運營期地鐵隧道沉降觀測數據處理軟件開發與應用

金新平，衛建東

(1.華東勘測設計院(福建)有限公司，福建 福州 350003； 2.上海東鍇建設科技集團有限公司，上海 200434)

1 引 言

地鐵區間隧道的沉降監測是關系地鐵運營安全的一項長期的、連續的、非常重要的工作。目前沉降監測的主要手段是采用電子水準儀，與光學水準儀相比減少了人工讀數和記錄，提高了外業工作效率。然而內業數據處理，還需要輔助平差軟件、Excel辦公軟件等，由于地鐵隧道沉降監測數據量大，人為在不同軟件間復制、粘貼、導入和導出，還要編輯、制作圖表、編制監測報告，不但效率低也容易出錯。開發基于地鐵隧道沉降數據處理與分析的軟件，實現從電子水準儀原始觀測文件導入、數據質量檢查、監測網平差處理、各種報表、沉降曲線生成等功能于一體的自動化軟件，就顯得十分必要。

2 地鐵隧道沉降觀測方法簡介

地鐵隧道運營期沉降監測主要觀測道床的沉降，實現對隧道結構底板沉降觀測的目的。由于地下車站結構體較大，相對隧道要穩定的多，地鐵隧道結構變形主要關心隧道區間結構相對兩端車站的垂直位移，通常在兩端車站內布設若干個沉降工作基點組成監測控制網。隧道沉降監測點一般沿道床中線每間隔 30 m布設一個測點，在車站與隧道、聯絡通道處、不同結構接縫處等特殊區段加密布設。監測點布設位置示意圖如圖1所示。

圖1 地鐵隧道沉降監測點布設示意圖

測量時將兩個車站的工作基點和兩個車站之間的監測點作為一條附合水準路線進行觀測，或通過聯絡通道和左右線交叉處構成閉合環測量。當采用附合水準線路時，附合差的大小一方面反映觀測數據質量的好壞，另一方面反映起算工作基點是否相對穩定。當附和線路出現附合差超限時，可能是測量誤差引起，也可能是車站上工作基點發生變動，此時分析相鄰的區間附合差是否超限，如果相鄰區間符合差也超限，但兩相鄰區間合起來線路不超限，說明中間車站上的工作基點發生了變動，這種分析方法稱為三站兩區間分析方法，結合同區間段左、右線附合差、車站內相鄰工作基點間高差變化量等，綜合分析車站工作基點的穩定性是行之有效的[2]。

3 最小二乘平差統一數學模型

地鐵隧道沉降監測網通常采用最小二乘進行平差[3]，由于考慮工作基點是否穩定的因素，常會遇到經典網平差、自由網平差或者擬穩平差的選擇。為適應不同平差基準下平差計算，同時考慮軟件開發的方便，采用帶條件的參數平差統一模型，如(1)式所示：

(1)

比如，沉降監測網中i點到j點的高差觀測值為hij，則誤差方程的形式為：

(2)

3.1 經典基準

如果高程監測網采用經典平差方法，式(1)中的基準方程式中的一行對應一個具體的已知條件。高程網的經典平差基準是指定某一點高程在平差前后不變，高程網中有幾個已知點，G陣就有幾列。

3.2 重心基準

3.3 擬穩基準

3.4 帶基準條件的參數平差解

4 軟件的設計與開發

運營地鐵沉降觀測數據處理軟件以數據庫作為數據管理和存儲的核心，圍繞數據庫管理各測量周期的數據，包括數據的錄入、處理、分析和輸出。沉降觀測數據庫采用比較常用的Microsoft Accesss數據庫，它是Microsoft Office套裝軟件之一，是一個開放式的數據庫管理系統。沉降觀測數據庫由不同的表組成，主要包括周期信息表、原始觀測值表、高差觀測值表、高程平差值表、高程變化量表、高程基準值表，這些表的內容涵蓋了沉降觀測從原始數據到平差處理數據到變形數據的幾乎全部的信息。

4.1 軟件功能設計

軟件在功能設計上主要考慮以下方面，能夠讀取天寶DiNi03、徠卡DNA03等常用電子水準儀原始觀測數據文件，將觀測數據導入數據庫，軟件自動進行閉合線路的查詢和閉合差的計算、水準網的平差計算、周期沉降量計算，自動生成基于Word或Excel的觀測手簿、平差報告、監測報表等，另外做一些相關性分析、回歸分析等[4～6]。軟件總體功能結構框架如圖2所示。

