鐵路隧道工程自動化實時監測技術應用

丁高偉，許 鋒，王艷華

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308）

隨著城市建設不斷加快，鄰近運營鐵路隧道的施工越來越多，不可避免對運營鐵路隧道造成一定影響；鐵路隧道的結構比較復雜，周邊施工極易對其產生影響，如果不能全天候進行監控量測很難及時預警，而隧道一旦發生大的坍塌事故將會造成巨大災難和社會影響[1]，傳統的人工測量已不適用運營鐵路隧道的監測，自動化實時監測技術逐步被使用。

本文以東莞市廣惠城際鐵路隧道臨近管廊施工為例，介紹了鐵路隧道工程自動化實時監測技術。

1 工程概況

某管廊工程與廣惠城際鐵路隧道并行，基坑最深12.55 m，放坡開挖，工程結構部分位于隧道正上方。基坑與隧道結構外緣的最大水平凈距為4.74 m，基坑底部標高位于鐵路隧道頂上方9～13 m。鐵路隧道部分位于1.5倍基坑開挖深度影響區域內，長度195.320 m。見圖1。

圖1 工程與城際鐵路平面關系

2 自動化監測的實施

2.1 監測項目及控制值

根據設計、咨詢、業主及鐵路部門的相關要求并結合現場條件，綜合制定自動化實時監測精度及控制值[2]。見表1。

表1 自動化監測要求mm

2.2 監測點布設

隧道結構豎向和水平位移及洞內收斂變形監測需沿左右拱腰位置布置棱鏡,主要影響范圍5 m左右一個監測斷面，次要影響范圍10 m左右一個監測斷面，共設置44個監測斷面，每個監測斷面布置5個監測點。

自動化監測點采用以棱鏡為主的元器件。布點時首先在隧道內壁上鉆孔，孔深約8 cm，孔徑約1.6 cm，每個觀測點棱鏡用兩個化學錨栓及植筋膠錨固于隧道內壁上并用兩個螺帽進行加固；由于高鐵運營速度較快，在活塞效應作用下，為保證監測點的穩定性，避免監測點脫落帶來災難性事故，觀測點棱鏡通過化學錨栓與L形支架連接。見圖2。

圖2 監測點布設

采用徠卡智能全站儀TS60進行觀測。見圖3。

圖3 全站儀安裝平面

2.3 測站設置方法

本項目共設置2座測站。由于隧道內條件復雜，為保證通視，隧道內測站采用定制的全站儀鋼支架。為避免隧道內監測基站、采集控制箱安裝完成后在洞內風壓的影響下倒向鐵路軌道一側，在相應的設備上方邊墻位置鉆打6顆?12 mm化學錨栓，使用鋼絲連接設備與化學錨栓，相應的測站同步布置于隧道壁上并將全站儀底座通過強制對中盤固定在測站支架上。見圖4。

圖4 測站布設點位

2.4 自動化監測系統

采用測量機器人自動化監測系統進行變形監測，具有自動測量、處理、發送、預警、控制等功能。每個測量周期完成后，系統自動上傳測量成果，如果出現需要報警的情況，上傳的數據通過云端服務期設置的報警值自動預警并發送各方，另外此系統還具有數據實時對比等智能化功能[3]，可一目了然觀看實時變形趨勢。

當這種錦鯉情結與企業營銷相掛鉤，即企業官方社交媒體(以新浪微博和騰訊微信為主)以“話題+福利”方式發布相關訊息，人們隨之進行相應的轉發與評論，錦鯉式營銷便形成了。這種錦鯉式營銷利用了社交媒體平臺的傳播渠道，傳播速度快，覆蓋范圍廣。

現場監測設備及監測點位安裝調試后，將采集好的初始值發送到全站儀并設置好觀測間隔時間，全站儀通過網絡接收命令自動觀測現場埋設的棱鏡，觀測數據經過全站儀自動處理后通過網絡發送到對應計算機系統，經過計算機監測成果分析系統復核無誤后，直接把最終成果推送各參建單位，如有預警或異常情況，計算機會通過短信方式發送各方，避免了人為操作，保證監測數據的真實性。見圖5。

圖5 系統自動流程運轉

2.5 監測方法

1）觀測采用的徠卡TS60全站儀具有目標自動識別與馬達驅動、自動精瞄固定棱鏡及自動跟蹤移動目標功能，測量更迅速便利，即使在弱光或惡劣的觀測環境下也能正常工作。儀器自動記錄監測數據，通過無線傳輸發送至遠程服務器，通過遠程服務器進行遠程計算機自動平差，避免人為誤差，平差后的監測數據由服務器發送到監測成果分析系統中，系統進行報表的自動生成、分析以及發送工作[4]。

