基于两台测量机器人共组自动化系统在地铁安全保护监测中的实践

摘 要：新建基坑工程临近地铁运营线路时易导致地铁隧道结构产生水平、竖向、扭转等变形，降低列车安全运营指标，严重时影响地铁结构稳定及行车安全，因地铁运营时段人工监测无法保证在隧道内高频次实施，故采用测机器人全程自动化监测可实时监测地铁结构（轨道）三维空间变形关系，从而实现施工过程中现场施工、保护监测及地铁运营等各方动态管理、协调目的。

关键词：测量机器人；地铁保护；实时监测

0.引言

地铁建设经过“洞通”、“轨通”、“电通”、“车通”四部曲后进入运营阶段，承载着长期安全运送乘客的交通功能，然随时间推移，不可避免的出现地铁车站或隧道外部地下空间开发建设的作业，这便对运营地铁的结构安全存在不可定量预测的形变影响，而地铁结构允许承受的变形量为毫米级，变形超标可能影响地铁安全运营，甚至产生严重的安全事故，因地铁运营及调试等原因，传统的人工监测无法保证在运营隧道内高频次实施，也无法满足即时分析处理数据、实时准确反馈监测信息和保证施工过程中现场施工、保护监测及地铁运营等各方动态管理、协调的目的，为此，重要的外部作业[1]施工全程需采用自动化监测设备实时监测地铁结构（轨道），以掌握地铁结构变形程度及发展趋势，进而优化施工。

1.工程概况

某基坑项目长度230m，宽度150m～194m，深度13m，采用放坡+钻孔灌注桩+预应力锚索联合支护以及坑外管井降水方案，在基坑东侧是地铁盾构区间，围护桩外皮距地铁右线结构外皮约8m，距左线结构外皮约20m～43m，垂直投影对应地铁里程K3+238～K3+450，该段地铁盾构区间为曲线段、潜覆土，半径R=700m、拱顶埋深13.49～14.33m，工程地质从上到下依次为杂填土、粗砂、砾砂、圆砾。

2.变形分析预测

临近地铁侧的深基坑工程施工通常会打破基坑周边土体初始应力状态使之发生改变，尤其是基坑开挖阶段，受土体卸载和降水的影响易造成周边地层损失及地层内部含水渗出，引发周边土体变位，进而导致地铁隧道结构随周边土体变位而发生水平、竖向、扭转等变形，其中过大的结构水平位移、纵向不均匀沉降和横向差异沉降会严重降低地铁安全运营指标，甚至引起道床与结构的分离、轨道设备几何形变，严重时产生吊板、暗坑、三角坑等病害，易造成列车冲击、摇晃甚至脱轨，产生安全事故[2]。

3.方案设计

根据工程项目实际情况，基坑开挖、地下结构施工、基坑回填及地面结构施工至地上4层共计13个月，采用2台莱卡TCA2003（标称精度：0.5″，1+1ppm）测量机器人对地铁区间右线实时监测，同时采用人工监测定期校核，人工监测点位与自动化监测点位同里程断面。

图3 自动化与人工监测点位布置断面示意图

3.1 监测范围

工程直接影响区里程K3+238～K3+450两端各延长约20m，即监测范围为地铁里程K3+218～K3+470；

3.2 监测项目

隧道结构的（差异）沉降、水平位移及径向收敛，地铁道床的（差异）沉降、水平位移监测项目。

3.3 测点布置

直接影响区每10米设置一处监测断面，两端延伸区每20米设置一处监测断面，布点断面详见图3，共设置24处监测断面，详见图1。

3.4 监测频率

（1）自动化监测阶段

正常情况下基坑土方开挖阶段1次/4小时，主体结构施工阶段1次/8小时，当监测预报警或施工异常时加密监测频次。

（2）人工监测校核控制

人工监测初始值与自动化监测初始值同日确定，而后每15天定期监测，与自动化监测数据比对、校核，当监测预报警或施工异常时加密监测频次。

3.5 监测数据处理

采用武汉大学开发的“自动变形监测后处理系统”首先对原始数据进行基准点及连接网点的严密网平差，使2台仪器通过连接网点建立联系，进而调整仪器三维坐标参数，再通过调整后的仪器参数对各监测点数据分别进行差分平差和严密网平差，得出各监测点位精确数据，最后对本期数据与初始和上期数据对比，进而计算出累计变形量和当期变形量。

3.6 变形控制标准

结构和道床的竖向位移监测项目累计控制值6mm、速率1mm/天，水平位移监测项目累计控制值6mm、速率1mm/天，纵向差异沉降累计控制值4mm/10m、速率1mm/天，横向差异沉降累计控制值2mm、速率1mm/天，结构径向收敛累计控制值4mm、速率1mm/天。

