既有线车站及区间隧道保护的自动化监测技术应用分析*

郑 艳，金 鑫，侯林锋，余小柳

(1.广东工贸职业技术学院 测绘遥感信息学院，广东 广州 510510；2.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

0 引言

为确保佛山市轨道交通三号线换乘车站桂城站施工期间其上方的广佛线的运营安全，采用自动化监测系统对既有地铁结构的变形进行了动态实时监控。考虑到佛山市地铁三号线桂城站地质条件差、周围环境复杂的项目特点，施工监测采用测量机器人自动化监测、第三方监测采用静力水准自动化监测两种不同方法对换乘车站进行监。

1 工程概况

桂城站为佛山三号线的第二十五座车站，是三号线与已运营广佛线的换乘站。车站有效站台中心里程为BK53+018.727，设计起终点里程为BK52+879.427～BK53+090.827。车站为地下三层12 m岛式车站，全长211.4 m，标准段宽为20.9 m，车站基坑开挖深度为24.22～26.27 m。

本车站基坑开挖深度范围内的岩土层划分为8大层(各层内可再细分亚层)，岩土分层自上至下分别为：(1)素填土、(2-1B)淤泥质土、(2-2-1)粉细砂、(2-1A)淤泥、(2-4)粉质粘土、(3-1)粉细砂、(3-2)中砂、(3-3)砾砂、(5N-1)粉质粘土、(6)全风化碎屑岩、(7)强风化泥质粉砂岩、(8)中等风化泥质粉砂岩。

车站揭露的软土层具有高含水量，透水性差，低强度，高压缩性、灵敏度高的，容易引起压缩沉降，松散状砂土中等液化，压缩性大，导水作用强，结构强度差，容易引发基坑失稳。

车站附近无地表水分布，地表水文地质条件简单。由于本车站砂层普遍分布，地下水丰富，地层渗透性好，所以主要影响为地下水。地下水位的变化受地形地貌和地下水补给来源等因素控制，地下水位埋深较浅。每年4～10月为雨季，大气降雨充沛，水位会明显上升，而在冬季因降水减少，地下水位随之下降，水位年变化幅度为2.5～3.0 m。地下水类型按赋存方式主要为砂层孔隙承压水和基岩裂隙水。砂层孔隙承压水赋存于砂层之中，水量丰富，渗透性中等～强；基岩裂隙水，赋存于强～中等风化基岩中，水量较少，渗透性弱～微透水。综合所述，本车站场地水文地质条件复杂程度中等。

2 风险源识别

2.1 换乘节点与既有线距离太近，且因历史原因未完成施工

佛山轨道交通3号线与既有广佛线桂城站为十字交叉换乘，在车站负三层进行节点换乘；按照广佛线桂城站的原设计方案，该换乘节点为广佛线完成施工并预留。但在广佛线桂城站负三层结构施工时，发生漏水漏砂；在结构仅完成一半情况下，施工方将换乘节点临时回填。因此，三号线桂城站二次开挖换乘节点风险高，施工难度大。

2.2 换乘节点埋深周边的地层围岩等级差

换乘节点为地下负三层结构，埋深约17～22 m，周边的地层为(3-1)粉细砂、(3-2)中砂、(3-3)砾砂、(5N-1)粉质粘土、(6)全风化碎屑岩、(7)强风化泥质粉砂岩等；一方面工程性质差，另一方面既有广佛线桂城站施工时土方开挖、漏水漏砂时注浆抢险等对周边地层扰动较大，导致该部位工程地质风险较高。

2.3 既有广佛线的桂城站正常运营，对换乘节点施工前的注浆及后续的开挖施工要求更高

为保证既有广佛线的正常运营，要求换乘节点的施工安排在运营结束后的夜间，一方面安排相关人员进入广佛线桂城站的轨行区进行人工巡视，另一方面采用全自动机器人和静力水准进行自动化实时监测。但技术手段都有一定的局限性和滞后性，故对施工前的注浆施工及后续开挖施工在工艺方法和施工参数选择上都具有超前性，避免出现较大偏差影响既有广佛线桂城站的正常运营。

3 自动化监测方案及实施

根据要求，本项目采用徕卡TS30测量机器人和HD-2NJ103静力水准仪两种不同仪器对换乘车站进行监测，将两者的监测数据进行对比分析，现简要介绍一下这两种自动化监测手段的原理及实施[1-4]。

3.1 基准点布置

在地铁桂城站受施工影响区域外的地铁隧道左右线两端分别布设4个基准点，共8个基准点，它们分布在离施工段较远，受基坑施工影响较小的稳定区域。监测点在整个监测过程中都必须保持良好的稳定性且不易被破坏。