2）現場觀測時，儀器測站先與影響區外的控制點進行連測取得坐標值，然后以影響區外的控制點作為基準點，測出平面控制點的坐標。以同樣的方法測出影響區內監測點的坐標，作為測量的初始值。首次觀測時應重復測量三次，取其平均數作為初始值[5]。

3）平面控制點要定期與附近的起算點進行連測，若控制點發生位移，在進行監測時應把監測點的位移量累加進去，作為最終的位移值，保證監測數據的準確性。

3 監測數據分析

監測時間為2020年7月1日—2020年12月30日，歷時6個月，從施工前采集初始值至整個工程完成，隧道未出現變形情況，監測數據未報警，直至施工完成，監測點位拆除并進行了隧道內恢復，未出現安全及其他事故。

自動化監測時每次自動監測成果與初始值進行對比，分別得到ΔX、ΔY、ΔH3個方向的變化值。現場監測的最終成果以報表形式顯示，以隧道DM2斷面為例，監測歷時沉降曲線見圖6。

圖6 歷時沉降曲線

由圖6可知，自動化實時監測存下以下特點。

1）波動性：豎向和水平位移存在范圍內波動，具體根據儀器的自動測量誤差決定，正常情況下波動幅度在±1 mm以內，現有的測量技術及現場條件能滿足施工及各方需要。

2）穩定性：當施工對隧道未造成影響時，監測數據呈穩定變化，不會出現急劇增大或減小等異常情況。

3）關聯性：當現場施工對隧道產生影響時，影響的不是某個監測點，而是整個斷面或部分隧道；因此隧道變化時監測數據斷面或整片數據都會出現異變、突變或逐漸變化等異常情況。

4）偶發性：自動監測時人員無法隨時進入，隧道內觀測條件復雜多變，當監測點被遮擋，觀測數據會出現偶發性的異常或監測無規律的情況；因此監測數據分析人員應作出適當的判斷和剔除作用，防止不真實的數據出現。

4 注意事項

1）現場施工前完成點位布設及初始值采集。監測點位置需根據設計圖紙及要求進行埋設，遠離火車及其他設備并做好點位的錨固、防護及標識工作，防止監測點位脫落、侵限。

2）自動化監測系統所使用的儀器設備及連接設施必須保證在有效期內，所有儀器在使用前必須進行全面檢查，確保能在監測過程中正常使用，當出現粗差或被遮擋時，通過自動化遠程控制終端預先設置的重復測量，進行二次測量或多次測量[6]。

3）在監測過程中準備可以隨時更換的儀器設備，如現場儀器不能正常監測時，能夠進行設備更換，確保自動化監測順利進行。

4）全站儀安裝完成后，必須做好固定防護及現場標識工作，不得私自動用或調整儀器；儀器調試完成后，必須關閉激光，防止自動監測時激光紅線引發火車司機啟動制動流程等。

5）增加溫度、氣壓感應器，對監測數據進行補償修正，確保監測數據的準確性。

5 結論及建議

1）自動化監測可以對監測數據進行無縫式連接，做到監測數據一鍵式接入，從而讓儀器自身對數據進行整體管理，進而做到對監測數據、成果分析及數據發送等功能的自我糾正，避免了人為參與。

2）自動化實時監測技術可以實現聯動式安全響應，從現場數據采集到數據超限、匯報決策層、決策措施方案及方案落地，能及時、有效、快速的進行部署，多方及時進行參與，把安全隱患消滅在萌芽狀態。

3）針對鐵路運營隧道的特殊性、封閉性、復雜性及鐵路運營的固定性采用階梯式預警，自動化高頻率的監測，能更好服務各參建方。

4）應委托有資質的第三方監測單位進行實施，同時第三方監測方案必須報對應的業主、咨詢、設計以及鐵路主管部門進行審查，審查時應重點關注監測內容，點位保護工作等。

5）國家及行業內應繼續加大對隧道自動化監測系統進行探究，加強對自動化監測系統、遠程傳輸系統、監測儀器及配套設施靈敏度反應以及實施場地的靈活性等方面的研發工作，使自動化監測系統更全面、準確，適應性更強，為鐵路隧道自動化實時監測工作的開展提供科學依據和相關標準作業。□■