guān)重要。本文結(jié)合廣州大馬站商業(yè)中心項(xiàng)目基坑開挖對(duì)臨近運(yùn)營(yíng)地鐵一號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)變形變位自動(dòng)監(jiān)測(cè)工程項(xiàng)目的實(shí)踐，對(duì)自動(dòng)全站儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵隧道監(jiān)測(cè)方面的系統(tǒng)構(gòu)建、測(cè)量方法、測(cè)量精度、監(jiān)測(cè)效果等方面進(jìn)行論述。實(shí)際應(yīng)用表明，系統(tǒng)以高精度、自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)，及時(shí)提供可靠的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，科學(xué)指導(dǎo)了基坑施工，保證了地鐵運(yùn)營(yíng)安全，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：地鐵  基坑施工  自動(dòng)全站儀  自動(dòng)監(jiān)測(cè)

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(yùn)營(yíng)一段時(shí)期后，由于外界環(huán)境趨于穩(wěn)定不變，地鐵隧道結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)的周期一般比較長(zhǎng)。當(dāng)隧道臨近或上方建設(shè)構(gòu)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(jié)構(gòu)的受力發(fā)生變化，將產(chǎn)生變形和位移。監(jiān)測(cè)變形大小，控制引起變形的因素，是保證地鐵安全運(yùn)營(yíng)的重要任務(wù)之一。由于該方面監(jiān)測(cè)的周期短，要求時(shí)效性強(qiáng)，實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)十分必要。廣州大馬站商業(yè)中心項(xiàng)目緊鄰地鐵1號(hào)線公園前站至農(nóng)講所站上行線區(qū)間，為保證地鐵的安全運(yùn)行，在基坑開挖和地下室施工至±0.00期間，對(duì)受基坑施工影響的60米長(zhǎng)度隧道區(qū)間進(jìn)行變形變位監(jiān)測(cè)。地鐵1號(hào)線運(yùn)營(yíng)時(shí)間一般從早上6:00到晚上23:00，由于運(yùn)營(yíng)時(shí)間，測(cè)量人員無(wú)法下隧道測(cè)量，只能在夜間停運(yùn)后測(cè)量。而白天是基坑施工的主要時(shí)間，也是監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵時(shí)間，因此，工程選擇了基于自動(dòng)全站儀開發(fā)的無(wú)接觸式自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道結(jié)構(gòu)三維變形變位的自動(dòng)監(jiān)測(cè)統(tǒng)。

2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)在無(wú)需操作人員干預(yù)條件下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)、記錄、處理、存儲(chǔ)、變形量報(bào)表編制、變形趨勢(shì)顯示等功能。

2.1 自動(dòng)全站儀

自動(dòng)全站儀具有ATR（Automatic Target Recognition）自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別功能和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)棱鏡目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別與精確照準(zhǔn)，因此，自動(dòng)全站儀又稱測(cè)量機(jī)器人。本監(jiān)測(cè)工程采用的是徠卡自動(dòng)全站儀TCA1800，該儀器的測(cè)角精度為1.0〞，測(cè)距精度為1mm±2ppm。用戶可以通過GeoBasic開發(fā)工具或GeoCom函數(shù)對(duì)TCA1800全站儀進(jìn)行指令控制，在指令控制下，實(shí)現(xiàn)全站儀的自動(dòng)測(cè)量。

2.2 觀測(cè)棱鏡

棱鏡作為觀測(cè)標(biāo)志，利用膨脹螺絲緊密固定在隧道壁上，棱鏡標(biāo)志能被自動(dòng)全站儀自動(dòng)識(shí)別、精確照準(zhǔn)和測(cè)量。在本監(jiān)測(cè)工程中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用L小棱鏡，基準(zhǔn)點(diǎn)采用標(biāo)準(zhǔn)圓棱鏡。設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)與變形點(diǎn)的位置特別要考慮儀器視場(chǎng)，否則，將會(huì)出現(xiàn)在儀器視場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)多個(gè)棱鏡而無(wú)法測(cè)量。采用TCA1800的小視場(chǎng)功能與正常視場(chǎng)相比，可使監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量增加8－9倍。

2.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

中繼站計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)的控制中心，通過通訊電纜和全站儀連接，利用安裝在計(jì)算機(jī)中的系統(tǒng)控制軟件實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)測(cè)過程的全自動(dòng)化。控制軟件采用自主開發(fā)的InTMoS智能全站儀自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)軟件，根據(jù)用戶設(shè)置的每天各周期測(cè)量開始時(shí)間，自動(dòng)啟動(dòng)測(cè)量過程。在測(cè)量過程中，自動(dòng)判斷各測(cè)回內(nèi)和測(cè)回間的測(cè)量成果是否超限，如果出現(xiàn)目標(biāo)遮擋（如列車駛過的遮擋），系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行合理等待處理，通過對(duì)測(cè)量成果是否超限的判斷和處理，大大提高了測(cè)量成果的精度。每周期自動(dòng)測(cè)量結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)解算各觀測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)的周期位移量，并將觀測(cè)值數(shù)據(jù)，周期平差數(shù)據(jù)、位移量等存儲(chǔ)在Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速存儲(chǔ)、檢索和實(shí)時(shí)顯示和輸出。

