自動化監測技術在基坑開挖周邊既有地鐵隧道變形監測中的應用

陳德春 段偉 肖文龍

地鐵是在城市中加快交通便利、緩解城市擁堵的重要公共交通，為人民帶來便利的同時，其安全運行是保障人民幸福生活的重要目標之一。全國各大城市地鐵系統也在極速發展，同時帶動地鐵沿線房建項目的興盛，對地鐵沿線工程建設做好既有地鐵隧道安全監測是保證其正常運行的必要手段，也是保障公共安全的重要環節。本文主要論述自動化監測技術在城內建設工程對周邊地鐵隧道變形監測的應用，主要從自動化監測智能性、安全性等方面進行總結，對未來運行地鐵隧道變形監測技術提供參考。

一、地鐵隧道變形監測現狀

地鐵隧道監測環境陰暗潮濕、場地狹長、地鐵內各種帶電設備復雜，現階段，采取人工監測方式在既有地鐵隧道變形檢測中缺點較為明顯，主要表現為效率較低、可利用監測時間短、精確度不足、觀測頻率低、監測環境危險性高及人工成本高等方面。因此自動化監測技術利用互聯網可以實時監測既有地鐵隧道變形情況，既可以解決人工監測弊端，又可以大幅提高監測效率與精度，通過互聯網系統掌握隧道即時水平位移、垂直位移、斷面變形、收斂變形等方面的基本信息。在隧道中布設監測點，利用監測機器人可長期、持續性地進行監測。

二、項目概況

華潤置地·武漢華潤萬象城項目包括1 棟3 8 層（171.0m，建筑面積96400m2）超高層寫字樓、4棟49～58層（164.7～193.1m，建筑面積132000m2）超高層住宅樓、1座7層（34.6～53.0m，建筑面積154000m2）大型商業綜合體（局部8層）、一座2層商業街（建筑面積15000m2）及1個4層整體地下室（建筑面積243000m2）。

基坑開挖面積約為6 3 4 2 8 m2，周長1 0 7 6 m，普挖坑底標高-1 9.6 0 0 ～2 2.1 0 0 m，基坑普挖深度-19.600～21.100m，局部塔樓區域坑中坑深度0.500～1.500m。基坑東側為長江日報南路，南側為臺北二路，西側為臺北路，北側為建設大道（武漢地鐵7號線）。基坑周圍對應DKO+160.600-DKO+516.600區間隧道。基坑區域鳥瞰圖如圖1，地鐵隧道與基坑位置關系如圖2：

圖1 基坑區域鳥瞰圖

圖2 地鐵隧道與基坑位置關系

地鐵管底標高-19m，管頂標高-13m，其埋深處于第三道支撐以下第四層土方，右線離基坑最短水平距離為17.5m。

三、監測方案及自動化監測技術原理

1.儀器與系統

為提高對到監測數據精確性，經過充分討論及多次實地勘探，鑒于本次基坑工程周邊環境復雜，地鐵隧道內監測范圍大、測點多，本次地鐵監測采用自動化監測為主，人工監測為輔的監測方式。自動化監測系統為徠卡精密測量機器人TM50+GeoMoS自動監測軟件平臺。

2.監測點位布置與儀器點位學習

根據相關規范及行業內專家意見本次監測斷面間距：右線隧道中每6米設立一個監測斷面，延伸區每10米布設一個監測斷面。右線隧道共布設65個斷面；左線隧道中每9米設立一個監測斷面，延伸區每20米布設一個監測斷面；左線隧道共布設45個斷面。斷面設點圖如圖3，地鐵隧道監測斷面布置圖如圖4：

圖3 斷面設點圖

圖4 地鐵隧道監測斷面布置圖

為充分發揮徠卡MT50監測機器人自動監測效率及經濟效益，本項目監測每條隧道線選用3臺MT50監測機器人形成監測網在長450米直徑5.5米的曲線隧道內對325個隧道監測點進行監測，點位布設過程中對監測機器人易出現自動尋點異常的監測點進行精確定位，并通過計算尋點角度范圍，確保自動監測采集率達到百分之百。監測點三維建模圖如圖5，現場監測點實拍圖如圖6：

圖5 監測點三維建模圖

圖6 現場監測點實拍圖

3.基準站的安裝

安裝時應保證穩定性和考慮位置選擇的合理性。在隧道壁上按一定尺寸鉆孔，打入膨脹螺絲，安裝固定儀器支座（具有足夠的荷載、保證儀器安全并滿足設備限界要求）。數據通訊等附屬設備安裝在儀器固定支座或其附近。

