自動化收斂監測系統在地鐵監測中的應用研究

文／彭樂平 上海京海工程技術有限公司 上海 200137

引言：

上海是世界超級城市，而新建城市設施與軌交設施的空間關系越來越緊密。在運營地鐵線路保護區內的工程建設，尤其是大型基建項目受地質條件、自然環境等因素的影響，可能對運營地鐵線造成比較大的影響，存大重大的安全事故風險。因此，為保證基坑開挖、運營地鐵線安全，必須對基坑支護本體及周邊環境實施變形監測。對于開挖深，距離地鐵近、存定重大風險的工程項目需要運用多種監測手段，包括對地鐵結構進行實時自動化監測。

目前，對運營地鐵線路監測手段主要有傳統人工測量（包括人工沉降、人工收斂、傾斜測量等）、自動化測量（包括自動化沉降、自動化收斂、自動化位移測量等）。而地鐵天窗時間受限，傳統人工測量頻率低、費時費力，而自動化監測系統尤其是自動化收斂監測系統可實時監測，且安裝方便、效率高，解決了人工監測的不足。本文以某保護區內基坑項目開挖周期內結構變形監測及后期收斂治理中自動化收斂監測系統運用為例，基于自動化收斂監測系統對地鐵隧道進行實時監測，及時將各施工階段的監測數據信息、報表及病害發展情況，提供給業主、監理和施工方，既保證了施工安全，又保證了地鐵線路的安全運營，本項目監測方法和結論對類似項目具有一定的參考意義[1]。

1.自動化收斂監測系統

1.1 原理

自動化收斂監測系統是由激光測距儀、采集箱、采集網關、數據處理平臺、電纜線等部件組成。系統通過無線網通訊技術，遠程控制測距儀采集數據。利用激光測距對準隧道另一端的測量靶標，激光測距儀測出兩點之間的距離即為隧道的直徑，與施工前所測初始值相比較，所得差值即為隧道直徑收斂累計變化量，把采集到的收斂測值數據存放到數據庫內，后期通過電腦辦公軟件或手機端的運用軟件處理所得到的收斂數據，可以生成相關變形量的報表，報告總結等各種成果資料。

1.2 系統組成

1.2.1 激光測距儀

使用測距儀HD-CJY030 系列，測程0.05～30m，并支持串行接口，有線連接電源和信息線，測量精度1.0mm，測量儀器及支架安裝位置符合地鐵運營對限界的要求。

1.2.2 采集箱、采集網關

目前采集模塊一般采用工控機和通訊卡的形式。工控機就是工業控制計算機，是一種采用總線結構，對生產過程及機電設備、工藝裝備進行檢測與控制的工具總稱，能夠采集和存儲激光測距儀測量數據，利用通訊可以進行數據傳輸，遠程控制等。

1.2.3 數據處理平臺

采用我公司基于廠家采集軟件進一步研發的監護測量管理系統，該系統實現了項目監測點位布置、數據的查詢和統計、變形和歷時曲線的生成，測量數據采集等功能。施工期間的數據通過該系統可以實時發布，數據結果和變形曲線可很方便的查詢和導出，可采用網頁客戶展示，有網絡接入的電腦，可以隨時訪問進行查看與處理[2]。

1.3 主要技術參數

目前主流的自動化收斂監測系統主要持術參數一般為：

（1）數據采集器的數據采樣速率至少每分鐘一次；

（2）數據能夠發送至專用服務器，并實時發布；

（3）采集器的數據存儲器至少能存儲7 天以上的每小時正點觀測數據；

（4）能夠按照規定的正點時間，實時發送觀測數據，并具備時鐘校準、數據重新下載、數據重新發送功能；

（5）以國家公共通信網（GPRS 或CDMA）的通信方式進行通信；

（6）自動站數據上傳到地區中心站的頻次至少應每小時1 次，可根據需要進行1 分鐘、5 分鐘、10 分鐘或半小時等的實時加密上傳。

2.工程案例

2.1 工程概況

本項目基坑開挖面積約6000 m2，開挖深度約15m。本項目影響對應段均為地下隧道結構，地下室結構外邊線與地鐵結構下行線隧道最小凈距離約10m,基坑邊線平行地鐵延長線距離60m，道床絕對高程約為-18.0m，本區間隧道為內徑5.5m 單圓通縫，頂部覆土深度為12.0m。施工期間采用了人工與自動化兩種監測手段，收斂監測包括了人工收斂測量與自動化收斂監測系統。另因為基坑施工期間隧道收斂累計變形超過2cm，收斂設計值超過6cm,且隧道內出現了不同程度的滲漏情況，經專題會議討論，相關專家會診，在地下結構施工期間采用了隧道外微擾動注漿治理的手段，對本項目人工收斂變形累計超2cm 段進行了隧道外微擾動注漿治理。

2.2 收斂監測系統實施

2.2.1 監測內容與范圍

區間投影范圍60m，外放范圍南北各60m，監測范圍為上下行線各180m，其中投影范圍內每5 環布設1 個監測點，4倍基坑深度外放范圍內每10環布設1個監測點，環號從175 環至320 環，人工收斂與自動化收斂點上下行線布各設20 個直徑收斂監測斷面，共計布設40 個，人工與自動化激光測距儀同斷面布設。其中后期注漿上行線230-255 環，對應里程SK18+476～SK18+508.4，采用隧道外微擾動注漿，自動化激光測距儀于5 環內加布置一臺，共增加5 臺。