系統(tǒng)軟件提供位移曲線的圖形顯示功能，可以瀏覽和輸出各點(diǎn)的三維坐標(biāo)位移量隨時(shí)間的變化曲線，也可以瀏覽和輸出某一周期三維坐標(biāo)位移量隨點(diǎn)位分布的變化曲線，同時(shí)自動(dòng)生成基于Microsoft Word格式的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表包括各點(diǎn)各周期的三維變形量的變化值和累加值報(bào)表，以及各周期的前兩位累加變形值報(bào)表。

3. 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況

3.1 監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)

該工程監(jiān)測(cè)網(wǎng)有1個(gè)測(cè)站點(diǎn)、3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)、20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成。如圖1所示，基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)在遠(yuǎn)離變形區(qū)的兩邊，基準(zhǔn)斷面1有2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)斷面2有1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)分5個(gè)斷面布設(shè)，相鄰斷面間距約15米。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分布位置見圖2所示，四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布在盾構(gòu)隧道靠近基坑的一側(cè)，分別位于隧道橫斷面的底部、中下部、中上部和頂部。儀器設(shè)站點(diǎn)約位于隧道監(jiān)測(cè)區(qū)間的中間位置，靠近3號(hào)監(jiān)測(cè)斷面，位于隧道橫斷面的中下部。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的命名規(guī)則，從左起：第1位為字母D，代表變形點(diǎn)；第2位為數(shù)字，代表斷面號(hào)；第3位為數(shù)字，代表在該斷面的點(diǎn)號(hào)，點(diǎn)號(hào)1位于底部，點(diǎn)號(hào)2位于中下部，點(diǎn)號(hào)3位于中上部，點(diǎn)號(hào)4位于頂部。例如，D32表示第3斷面中下部的變形點(diǎn)，即第3斷面的2號(hào)點(diǎn)。

3.2 測(cè)量方法

坐標(biāo)系設(shè)置為自定義的空間直角坐標(biāo)系，見圖1所示，隧道近似軸線方向?yàn)?span lang="EN-US">Y方向，鉛垂方向?yàn)?span lang="EN-US">Z方向。在該監(jiān)測(cè)工程中，把所有變形點(diǎn)分成兩組測(cè)量，其中第1、4、5斷面和3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)共15個(gè)點(diǎn)為第一組，第2、3斷面和3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)共11個(gè)點(diǎn)為第二組。每組測(cè)量時(shí)，都按全圓觀測(cè)法觀測(cè)兩個(gè)測(cè)回，對(duì)組內(nèi)的各測(cè)回測(cè)量限差進(jìn)行判斷，確保觀測(cè)質(zhì)量。每周期全部測(cè)量完成兩組點(diǎn)只需時(shí)間15分鐘，根據(jù)需要每天測(cè)量3－5周期。如果每天24小時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)，每天最多可以測(cè)量90個(gè)周期。

3.3 觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用全站儀的極坐標(biāo)三維測(cè)量原理，由于該工程測(cè)量范圍小，兩端基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離為150米左右，同時(shí)列車的運(yùn)行，使得測(cè)量區(qū)域內(nèi)的各點(diǎn)的氣象條件較為一致，因此，通過一定的觀測(cè)數(shù)據(jù)處理方法，可以消除由于不同測(cè)量周期測(cè)量時(shí)的氣象變化所引起的測(cè)量誤差。目前，較為常用的觀測(cè)數(shù)據(jù)處理方法為多重差分法和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法。利用差分方法進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理，除基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定不動(dòng)外，測(cè)站點(diǎn)在各觀測(cè)周期間也要求穩(wěn)定不變，或者測(cè)站點(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定基準(zhǔn)點(diǎn)的位置已知。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法利用基準(zhǔn)點(diǎn)在各觀測(cè)周期的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，求取當(dāng)前周期觀測(cè)坐標(biāo)系相對(duì)于首期觀測(cè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，進(jìn)一步求當(dāng)前周期監(jiān)測(cè)點(diǎn)在首期坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，然后，可以得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化量。

這兩種數(shù)據(jù)方法不僅可以消除或減弱氣象變化所引起的測(cè)量誤差，還可以消除或減弱全站儀在自動(dòng)測(cè)量過程中的度盤零方位的漂移等系統(tǒng)性誤差。在該監(jiān)測(cè)工程中，為分析比較兩種方法，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用了差分和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換兩種方法。由于測(cè)站點(diǎn)位于變形區(qū)，最后只提供坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的結(jié)果，差分結(jié)果做為參考。