3.7 变形控制标准管理制度

3.8 信息反馈管理

在本地智能采集系统的基础上，增加无线传输模块，利用无线Internet网进行采集控制和数据传输，监控主机接入Internet网实施远程数据实时采集、数据分析和变形监控，从而实现监测信息即时反馈，达到现场施工、保护监测及地铁运营等各方动态管理、协调的目的。

3.9 其他说明

（1）自动化监测系统中4处基准点分别选取在监测范围外30m处的隧道结构侧壁，两台测量机器人分别布置在里程K3+283和里程K3+293处结构侧壁，两仪器间通过6处连接网点联通测量控制网，连接网点成对出现在结构两侧壁，里程分别为K3+310、K3+333和K3+373，详见图1。

（2）根据误差传播理论，在100米内使用0.5″、1mm+1ppm的全站仪，观测精度可以保证在1mm 以内，当测站和观测点强制对中时，对提高观测精度有利。

4.监测数据分析与施工优化

基坑整体从北至南分层开挖，6月26日基坑东侧整体土方开挖深度约-3m，7月22日基坑东侧整体土方开挖深度约-5m，7月30日基坑东侧整体土方开挖深度约-8.5m，该阶段开挖速度较快，对地铁隧道造成整体隆起变形，如图4所示。

图4 S01～S24监测点位-沉隆变形曲线图

由图4变形曲线图反映，基坑东侧挖深-3m时隧道结构基本稳定，挖深-5m时S01～S24监测点位呈现隆起变形且趋势一致，总体来讲地铁隧道北段S02～S08隆起量较南段大，这与基坑由北至南开挖顺序相符，待基坑挖深-8.5m时S01～S24监测点位整体呈现明显的“凸”字形隆起变形，最大变形点位S12隆起量3.04mm，至8月16日基坑挖深-10m首次出现单点隆起量4.0mm接近黄色报警值时，基坑停止开挖直至8月30日复工，通过近10天自动化监测数据分析，基坑停挖后因“时空效应”隧道不能立即终止变形趋势，隆起变形持续约7天后终止，截止8月26日监测点S12最大隆起值为4.16mm，S12最大水平位移值为1.78mm，与人工监测校核点位S12′变形一致。

变形主要因为基坑开挖过快，基坑壁侧向水平变形引起隧道上方土体松散，隧道底部土体应力释放引起隧道隆起变形，加上降水施工使得地下水位下降，隧道上方原地下水重量消失造成隧道上方压重不足，两因素造成的隧道隆起变形叠加。为利于下步施工对地铁隧道变形控制，指导施工单位优化三项施工措施，并在后续监测中进行验证：（1）基坑开挖施工应分段并间隔两段进行，分段长度沿地铁线路纵向不超过25m，横向不超过30m，挖出土方反压在相邻段上；（2）继续降低地下水位至隧道中腰位置或以下，减少地下水对地铁隧道的浮力作用；（3）合理组织各施工步序，加快结构施工进度，地下室主体结构施工完成后尽快组织结构与支护桩之间的缝隙回填。

5.隧道变形控制效果

图5显示地铁隧道隆起变形在2012年7月15日至8月20日急剧增长后，通过采取以上3项施工措施可有效控制隧道继续隆起变形，最终隧道整体隆起呈现“凸”字形，稳定值在4mm以内，满足地铁运营管理部门要求。

图6显示地铁隧道水平位移变形控制良好，最终隧道整体水平位移也呈现“凸”字形，监测点S12仅在沈阳冬期冻胀阶段略接近4mm，其余时间节点均控制在4mm以内，满足地铁运营管理部门要求。

6.结论语

采用两台莱卡TCA2003测量机器人通过6处连接网点建立的自动化监测系统精度高且稳定可靠，解决了常规人工监测频次低的难题，弥补了单台测量机器人无法高精度监测长距离隧道变形的不足，通过实时采集监测、即时分析处理数据，为项目成功提供了充足的数据保障和决策依据，通过建立的现场施工、保护监测和地铁运营各方的联动机制，及时优化了施工步序、开挖方法、工程进度和调整了列车运营速度管理，从而实现信息化动态施工管理。

参考文献

[1] CJJ/T202-2013.城市轨道交通结构安全保护技术规范.[S].中国建筑工业出版社.2014.3：2，1-19.

[2] 李鹏、徐顺明.ADMS测量机器人系统在深圳地铁监测设计与实践[J].2012（3）：112-116.

[3] GB50911-2013.城市轨道交通工程监测技术规范 [S].中国建筑工业出版社.2014.5：31，57-58.

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【文章编号】1006-2688（2016）09-0033-03

【作者简介】陈铖（1981-），男，江苏徐州人，2014年3月在职研究生就读于中国矿业大学，工程硕士。2011年获得中级工程师职称。现就职于徐州市城市轨道交通有限责任公司，主要负责安全、质量监督及工程验收。