4.感應傳感器的布設

在擬監測區來車方向前約100米處可設置一組傳感器（傳感器的具體位置通過現場試驗確定），即當地鐵列車車頭到達傳感器時，感應傳感器通過計算機給測量機器人一個暫停工作t秒的信號，以解決地鐵列車運行時遮擋引起的不通視以及列車運行時振動、強氣流引起的觀測值不穩定的問題。

5.數據采集與數據反饋

自動變形監測系統主要由數據采集、數據傳輸、系統總控、數據處理、數據分析和數據管理等部分組成，構成如圖7：

圖7 自動變形監測系統

自動變形監測系統通訊模式分為：遠程遙控預案和緊急通訊預案。遠程監測遙控系統具體通訊模型如圖8：

圖8 遠程監測遙控系統

如果隧道監測變形數據超過設定警戒值，系統將通過電腦報警，緊急通訊系統具體通訊模型如圖9：

圖9 緊急通訊系統

四、地鐵隧道變形自動化監測成果

當基坑臨近地鐵隧道區域土方施工至第三層支撐以下，基坑施工深度約13～15米，自動化監測系統發出預警信號，信號反應部分管片位移數據達到預警值。經過現場勘探與巡視，挖深區域輻射管片出現拼縫滲水、后澆筑道床與管片間產生離縫。經過一系列數據的收集、整理、匯總，選擇了臨近基坑挖深區域變形較大管片水平位移變形數據源、沉降變形數據、管片收斂變形數據；非臨近基坑挖深區域變形較大管片水平位移變形數據源、沉降變形數據、管片收斂變形數據；深挖基坑輻射區變形較大點同區同段去向隧道變形數據；深挖區基坑地連墻深層水平位移變形數據；臨近地鐵側基坑冠梁水平位移變形數據；基坑內降水井水位數據；基坑外觀測井水位數據。通過將所采集數據編制時間-累計變形量曲線圖，進行數據變化對比發現：基坑土方施工期間，基坑地連墻及圍護體系變形量均保持在較為安全的范圍內，基坑所采用的1m厚地連墻+三道鋼筋混凝土內支撐支護體系在開挖施工中是相對可靠的；反觀基坑降水情況，雖然基坑外側采用三軸攪拌樁止水，內側采用三軸攪拌樁對地連墻槽壁加固，但是當基坑內降水深度達到17m左右，基坑外水位也隨之下降至13m～14m，降幅達3m～4m，此處高程正好對應地鐵隧道所在高程，以此可見，基坑降水對坑外水位的擾動也正是影響地鐵隧道穩定的主要因素。

基坑在開挖期間自身的穩定是極其重要的，這一點在施工各階段的投入均有體現。基坑的降水、排水、截水在基坑施工中同樣會得到重視，但是基坑外地下水位的情況會受到季節、地質情況、截水帷幕質量、基坑降、排水量等綜合因素的影響，無法非常有針對性地通過坑外地下水位的變化確定基坑施工對輻射區域的既有建筑及設施的具體影響。因此基坑施工期間，即使基坑支撐圍護體系相當可靠，也絕不可掉以輕心，基坑施工期間降水作業是個周期很漫長的過程，此過程對基坑外地下水的影響也必然是持續的，當收到基坑本身穩定信號時，基坑外水位逐漸受影響、持續產生變化的情況容易讓現場人員忽視。軟件反饋環片變形曲線如圖10：

圖10 軟件反饋環片變形曲線

基坑地連墻深層水平位移曲線如圖11，管片受影響情況實拍圖如圖12：

圖11 基坑地連墻深層水平位移曲線

圖12 管片受影響情況實拍圖

自動化監測系統在既有地鐵隧道變形監測發揮著重要作用，主要體現在以下3點：

1.高精度的測量機器人是自動化監測的精度保障，GeoMoS數據采集功能是智能優化反映監測數據的重要手段。

2.監測通過在兩頓基準點不通視的狹長隧道內布設搭接點，實現基準點坐標向測站點的傳遞，從而實現項目區間段對到結構變形監測。

3.自動監測在時間、安全和成本方面改變了傳統被動人工作業模式，地鐵運行期間也可進行監控，突破傳統模式監測利用時間限制，降低監測安全風險和成本，有效提高數據處理和反饋效率。