圖2 沉降觀測數據處理軟件功能結構圖

4.2 軟件界面設計與開發

地鐵隧道沉降觀測數據處理軟件HAnalysis 1.0在Microsoft.NET環境下開發，采用.net C#語言編寫，數據庫操作采用ADO.net技術。軟件采用可視化的窗體界面，方便人機交互，含可查看各類數據的表格界面和可查看變形曲線的圖形界面。軟件設置了以下功能模塊：工程管理模塊主要包含工程文件的建立、打開、另存等。

編輯設置模塊主要包含工程概況編輯、周期信息編輯、工作基點高程數據輸入、原始觀測數據輸入、補測數據錄入、點名的修改。其中周期信息編輯需要輸入該周期測量設備、人員、平差模式等信息，如圖3所示；輸入觀測數據，可以兼容DINI03、DNA03等數字水準儀的觀測數據格式，如圖4所示。

圖3 HAnalysis 1.0周期信息設置對話框窗口

圖4 DINI03原始觀測數據文件讀入對話框窗口

平差計算模塊包含測段合并、閉合差計算、高程網平差。其中測段合并，可以將一個測段中間過渡點去掉，提取該測段累計高差、累計線路長度、累計測站數等信息。高程網平差可以選擇使用經典平差或擬穩平差[7]。圖5為附和或閉合水準線路閉合差統計和計算，能統計處水準網中所有閉合環或附和水準線路的閉合差；圖6為平差窗口，根據周期設置的平差方式選擇經典平差或擬穩平差，根據定權方式選擇線路長或測站數定權。

圖5 水準線路閉合差檢查計算對話框窗口

圖6 平差計算對話框窗口

變形分析模塊包括首期兩次測量分析處理、測段高差周期間對比分析、沉降量計算、沉降曲線顯示、變形預報等。首期兩次測量分析處理是對首期獨立的兩次測量結果進行對比，當滿足限差要求時，取兩次平均作為首期測量結果。測段高差周期間對比分析，是考慮當測量結果出現異常時，分析具體異常位置，能針對性查找問題所在，如圖7所示。變形預報包含線性回歸和灰色系統(1，1)兩種分析方法，可以進行多點的批量分析預報，如圖8所示。

圖7 測段高差對比對話框窗口

圖8 變形趨勢分析對話框窗口

成果輸出模塊包括觀測手簿輸出、平差報告生成、單期監測報告創建、多期監測報告創建。其中多期監測報告可以用于周報、月報、匯總報告的生成。

5 實際工程應用

某運營地鐵隧道沉降監測項目采用天寶DiNi03按規范[1]中規定的變形監測二等要求的指標執行。主要沉降監測點間距為 30 m，因此主線路視距約為 15 m，按后前前后測量順序進行觀測。加密沉降點采用間視的方法測量。測量在地鐵夜間停運期間進行，工作時間約3個小時，一個水準作業組可完成作業約 3 km，大約100個～120個沉降監測點。利用天寶DiNi03數據傳輸軟件，將觀測的dat文件從儀器傳輸到計算機。打開運營地鐵隧道沉降監測數據處理軟件，導入DiNi03傳出的dat文件，進行閉合線路的查詢和閉合差的計算，網的平差計算和變形量計算、監測報表生成等操作，在數據正常情況下，通常幾分鐘就可以完成一系列數據內業工作。

在軟件主界面可以查看各類數據表，也可以查看沉降曲線圖，曲線可按點展開表達各測量周期隧道整體沉降情況，也可以按周期展開表達各點隨時間的變化趨勢。軟件輸出基于Word的原始觀測手簿和監測網平差報告，輸出基于Excel的監測報表和曲線圖等，以方便提供紙質的書面報告。對變形趨勢可以做簡單的預報分析，比如線性回歸分析、灰色系統(1，1)分析。

6 結 語

HAnalysis 1.0沉降觀測數據處理軟件是基于運營地鐵隧道沉降觀測的技術特點和內業數據處理需要，從讀取數字水準儀原始數據文件，到閉合差計算、平差計算、變形量計算及變形分析預報、成果報表輸出等一系列內業數據處理流程出發，兼顧其他功能需求開發的針對性很強的軟件。非常適用于地鐵隧道結構沉降監測的內業處理，實際工程應用表明，軟件操作方便，數據處理分析的準確可靠，極大減輕了沉降觀測數據內業處理工作量[8]。同時軟件所具有的基本功能模塊，也可以用于大壩沉降監測、基坑沉降監測等沉降監測工程的數據處理和分析。