地鐵保護區變形監測及數據處理系統設計

陳喜鳳，劉嶺

(1.浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002；2.中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，浙江 杭州 310014)

1 引 言

地鐵作為城市的生命線，其沿線自然而然會成為商業經濟開發的焦點。地鐵沿線的某些施工活動特別是緊鄰地鐵的大型基坑開挖，會引起周圍地基地下水位和應力場的變化，導致隧道結構發生沉降、位移、裂縫、傾斜等變形，致使運營中的地鐵隧道面臨一定的安全威脅。鑒于地鐵隧道在城市交通中的重要性，其保護等級高，對變形的控制指標極為嚴格[1，2]。因此在基坑施工期間，必須對鄰近的地鐵車站及區間隧道(以下稱為“地鐵保護區”[3])進行全方位變形監測，以掌握基坑施工過程中鄰近地鐵隧道結構的變化，為建設方及地鐵相關方提供及時、可靠的信息。

關于基坑施工對鄰近地鐵隧道的影響，一些學者對隧道垂直位移或水平位移做過相關研究，并得出了一些有益的結論[4～6]，但鮮有學者對地鐵保護區隧道變形監測進行過較為全面而詳盡的闡述。另外，目前國內地鐵保護區監測的現狀為：①以人工監測、人工處理數據為主；②測期相當頻繁，尤其在基坑開挖階段須每天監測；③數據處理時間極其緊張，作業時段一般為夜間0：30-3：40，測量完畢后須盡快完成監測成果的計算、整理與分析，6：30前向有關單位提交監測成果及分析報告，以及時反饋變形情況，確保地鐵結構安全；④可積累大量監測資料，但數據成果零散，無法實現統一管理，難以用其進行縱向比較、分析，亦無法實現變形預測，因此亟須開發一個集數據處理、管理和預測分析于一體的系統。鑒于上述情況，本文從一個地鐵保護區監測實例出發，在系統介紹其監測內容及監測方法的基礎上，闡述基于Visual Basic語言和Access數據庫技術的數據處理系統設計與開發。

2 工程概況

某市地鐵1號線南延線某站及區間隧道西側開挖一面積約 31 868 m2，周長約 771 m的大型基坑，項目所處場地為河漫灘地貌單元。靠近地鐵1號線西側的基坑邊長約為 248 m，基坑開挖深度為 16.80 m～17.80 m，項目基坑支護結構距地鐵區間隧道最近約 23.40 m；基坑支護結構距離車站主體最近約 7.25 m。基坑與地鐵的位置關系如圖1所示。監測范圍為基坑邊線對應的地鐵線路及沿線前后各外放 60 m，監測距離共 368 m。

圖1 基坑與地鐵的位置關系

3 監測內容

3.1 沉降監測

隧道沉降監測是地鐵保護區變形監測中最基本也是最重要的監測項目，采用精密水準測量方法。根據規范要求，沉降監測基準網按Ⅱ級垂直位移監測控制網的技術要求，布設附合或閉合水準路線進行觀測，并進行嚴密平差。基準點一般布設在遠離變形區 80 m～120 m外相對穩定的地方，兩端各2個。沉降變形監測網按Ⅱ級垂直位移監測網技術要求，布設附合或閉合水準路線，在基坑邊線對應的地鐵線路區域內，每 10 m布設1個沉降點，外延部分每 20 m布設1個沉降點，其中，車站與區間隧道連接縫兩側 0.5 m處各布設1個點作為差異沉降點，用于監測車站和隧道之間的差異沉降量。本項目車站及區間隧道共布設76個沉降監測點。

3.2 水平位移監測

水平位移監測可獲取基坑施工對地鐵結構水平方向的影響。水平位移監測控制網采用Ⅱ等導線測量方法，一般在上下行隧道兩端各布設2個基準點，由于隧道狹長，還需根據線路長度和通視情況在中間埋設若干工作基點，工作基點布設的原則是要有利于監測點的測量。點位埋設時，位于最兩端的基準點采用固定支架安裝小棱鏡，作為定向點，其余的基準點、工作基點均采用強制對中方式進行埋設，作為測站點，埋設位置均選于側墻腰線處，強制對中裝置與小棱鏡如圖2所示。水平位移監測點一般與沉降監測點對應布設，測量時將儀器架設在工作基點上采用極坐標法[7]測得監測點坐標。本項目上下行線分別布設4個基準點，2個工作基點及27個水平位移監測點。需要說明的是，數據處理時上下行線分別建立獨立的坐標系統，沿隧道方向為X軸，垂直隧道方向為Y軸，從而監測點Y坐標的變化即反映了隧道的水平位移情況。

