轨道交通沉降监测方法探讨

邓洪建

摘要：轨道交通具有线路长、环境相对封闭、盾构结构易产生变形等特点，尤其是已投入运营的轨道交通线路，长期存在的水平方向或者垂直方向的形变会给其安全运营带来极大威胁，因此需要对轨道交通线路进行长时间、周期性的变形监测，为其安全运营提供数据保障。从技术层面出发，探讨水准测量以及自动化监测设备在已运营轨道交通线路沉降监测中的应用策略，通过沉降监测获得的数据，对沉降的物理原因进行进一步分析，为轨道交通设施的安全运营提供数据支持。

关键词：轨道交通；水准测量；沉降监测；自动化监测

0   引言

地面沉降是指在一定地表面积内所发生的地表面降低的现象，地面沉降作为沿海城市的一种缓变的地质灾害，具有累进和不可逆转的特性，相关影响将长期存在，尤其不均匀地面沉降的危害性极大，可直接导致地上地下构建筑物及设施发生垂直及水平方向的形变，对构建筑物造成安全隐患。在交通领域，地面不均匀沉降会导致轨道交通结构发生断裂、渗水的情况，甚至可能缩短轨道交通使用寿命。基于这种状况，市政相关部门需要定期组织技术团队对轨道交通定期开展变形监测。通过长期的沉降监测，可以准确找出轨道交通隧道的沉降规律，预测变化速率、幅度、范围及可能产生的危害，为各方决策和采取措施提供及时、准确、科学的监测资料，以确保轨道交通的安全运营[1]。

1   沉降监测技术发展现状

地面沉降监测技术是现代基础设施状态监测和维护的重要支撑，地表沉降情况是评价特定构筑物安全性与稳定性的关键参考。近年来，国家相关部门高度重视地面沉降监测技术的创新与运用，在不断完善沉降监测技术规范、优化整合沉降监测技术流程基础上，制定并实施了诸多导向标准，为新时期地面沉降监测技术的实践应用提供了基础遵循，彰显出时代性与技术性。广大工程单位发挥主体作用，在破解传统沉降监测技术难题等方面进行了积极探索，通过技术革新与升级，有效提升了沉降监测数据的准确性，加之硬件技术的配合提升，其技术潜力得以全面挖掘。

依托于系统完善的沉降监测技术方法，可全面详实获取构筑物沉降数据，揭示轨道交通在不同阶段的沉降特征变化，对未来短时期的变化趋向做出研判分析。与当前高标准、高要求的轨道交通沉降监测需求相比，当前地面沉降监测技术水平尚有较大提升空间，监测数据获取、分析与处理的综合实效有待进一步提升，需要准确把握影响监测效果的因素，并分类进行专业技术应对处理。

2   地面控制网沉降监测实现方式

2.1   做好地面控制网布设工作

控制网布设过程中，技术团队需要在市区内重要地标建筑物附近、十字路口处以及轨道交通入口处附近布设城市水准点，将其作为地面沉降监测点。其中，中心城区城市水准点间距离500m左右，周边地区及郊区可视情况放宽距离[2]。

轨道交通线路附近水准点选点应尽可能选在路线附近机关、学校、公园内或其他易于寻找的地方，点位应埋设于地基坚实稳定、安全僻静处，以利于标石的长期保存和观测，要按照《国家一、二等水准测量规范》要求埋设，并绘制水准点点之记。

2.2   做好外业测量与内业数据处理

以基岩点为路线起点和终点，进行水准测量。中心城区采用一等水准测量方法，周边地区及郊区可采用二等水准测量。以基岩点高程为已知点高程，将地面沉降监测线路数据进行平差，得到各个城市水准点的最新平差值。将其与上次监测数据比对，得到各个城市水准点的沉降值，即可掌握城市地面沉降情况。

3   城市轨道站台接测技术方案

地面沉降监测完成后，需要将高程传递到地下，将监测数据作为地下隧道内沉降监测的工作基点。基于这种内在逻辑关系，需要以地面沉降监测网中轨道交通入口处最近的城市水准点，以二等水准测量的方式，将高程引测到事先布置好的站台两侧的工作基点上。进行二等水准测量经过轨道交通入口楼梯段时，水准测量视线高度和视距长度会超限，但由于情况特殊且无法通过有效措施避免，因此对轨道交通入口楼梯段的视线高度和视距长度不作要求，以能正常读数为标准。

4   城市轨道隧道沉降监测技术方案

4.1   做好监测点的埋设

监测点的埋设需基于轨道交通道床种类的不同，根据实际情况选择稳定的地点进行埋设。常规的整体式道床，监测点应埋设在道床轨枕的中间位置，并且应该保证每块整体道床伸缩缝两侧和每块整体道床中间，各有至少一个沉降监测点。浅埋段与敞开段的监测点埋设，要求基本与整体式道床一致。浮置板道床等特殊道床，则应将监测点埋设到道床两侧的对应盾构环片上的稳定位置[3]。