2.2.2 監測點布設

測距儀安置在隧道腰線的一端，一般裝于膘線以下0.813m 處，要求固定，為了提高精度，隧道另一端對應位置的設測量靶標標志，激光測距儀安裝在支架上，支架由膨脹螺絲固定在隧道管片上，安裝時要求光斑對應對預定位置處測量靶標標志，方便后期測距儀核正，同時人工點與自動點基本處于同一管片水平位置，以便測量成果中人工自動化可以比對。自動化收斂監測系統安裝流程為：確定安裝位置、安裝支架、安裝儀器與采集箱、軟件設置、調整激光位置、系統配制、數據采集、成果使用等。安裝位置示意見圖1。

圖1 安裝位置示意圖

2.3 自動化收斂變形數據分析

2.3.1 施工工況

本項目施工從2016 年7 月開工，至2018 年12 月完成樁基圍護施工（其中因外部因素停工17 個月），基坑所有分區開挖從2018 年12 月至2019 年6 月，結構施工從2019 年5 月至2019 年12 月，注漿施工從2019 年8 月15 日至10 月13 日。具體時間節點如下表：

2.3.2 自動化收斂變形分析

本次自動化收斂變形增大主要發生在基坑開挖期間，兩個分區施工存在交叉影響加劇了隧道收斂變形，每個分區施工期間對隧道收斂都有影響，其中上行線隧道直徑收斂最大累計變形量達到27.8mm（SSL10-2019年8 月18 日）的，下行線隧道收斂最大12.60mm（XSL 10-2019 年8 月18 日）的變形。隧道收斂變形減小主要發生在隧道外注漿期間，通過對近側上行線隧道外的西側注漿（東側地下管線太多無法實施)，本次注漿在上行線西側布設兩排注漿孔，歷時1 月，有效的控制與減小了隧道收斂的變形，其中上行線隧道收斂減小23.04mm（SSL09）的變形，上行線隧道收斂減小6.80mm（XSL10）的變形。

2.3.3 自動化收斂變形與人工比對分析

為了進一步驗證自動化收斂測量成果的可靠性，本次采用同環人工監測數據進行比對，人工采用簡單的直接量取法，分別從兩側直徑上方接縫中間位置A 或A′向下量取取813mm（直徑為5.5m）的弦長即為水平直徑一端的位置B 和B′見下圖2，同時布點時與自動化收斂布置于同一斷面。測量采用徠卡TS60 高精度全站儀對于注漿范圍內的收斂點進行持續的跟蹤與測量，以同時段的人工與自動化收斂成果比對如下圖3，注漿前比對圖4 人工與自動化累計變形量基本一致，差值0.2～-1.6 mm。

圖2 人工收斂布點示意圖

圖3 注漿前人工收斂與自動化收斂比對曲線圖

圖4 注漿期間人工收斂與自動化收斂比對曲線圖

2019年9月15 至10月13日，共完成上行線西側3.0與3.6 m 兩排共56 孔，注漿期間變形比對圖3。人工與自動化累計變形量基本一致，差值0.0～-1.6 mm。

3.收斂監測系統優勢

（1）自動化收斂監測系統可實現實時化跟蹤測量，在系統內可配置測量頻率，最快達到1 秒一次，可以根據需要提供實時的監測數據，特別是微拔動注漿時，可以根據動態的變形不停的調整注漿的參數，從而達到最優的施工方式，以達到保護與控制隧道變形的雙重目標[3]。

（2）自動化收斂監測系統相對精度更高，因測量的樣本更多，激光測距儀的標定精度為±1mm，算術平均值中誤差為觀測值中誤差的1/，n 為觀測次數，因此多次的同一精度的觀測次數，可以達到或超過規范要求的監測標準。

（3）自動化收斂監測系統效率更高，龍其是上海地鐵的監護測量中，上海地鐵受平時客運時間，節假時調整，夜間作業的天窗時間不斷的受到擠壓，所以人工夜間作業的時間在不斷的減少，而自動化系統不受此限制，效率更高。

（4）客觀約束條件較少，本系統所組成的硬件均較小，隧道內安裝較方便，同時結互聯網通訊技術，能夠實時控制測量，使用方便。

（5）自動化收斂監測系統可更直觀的展示所監測的測值，并為后續的成果利用與開發提供了一定技術支撐。

4.結論與建議

自動化收斂監測系統在隧道監測中是一種常用技術。自動化收斂技術主要是通過監測隧道周圍的土層、建筑基礎、橋梁等結構物的運動變形，自動分析隧道的變形情況。該技術可以通過傳感器、數據采集儀、數據聯網平臺等硬件設備，實現監測數據自動傳輸，并運用自動化技術對監測數據進行分析和預測。自動化收斂技術可以有效地監測隧道的運動變形情況，并及時發現隧道變形的問題，進而對問題進行追蹤和矯正。該技術可以提高隧道的安全性，保證隧道的正常使用，減少因隧道變形帶來的安全隱患和經濟損失。除此之外，自動化收斂技術還可以使監測工作自動化、數字化，提高數據采集和處理的效率和精度，降低了人工監測成本，提高了管理效率[4]。

（1）本文中的自動化收斂監測系統主要運用于地鐵監測的項目中，該系統可以真實，有效實時的反映隧道的變形，為在保護區基坑項目中有效的控制運營地鐵隧道的變形提供了變形的依據。因此，自動化收斂監測系統在此類項目中具的好的運用前景，特別是在地鐵隧道外微擾動注漿加固的項目中。

（2）通過工程案例，結合自動化收斂監測系統所取得的數據與人工監測數據比對分析，表明自動化收斂監測系統真實可信，且具有多方面的效率優勢與成本優勢，結合當前智能科技不斷更新與發展，未來自動化收斂監測系統可以得更好的運用，可完全代替傳統的人工測量手段。

（3）自動化收斂監測系統的更新與發展，可以更多的增加展示端的方式，如手機APP，大屏展示等，再結合設備的小型公，輕便化，智能化等，在上海地鐵保護區監護項目及其他涉及隧道收斂監測中得到更多的發展。