地铁隧道变形监测技术及分析预报方法研究

凌邦富

摘 要：随着城市地下轨道交通网的建设和发展，建设运营中的隧道可能会在多种因素的影响下发生不同程度的变形，传统的人工变形监测技术无法满足工程的实际需求，利用测量机器人对隧道工程进行实时的自動监测可为隧道工程的建设和后期维护提供可靠的数据参考。本文主要以地铁隧道的变形监测为核心，围绕变形发生的原因、监测内容、监测技术、自动监测的应用、数据处理等内容展开相关讨论。

关键词：隧道工程；变形监测；三维监测技术；数据处理

1 概述

经济的发展，社会的进步，离不开交通运输行业的支持，随着我国城市化进程的不断加快，社会对交通运输行业的要求越来越高，而在人均占地面积不断减小的情况下，发展交通运输业，只能依靠地下隧道交通运输的发展。地铁隧道工程在建设中和建设后，可能会由于自身结构、地质、水体、临近地区施工等因素的影响，发生隧道裂缝、变形等危及隧道安全的病害，因此对地铁隧道进行实时的、长期的变形监测以便及时发现险情，保障隧道运营的安全性是十分必要的；地铁隧道的变形监测不仅可为地铁的安全运营提供可靠保障，还能为今后地铁工程的修建及周边工程的施工提供重要的参考价值。

2 地铁隧道变形监测

2.1 地铁隧道变形原因

2.1.1 轨道结构变形

地铁隧道变形包括轨道结构变形和隧道结构变形两种形式。其中轨道结构变形的主要原因是列车荷载长期对轨道产生反复作用，使轨道发生几何偏差，进而影响轨道的平整性和顺畅性；除列车荷载作用外，隧道周边建设施工的卸载、负荷、加载也会引起道床的不均匀沉降，这种沉降同样会影响轨道的平整度及顺畅性。对于铁路来说，地铁运行车辆重量较轻、速度低，轨道和车辆行走部分的变形一般不会引起地铁事故，但轨道变形造成的不平顺可能会导致列车发生不正常振动，这会降低列车运行的稳定性，减少用户的舒适度，更重要的是会加快轨道结构部件的损坏速度，从而间接影响列车的行车安全。

2.1.2 隧道结构变形

地铁隧道结构变形发生在施工阶段和运营阶段，在施工阶段，地铁暗挖隧道工程是在岩土体内部进行的，在开挖过程中对地下岩土的扰动是不可避免的，这就破坏了地下岩土体原有的平衡条件。隧道开挖时，地层初期受到的影响较小，发生的形变也是微型形变，随着开挖的不断深入，变形会极具增大，然后又趋于缓慢。因此，在隧道开挖过程中应对隧道的拱顶下沉量和地表的下沉量进行检测，以便于对隧道结构的稳定性和开挖工程的安全性提供分析依据。地铁隧道开挖引起的地层变形是一个漫长而缓慢的过程，无论是浅埋暗挖法，还是盾构法，在工程完工投入使用后，都会不同程度的发生整体下沉的现象，尤其是工程处于软土层中时下沉现象更加明显。交通对于经济发展具有促进作用，地铁隧道的建设同样也会促进周边地区建筑行业的发展，地铁隧道附近和隧道上方基坑施工逐渐增多，大规模的交通线网也不断得以建设。在交通网线相互交叉穿越时，新工程的开挖会对既有地铁隧道的受力状况产生影响，原有的受力平衡被破坏，地应力不得不重新分布，由此也引发了地铁隧道的变形。

2.2 地铁隧道变形监测内容

地铁隧道变形不仅会影响列车运行的稳定性，还可能对整个工程及其临近工程的结构造成影响，因此做好地铁隧道变形的监测工作，对于维护地铁隧道工程的安全具有实际意义。在实际的监测过程中，不同阶段的监测任务不同，施工阶段主要监测的内容包括工程支护结构、结构自身的稳定性、变形区的地表情况、建筑物情况、管线及其他相关环境；隧道投入使用后监测的主要内容则为隧道运营情况和周边建设情况对隧道轨道、道床和建筑工程结构，同时还应对运营地区附近的地表、建筑、管线等相关情况进行实时监督。对工程施工阶段和投入使用后阶段的变形情况进行分析后，可知施工、使用后期间的隧道结构变形情况、施工阶段的支护结构变形情况、投入使用后轨道、道床的变形情况都属于被监测对象。