3.4觀測(cè)精度分析

影響觀測(cè)的精度的因素很多，對(duì)變形觀測(cè)而言，由于不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)誤差可以在兩周期求變化值時(shí)基本消除，這方面的誤差可以不予考慮。影響變形觀測(cè)精度的主要因素有隨時(shí)間變化的系統(tǒng)誤差及偶然誤差的影響。對(duì)本系統(tǒng)而言，不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)誤差主要有儀器本身構(gòu)造引起的的誤差、測(cè)站和目標(biāo)點(diǎn)固定的對(duì)中誤差；隨時(shí)間變化的系統(tǒng)誤差包括儀器隨時(shí)間的度盤零方位的漂移、外界氣象條件引起的觀測(cè)值的變化；偶然誤差主要是儀器測(cè)量時(shí)的隨機(jī)誤差，主要體現(xiàn)為儀器的標(biāo)稱精度。隨時(shí)間變化的系統(tǒng)誤差通過采用差分方法或坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法可以基本消除。

本監(jiān)測(cè)工程采用的是TCA1800全站儀觀測(cè)，根據(jù)實(shí)際測(cè)量中周期內(nèi)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)，估計(jì)實(shí)際各斷面測(cè)角觀測(cè)值和測(cè)距觀測(cè)值的精度，具體見表1所示。

表1：各斷面觀測(cè)精度統(tǒng)計(jì)表

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：本監(jiān)測(cè)工程，TCA1800現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的測(cè)量精度為：水平角測(cè)角精度0.2~0.3秒，垂直角測(cè)角精度0.5~0.6秒，測(cè)距精度為0.1毫米，表中的點(diǎn)位精度為利用Helmert點(diǎn)位誤差公式估算的結(jié)果。考慮到基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量誤差后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)誤差約為： ，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量觀測(cè)精度約為0.4mm。可以認(rèn)為當(dāng)位移量超過0.8mm時(shí)，可以認(rèn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)生了位移。

4.變形趨勢(shì)分析

該監(jiān)測(cè)工程經(jīng)歷了一年的監(jiān)測(cè)時(shí)間，于2006年6月7日結(jié)束，每日測(cè)量3－5個(gè)周期，獲得了大量的數(shù)據(jù)，為施工的順利進(jìn)行提供了及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。為反映變化趨勢(shì)，作者選取斷面中靠近基坑，具有代表性的3號(hào)點(diǎn)的日沉降變化，2號(hào)點(diǎn)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(fù)為下沉，正為上升），各點(diǎn)在一段時(shí)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(shí)期的基坑降水有關(guān)，在維持一段時(shí)間基本不變后，后期有一些回彈。在各斷面中，4號(hào)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(shì)。2、3、4斷面X方向的位移較大，且存在向基坑方向移動(dòng)的趨勢(shì)。在2、3、4斷面中，2號(hào)點(diǎn)、3號(hào)點(diǎn)位移較大，另外，各點(diǎn)在Y方向上的位移不大，整體呈現(xiàn)向基坑位移收縮的趨勢(shì)，由于篇幅有限，具體曲線不再列出。

對(duì)于地鐵結(jié)構(gòu)及隧道的位移、沉降、橫向位移，要求達(dá)到10mm進(jìn)行報(bào)警，達(dá)到15mm時(shí)決定采取適當(dāng)應(yīng)變措施及行動(dòng)時(shí)間表，嚴(yán)格控制在20mm以內(nèi)。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(nèi)。另外從變化曲線的擺動(dòng)情況看，曲線的最大鋸齒不超過1mm，也表明該監(jiān)測(cè)工程的監(jiān)測(cè)精度高。

5 幾點(diǎn)體會(huì)

（1）監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置要綜合考慮監(jiān)測(cè)要求和自動(dòng)全站儀的視場(chǎng)要求，安裝前要做好設(shè)計(jì)。

（2）全站儀的供電和計(jì)算機(jī)供電盡可能是同一路電，最好供電電纜直接連到計(jì)算機(jī)的供電插板上，有利于信號(hào)放大裝置與全站儀供電系統(tǒng)運(yùn)行安全。

（3）數(shù)據(jù)處理選擇坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法好于差分方法，尤其在重新設(shè)置全站儀或更換全站儀時(shí)，差分方法要精確測(cè)定全站儀中心坐標(biāo)，而坐標(biāo)轉(zhuǎn)換不需要。

（4）盡可能不在列車停運(yùn)時(shí)監(jiān)測(cè)，該時(shí)間段為地鐵維修和檢查階段，受人員、車輛影響大，而正常營(yíng)運(yùn)時(shí)間，列車的行使還促進(jìn)空氣流動(dòng)，保持隧道區(qū)間溫度的一致性。

（5）基于自動(dòng)全站儀開發(fā)的無(wú)接觸式自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，簡(jiǎn)便、靈活、無(wú)人值守、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，是運(yùn)營(yíng)地鐵隧道變形不間斷三維監(jiān)測(cè)的理想手段。

參考文獻(xiàn)

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衛(wèi)建東：E_Mail: wjd-2002@sohu.com；15981899325；