圖2強制對中裝置與小棱鏡

3.3 斷面收斂及斷面變形監測

本項目在上下行區間隧道各布設5個斷面用于監測隧道的收斂及變形情況。收斂監測方法如圖3所示，在隧道兩側腰線上布設一條水平基線，A、B兩點分別粘貼測距反光片，利用TM30全站儀測量A、B兩點坐標(X1，Y1)、(X2，Y2)，則水平基線長度為

(1)

S的變化即反映了隧道的收斂情況。

圖4為斷面變形監測示意圖，利用TM30無棱鏡測距功能，按一定步長360°連續采樣，為確保監測結果可靠，每個斷面有效掃描點數不少于30個，本項目掃描32個。圖中黑線為設計斷面，固定不變，紅線為實測斷面，二者之間的差異為超欠挖量，在前后兩次測量中超欠挖量的變化值即反映了隧道斷面的變形情況(斷面上各點以向外拉張為正，向內壓縮為負)。斷面變形監測初期獨立觀測兩次，誤差范圍內取均值確定首期值。

圖4 斷面監測示意圖

3.4 垂直度監測

基坑影響區域內的結構側墻或風亭需要進行垂直度(或稱傾斜度)監測。在監測斷面(車站側墻或風亭)同一鉛垂線的上、下部各粘貼1個反射片，在斷面的垂線方向設置固定測站，用全站儀分別測量上、下兩點，得其坐標(X1，Y1，H1)、(X2，Y2，H2)，則垂直度P(以‰為單位)計算公式為：

P=(Y1-Y2)×1000/(H1-H2)

(2)

3.5 地下水位監測

在基坑施工降水階段，地下水位是一項十分重要的監測項目。選用SWJ90鋼尺水位儀從觀測井測得，測量時，打開頂蓋，放下測頭，測頭接觸到地下水面時蜂鳴器響，測讀孔口讀數即為地下水位值。

3.6 隧道裂縫、滲漏監測

項目實施前，對地鐵隧道結構的裂縫、滲漏水等初始狀態進行檢查與記錄，隨后定期對監測范圍進行巡視，對于新發生的裂縫及時觀測，用精密電子游標卡尺(可精確到 0.01 mm)量出每條裂縫的長度和寬度，求得裂縫的變化值。若發現滲漏情況，即拍照記錄，并對滲漏作出分析。

4 地鐵隧道變形監測數據處理系統設計

4.1 系統的總體設計

從功能上講，系統共分為5個模塊，其總體設計如圖5所示。

圖5 系統的總體設計

4.2 系統的詳細設計

4.2.1 控制網穩定性分析

控制網作為變形監測的基準，其穩定性至關重要。本地鐵保護區變形監測的沉降控制網和水平位移控制網均需要每月復測一次。該模塊提供了幾種常用的穩定性分析方法[8～10]，可根據不同方法分析結果做出綜合評判。該子系統中包含了水準網及導線網的平差處理子程序。圖6為控制網穩定性分析的詳細設計。

圖6 控制網穩定性分析詳細設計

4.2.2 數據處理

數據處理模塊是系統的核心，其詳細流程如圖7所示。這里做以下幾點說明：

(1)由于監測報表(Excel表格)中要列出各監測點(或斷面)的初值觀測值、上次觀測值及本次觀測值，從而直觀得到本次變化量和累計變化量，所以直接導入上期監測報表即可，另外各監測項的點位布設圖也預設在上期監測報表中，本期計算時直接導入上期報表，可方便快捷地提取相關信息。