3.2 监测点布置

监测断面的设计为：既有地铁广佛线桂城站换乘节点及两侧50 m范围的既有线结构。

本项目拟于换乘节点地铁一号线左右线隧道各布设17个监测断面，施工影响区域每个断面间隔约5～10 m，共34个断面，每个监测断面分别布设4个监测点。

监测点的布设情况见图1。

图1 监测点布设现场照片

3.3 静力水准自动化监测

本项目采用晶硅式静力水准仪自动化监测，晶硅式静力水准仪是一种差压式的传感器，利用各个监测点之间的压力值的变化计算出沉降量，传感器精度高，体积小、量程大，在其量程之内，静力水准仪可以随着地面走势安装而不需要调平，全密封结构可以埋设于地下方便道路交通。静力水准传感器如图2所示。

图2 静力水准传感器

3.4 监测项目及监测点数量统计表

本工程的监测范围上下行线隧道区间监测总长度110 m，根据设计要求和规范，确定本项目监测项目、测点布置和精度要求，如表1所示。

表1 监测项目、测点布置及精度要求

4 监测结果分析

4.1 监测概况

桂城站地下连续墙动工日期为2017年8月11日，2018年7月基坑开挖，至2019年5月底板全部浇筑完成。为了解地下连续墙施工及基坑开挖期间对广佛线桂城站的影响，需对桂城站进行监测，达到信息化施工，为地铁运营安全保护措施提供依据。

4.2 监测项目报警值、控制值及监测预警分类

根据设计要求、相关规范，确定各监测项目报警值及控制值，如表2所示。

表2 隧道结构安全控制指标

4.3 监测数据分析

4.3.1 隧道结构水平位移监测

根据施工进度于2017年7月23日进行首次观测，至2019年6月10日，所有测点累计位移最大监测点是S17-1，累计位移值为1.76 mm，最后一个月的平均变形速率为0.009 mm/d；累计位移最小监测点是S12-3，累计位移值为0.01 mm。各观测点没有发现异常变形，累计位移量未超过设计报警值(4.25 mm)和控制值(5 mm)。

4.3.2 下行线水平位移监测

根据施工进度于2017年7月23日进行首次观测，至2019年6月10日，所有测点累计位移最大监测点是X5-2，累计位移值为1.79 mm，最后一个月的平均变形速率为0.006 mm/d；累计位移最小监测点是X4-3，累计位移值为0.04 mm。各观测点没有发现异常变形，累计位移量未超过设计报警值(4.25 mm)和控制值(5 mm)。

4.3.3 隧道结构竖向位移监测

1)上行线竖向位移监测。根据施工进度于2017年7月23日进行首次观测，至2019年6月10日，所有测点累计沉降最大监测点是S8-1，累计沉降值为-1.96 mm，最后一个月的平均变形速率为-0.001 mm/d；累计沉降最小监测点是S10-2，累计沉降值为0.04 mm。各观测点没有发现异常变形，累计沉降量未超过设计报警值(8.5 mm)和控制值(10 mm)。

2)下行线竖向位移监测。根据施工进度于2017年7月23日进行首次观测，至2019年6月10日，所有测点累计沉降最大监测点是X8-4，累计沉降值为-1.94 mm，最后一个月的平均变形速率为-0.013 mm/d；累计沉降最小监测点是X1-2，累计沉降值为-0.07 mm。各观测点没有发现异常变形，累计沉降量未超过设计报警值(8.5 mm)和控制值(10 mm)。

4.3.4 隧道结构收敛监测

1)上行线隧道结构收敛监测。根据施工进度于2017年7月23日进行首次观测，至2019年6月10日，所有测点累计收敛最大监测点是JGC-02-26，累计收敛值为2.50 mm，最后一个月的平均变形速率为-0.013 mm/d；累计收敛最小监测点是JGC-02-19，累计收敛值为0.10 mm。各观测点没有发现异常变形，累计收敛值未超过设计报警值(4.25 mm)和控制值(5 mm)。上行隧道收敛累计计量曲线如图3所示。

图3 上行隧道收敛累计计量曲线图

2)下行线隧道结构收敛监测。根据施工进度于2017年7月23日进行首次观测，至2019年6月10日，所有测点累计收敛最大监测点为JGS-02-01，累计收敛值为2.70 mm，最后一个月的平均变形速率为-0.006 mm/d；累计收敛最小监测点为JGS-02-09，累计收敛值为0.10 mm。各观测点没有发现异常变形，累计收敛值未超过设计报警值(4.25 mm)和控制值(5 mm)。下行隧道收敛累计计量曲线如图4所示。