2.3 地铁隧道变形监测技术

2.3.1 传统监测技术

传统监测技术是利用水准测量仪的检测功能对隧道结构的变形情况进行监测，主要对隧道变形区域的断面进行监测。该法在实际使用过程中存在一系列不足：

首先，该法无法使用先进的远程测量技术，在监测过程中不得不打断监测区内的列车运行；

其次，地铁隧道内可视性差，空间受到限制，运行环境复杂，给监测的安全性和监测质量造成了不利影响；

最后，监测点数量受限，若设置监测点过多，不仅会增大工作量，还会延长监测周期的长度，无法准确的反映出变形的真实情况；若设置监测点过少，无法根据有限的数据得到较为精准的变形趋势，这对后期的隧道结构的变形负荷分析是极为不利的。传统的监测技术已经无法适应现代社会的需求，新型的监测技术急需被研发使用。

2.3.2 三维变形监测技术

三维变形监测技术也被称为激光雷达技术，该技术在实际测量时可完全摆脱人工操作，被监测物体的几何图像的排列情况由扫描棱镜中放射的激光点云中获得，通过激光的快速测距功能，建立物体的三维空间模型。当三维变形检测技术在没有发射棱镜的情况下，能以最低10万个点每秒的速度获得某个监测点的三维坐标。检测方法如下：

首先在被监测区域内沿着轨道中心线设置环形闭合测量控制网；

然后在隧道中心后设横断面，间距为3m，将反射标靶分别设置在墙壁垂线、穹拱、地铁路基上，以便于三维激光扫描收集点云；

最后，隧道的三维模型的确定则需要通过数据、连接、存储等数据处理方式实现，这一系列的操作是建立在曲线曲面的非均匀有理B样条曲线表面函数基础上的。

对于地铁隧道的变形监测来说，24h不间断监测是保障隧道结构和地铁安全原型的有效手段；但地铁运行的密度较为密集，若能在不打断地铁运行的情况下，保障测量人员的安全，同时还能保障测量结果的有效性则需要通过测量机器人的协助才能实现以上目标。测量机器人利用远程自动检测系统可对地铁隧道的结构、墙壁垂线、隧道路基等实施不间断监控，监控周期段，可在短时间内为工作人员提供地铁隧道运行的安全状态。

3 地铁隧道变形监测分析及预报方法

3.1 测量机器人的布设

利用自动电子全站仪（ETS）进行隧道变形监测，该检测设备也被称为测量机器人，是一种可自动对目标进行搜索、辨认、追踪和校准的三维坐标的智能型监测设备，观测点采用全站仪自由设站的原则对隧道变形观测点进行全程监测。在观测点上放反射片，增加感光率，提高观测数据的准确性，其余观测任务则由测量机器人在软件的控制下自动完成。通过对观测周期的调节设定，可观测不同时期的数据，然后利用计算软件对不同周期的三维坐标值进行处理，最终获得观测点的三维坐标异动情况，并以△x，△y，△z表示。在对隧道变形进行监测时，测量机器人的设站方法如下：将观测墩放在第一个铁轨的外面，测量机器人被用底座固定在观测墩上，外侧用玻璃罩保护，观测站安装反射片的数目控制在6-16片，安装区域分布在墙壁垂线、穹拱、轨道固定点和轨道排水渠各处，在监测过程中，所有的坐标数据均由测量机器人自动采集，然后通过数据线传输到控制服务器上。

3.2 基准点及工作基点的设置

对隧道工程进行变形监测时，通常将监测基准点放在车站内，如带有强制归心装置的观测墩处，左侧出入段和左线各设置3个阶段点，定期对基准点进行检测，确保监测结果的可靠性。工作几点布设时，可在监测范围内中部的隧道侧墙上设置托架，长度为400mm，左出入线段和左线分别设置1个工作基点；变形监测点可按要求的断面进行布设，每个断面在轨道附近的道床上布设两个监测点，共设置六个观测断面，对每个观测点配备反射棱镜，棱镜反射面指向工作基点。