(2)數據預處理可刪除原始測量數據中可能包含的無效數據、多余數據等，確保生成的觀測手簿清晰簡潔、數據可靠。

(3)按照3中所述計算出各監測項中各測點的本次觀測值輸出到Excel報表中，Excel中預設的公式可自動計算本次變化量、累計變化量及相關變化曲線圖。

(4)隧道斷面變形計算及顯示是本系統的一個難點。數據處理系統根據隧道斷面掃描數據(擴展名為.obs)，可以分析斷面的整體變形和局部變形情況。系統將監測斷面按照區間、斷面里程、測量周期、下行線斷面或上行線斷面進行劃分，根據每個斷面原始觀測數據，進行斷面截面橢圓基準擬合，再結合斷面設計數據，即可計算出斷面各點本期超欠挖量，該值相對于上一期的比較值即為斷面點本期變形量，相對于首期的比較值即為斷面點累計變形量。每一斷面本期觀測值采用數據庫進行統一管理。系統采用圖形顯示界面，除了可直觀顯示如圖4所示的超欠挖計算界面外，還可根據用戶需要，給出斷面上任一360°連續采樣點各期變形圖形，以便分析斷面的局部變形，并根據實際情況預警。

圖7 數據處理流程

4.2.3 數據管理

數據管理子系統用于將原始觀測數據和處理后的成果數據進行入庫管理。本項目選用Access數據庫，用DAO技術將VB與數據庫相連接。按照監測項目進行數據管理，不同的項目文件分別存入不同的數據庫表中，便于數據管理和查詢等操作。同時也可按結構化(即沉降控制網成果文件*.ou1和水平位移控制網成果文件*.ou2)和非結構化(如Word文檔和Excel文檔)數據來進行管理，當數據庫中含有多期數據后，便可根據用戶需要調用相關數據快速計算變形，亦可將變形成果導出到Excel表。

4.2.4 圖形繪制

在4.2.2程序自動生成的本期監測報表(Excel)中，僅含有本期變化曲線和累計變化曲線，在實際中用戶常常需要對某幾期特定的數據進行變形分析，自動生成各期變化量曲線圖、變化速率曲線圖，使得變形分析更加直觀明了，利用Visual Basic 6.0中的MSChart控件即可實現此功能。

4.2.5 預測分析

該模塊主要實現根據變形監測數據預測未來的變形趨勢，采用常用的擬合分析模型來實現，采用的擬合分析方法有：規范雙曲線法[11]、指數曲線法[12]、多元線性回歸分析法[13]，通過研究分析，將這些方法用VB編程實現隧道沉降及水平位移變形的預測。因篇幅限制，這里僅列出多元線性回歸分析法對基坑降水及土方開挖期間下行線隧道內奇數號測點連續2天的沉降預測結果(如表1所示)。其中，所列實測值為各測點的累計沉降量(“+”表示上升；“-”表示下沉)；絕對偏差(AD)=預測值-實測值；相對偏差(RD)=AD/實測值；測點累計沉降量的報警值為T=±3.3 mm。

由表1可以看出，多元線性回歸分析模型得到的連續2天的預測值與實測值相差較小，絕對偏差(AD)最小為 0.04 mm，最大為 0.39 mm，平均值(取絕對值后的平均值，下同)為 0.20 mm；除隧道兩端個別累計沉降量本身較小的測點(如X01，X03及X29，X31)外，其余測點的相對偏差(RD)均在20%以內，平均值為11.2%；各測點絕對偏差相對于變形報警值的百分比(AD/T)均在1.2%～11.8%之間，平均為6.2%。由此可見，該模型預測結果比較切合隧道實際沉降變形情況，能夠滿足該地鐵保護區沉降變形預測的要求。

多元線性回歸分析法沉降預測結果 表1

5 結 語

地鐵保護區變形監測是一項監測內容多、測期相當頻繁、要求短時間內進行數據處理的工作。本文以某市地鐵1號線南延線某站及區間隧道監測為例，系統介紹了地鐵保護區變形監測的內容，以及數據自動化處理系統的詳細設計。該系統已成功應用于本項目的數據處理中，大大減輕了數據處理人員的負擔，提高了工作效率，但在變形預測方面仍存在以下問題值得進一步研究：

(1)所選預測模型的預測效果不穩定，需采用一定的檢驗手段對預測模型進行檢驗，以保證預測的精度和可靠性。

(2)受基坑不同施工階段的影響，地鐵隧道的變形情況呈現出不同的變化趨勢，結合各基坑施工階段特點，建立相應的預測模型可能會提高預測精度。

(3)本系統所采用的預測模型均為擬合模型，均以假設隧道變形情況符合某規律為前提，難以從理論上達到最優，結合神經網絡、蟻群算法等智能模型進行變形預測是未來的研究方向。