图4 下行隧道收敛累计计量曲线图

4.3.5 车站顶部沉降监测

根据施工进度于2017年9月1日进行首次观测，2018年7月基坑开挖，至2019年6月10日，开挖期间所有测点累计沉降最大监测点是CJ30，累计沉降值为-2.95 mm，最后一个月的平均变形速率为-0.019 mm/d；累计沉降最小监测点是CJ2，累计沉降值为-0.26 mm。各观测点没有发现异常变形，累计沉降量未超过设计报警值(10 mm)和控制值(12.5 mm)。

4.3.6 站厅层沉降监测

根据施工进度于2017年9月1日进行首次观测，2018年7月基坑开挖，至2019年6月10日，开挖期间所有测点累计沉降最大监测点为JGC-02-50，累计沉降值为-2.70 mm，最后一个月的平均变形速率为0.001 mm/d；累计沉降最小监测点为JGC-02-13，累计沉降值为-0.13 mm。各观测点没有发现异常变形，累计沉降量未超过设计报警值(10 mm)和控制值(12.5 mm)。站厅层沉降观测累计计量曲线图如图5所示。

图5 站厅层沉降观测累计计量曲线图

4.3.7 既有线换乘节点监测

2019年6月14日桂城站既有线换乘节点开始水平注浆，7月17日水平注浆施工完成，东西侧各注浆24个孔，累计共48个孔，注浆时间为广佛线晚上停运后至次日早上5点左右。8月6日开始进行换乘节点负三层洞门破除及土方掏挖，9月15日桂城站既有线换乘节点全部施工完成。

广佛既有线桂城站轨行区第三方监测安装自动化静力水准进行监测，施工监测按照测量机器人进行监测，自动化监测手段优点为：仪器设备灵敏、监测频率高、监测精度高、施工过程中对既有线的变形影响反应效果好。

换乘节点施工过程中，施工监测与第三方监测24 h现场值班，实时观测轨行区变形情况，在注浆及泄水过程中通过自动化监测多次发现变形趋势，施工单位根据监测数据及时调整施工参数或工艺，对既有线换乘节点的安全施工起了重要作用。

自动化监测数据见图6。

图6 自动化监测数据

5 工程实施效果

由于既有线车站及区间隧道白天均在运营期间不利于人工监测工作的开展，给监测工作带来极大的不便，而自动化监测技术可以较好地解决上述问题，且自动化监测相对于人工监测的优势异常明显，所以在既有线的风险防控中，自动化监测是不可替代的监测手段。

通过监测工作的实施，掌握在工程施工过程中影响范围内的既有线车站结构、轨道结构、区间隧道及附属通道结构的变化，为建设方及运营方提供及时可靠的数据和信息，评定施工对既有线结构和轨道的影响，为及时判断既有线结构安全和运营安全状况提供依据，对可能发生的事故提供及时、准确的预报，使有关各方有时间做出反应，避免恶性事故的发生，确保既有线安全运营。

6 结论

通过测量机器人和静力水准远程自动化监测在本工程中的具体应用可以发现：基于测量机器人和静力水准的自动化监测系统，具有简便灵活、无人值守、 实时动态的监测特点，克服了传统测量方法的不足，极大地提高了工作效率。 监测系统为基坑开挖提供了准确、及时的监测数据，是运营地铁隧道变形监测的有效手段。

测量机器人自动化监测和静力水准自动化监测具有以下优势[5-6]：

1)无人值守，完全自动。系统能对各个监测点进行全自动(定时或连续)长期监测，无论酷暑严冬、刮风下雨、白天黑夜从不间断，不丢失信息。

2)监测精度高。系统能以目前大地测量方法所能达到最高精度—毫米级精度测定监测点的位移，对尽早发现异常，分析变形规律，将灾害消灭在萌芽状态以及确切进行预警和预报非常必要。

3)实时处理，可视化显示。系统经计算机采集的数据是实时处理和可视化显示的，测量结果是实时处理，保证真实再现现场情况，便于洞察变化趋势，能给领导决策提供科学依据。

4)可靠性高，运行成本低。系统构成主要由全站仪、计算机和它们之间的通讯、供电电缆组成。故障率低，维护比较方便，运行成本较低。

5)监测精度高(可达0.1 mm)，在测量竖向位移方面精度优于测量机器人。

6)结构简单，静力水准系统、传感器安装方便；液体介质采用特殊溶液，具有防冻、防霉、不挥发等特征，提高了系统的可靠性。

7)在风险较高的外部影响施工地区，采用测量机器人加静力水准自动化监测系统可以更好地控制施工风险，信息化指导高风险阶段的施工，确保现场施工安全风险可控。