3.3 数据处理

3.3.1 变形数据处理方法发展现状

地铁隧道变形监测的主要目的是通过采集隧道结构的变形数据，了解隧道和轨道的运行情况，以便于及时发现问题，防止重大安全事故的发生，同时为后期的工程提供参考价值。因此，对监测数据的处理，并根据数据得出变形规律，进而做出科学的预报是监测工程的关键所在。由于现在的监测手段不断发生变化，已经由传统的单一监测模式发展至点、线、面结合的立体交叉多元监测模式，采集的数据也由离散型转向连续性，因此对数据的分析预报也应该由静态分析转向动态分析。在时间序列、回归分析、人工神经网络、灰色系统、卡尔曼滤波和小波分析等多种智能分析方法的应用，极大的推动了变形动态模型的发展和应用。

3.3.2 卡尔曼滤波算法

卡尔曼滤波算法是Kalman在滤波理论的基础上提出的一种时域上的状态空间分析方法，在该算法中，动态系统的描述通过状态方程实现，状态观测信息通过观测方法进行分析，结合空间摄影理论，提出的状态估计理论。离散线形系统的卡尔曼滤波模型的状态方程和观测方程可用下式表达：

①Xk+1=φk+1，kXk+ψk+1，kUk+1+Γk+1，kΩk+1

②Lk+1=Bk+1Xk+1+Gk+1Uk+1+Δk+1

X为状态向量，L为观测向量，U为控制向量，φ为状态转移矩阵，ψ为时刻控制矩阵，B为观测矩阵，Γ和G为随时间变化的系数矩阵，Δ是观测噪声，Ω是动态噪声。下角标为“k”，表示该数据为在tk时刻所测得的数据，角标为“k+1”时，则为tk+1时刻所测得的数据；当角标为“k+1，k”时，表示该数据由k时刻至k+1时刻时间段内所测得的数据。卡尔曼滤波模型的建立基础是假设离散线形系统的观测噪声和动态噪声都为零均值白噪声，且二者之间不存在必然联系，在此模型的基础上可推导出吕尔曼滤波方程以及预报方程。

3.3.3 时间序列分析算法

在分析随机数据序列时，时间序列分析法是一种有效的处理方法，该法通过分析一组时序相关的数据序列，找到时间对数据的影响规律，然后在此基础上对数据的变化趋势做出分析和预报。时间序列分析算法已经广泛应用于经济、气象、天文和测绘等多个领域。若时间序列{xi}为平稳、正态、零均值，其取值受到前面时间序列和对应噪声值的影响，按照多元线形回归思想即可得到该时间序列的模型，对模型进行不同条件设定时，可分别获得自回归模型和滑动平均模型的表达形式。

3.3.4 数据处理系统

数据处理系统的主要功能是绘制变形过程的曲线、数据的后处理、数据报表、预报警等。实施绘制曲线的功能可使工作人员能够直观、实时的查看工程结构变形情况；数据分析系统则通过有效的处理措施后对测量误差进行减弱或消除；预警系统则对超过参数设定值的数据进行报警，确保工程的施工安全；报警方式可通过声、光方式和短信预警方式，其中短信预警既可以手动操作，也可以自动完成。

3.4 工程应用

对某地铁隧道工程采用三维激光扫描方法进行变形监测，该隧道1号线处有热力管道工程横穿而过，在工程施工过程中对隧道结构造成了一定的影响，变形区域由K3+770至K3+810，在對该区段进行监测时，所得结果如下：隧道结构最大变形点累积变形量得到+1.90mm，轨道最大变形量累积达到+1.86mm，轨道沉降最大值为-0.29mm。根据以上监测结果可知，工程施工对隧道结构和轨道结构的累积变形未超出2mm（变形范围），热力管道工程的施工对该段地铁隧道的结构和轨道没有影响。通过对监测点连续性监测，发现与人工监测方式相比，该监测技术采集数据稳定，其监测精度准确可靠。

4 结语

城市化进程的不断加快导致以人口超饱和、城市绿化减少、建筑空间拥挤、交通阻塞严重为代表的城市综合症越来越严重，尤其是交通阻塞问题，已经严重影响了各大中小型城市的发展。交通阻塞问题的主要原因是城市交通总容量不足，扩建道路是解决交通阻塞问题的有效途径，在城市建筑面积逐渐减少的今天，利用地下轨道扩展交通空间，可有效缓解交通阻塞问题。在地下隧道工程施工过程中和投入使用后，工程结构变形问题不可避免，利用先进的三维监测技术，对地下隧道工程实施快速、高效、准确的变形监测，不仅可为地铁的运营提供安全保障，还可为后期的工程建设提供科学参考。

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