4.2   开展隧道内沉降监测

隧道测量路线沿轨道交通隧道上、下行线布设，相邻轨道交通站台工作基点之间构成附合水准路线。为缩短观测周期，提高精度，宜采用两台电子水准仪分别从上下行进行水准观测。仪器直接假设在铁轨道床上，水准尺使用LED照射灯条进行照明，以适用于轨道交通隧道内昏暗的作业条件。上下行线构成小水准路线闭合环。

隧道路线测量参照二等水准测量的技术要求开展监测，隧道内应将部分监测点纳入到二等水准路线进行往返观测，并固定测站。将该部分监测点作为固定转点，其余沉降监测点则采用中视法进行碎部点测量。某轨道交通沉降监测水准路线如图1所示。

4.3   內业计算主要方法

根据地面控制网沉降监测平差，得到轨道交通车站入口附近的城市水准点高程值、站台上下接测水准路线，对隧道内沉降监测水准路线构成的地上、地下附合水准路线网，进行平差计算，可以求得各个轨道交通地下站台两侧工作基点的本次平差后高程值。再根据平差后轨道交通站台两侧工作基点的高程值，对每个区间的隧道内路线进行平差计算，即可得到隧道内各个沉降监测点本次观测高程值。通过将沉降监测点本次观测值与上次观测值进行比较，即可得到轨道交通隧道内监测点本次沉降量。

5   城市轨道交通沉降自动化监测技术举措

通常轨道交通沉降监测借助德国进口的静力水准设备来完成。通过安装在轨道交通盾构结构环片上的基准点设备、监测点设备和供电箱组成的连通器系统，对轨道交通的沉降情况进行自动化监测，并通过内置的无线通信模块，将沉降数据传导到相应的数据网站上，实现了除安装和维修外无人工干预的自动化沉降监测系统。静力水准设备结构见图2，静力水准系统设备安装实物见图3。

目前轨道交通的自动化沉降监测的技术还不够成熟，其原因有三：一是地铁车辆的运行会导致幅度不小的振动，造成自定化监测设备移位，导致观测数据的不稳定。二是自动化监测设备自身会出现一些质量问题，比如仪器漏液等情况。对此必须进行人工维修，由此导致监测数据的中断。三是由于自动化监测设备的配电箱供电，依靠轨道交通隧道内的供电电源，有时会被地铁工务巡视人员以用电安全为由强行断电，由此导致监测数据的中断。

6  基于时序InSAR技术的轨道交通沉降监测技术应用

6.1   完善监测处理流程

现代轨道交通沉降监测的过程，同时也是对轨道交通地表数据进行采集、分析、处理与运用的过程。该过程可细化分为多个流程环节，通过衔接各流程环节的既定作用，获取轨道交通监测处理的整体效果。

在InSAR原理方面，需要采用雷达等主动式微波傳感器等装置，通过其获取光学信息，对比分析电磁波传输强弱程度等，对目标区域与目标对象进行探测。在实践中，InSAR技术所发射出的微波具有较强穿透性，受外界环境条件的影响相对较弱，不存在其他关联性因素，且具有较强覆盖性，可在更短时间内完成更多数量的沉降监测任务，适用条件较强。

时序InSAR技术首先根据既定监测技术方案，将微波信号发送至目标场景，然后接受目标场景反馈回来的散射能量，最后比对分析返回强度和延时信号等，得出监测结论。通过控制距离向分辨率和方位向分辨率等，可防止监测数据信息变形等问题。

就时序InSAR技术而言，其具体监测处理流程如下：生成SAR影像连接图，设定时间基线与空间基线的阈值范围，保持监测过程中的良好干涉条件，满足监测影像数据两两配对的既定目标需求；即对目标区域范围内的图像进行配对，剔除存在明显偏差的监测数据，并进行往复多次形变反演，计算得出更加准确的形变速率；对监测成果进行编码，将监测数据投影变换到地图系统中，绘制形成监测图线。

6.2   做好轨道交通沉降原因分析

通过分析研判沉降监测数据，可分析出轨道交通沉降的诱发原因，为细化完善后续沉降交通优化控制方案提供基础参考。在当前技术条件下，影响轨道交通沉降的原因是多方面的，地面沉降在垂直方向出现的位移，往往由多类型不同因素叠加而成，只有准确界定各因素之间的权值关联状态，才能更加准确地判断影响因素。

以交通动负荷为例，轨道交通更多情况下需要承受荷载不同强度的动负荷，且动负荷的方向、力度、矢量等差异明显，加之地下水位变化和工程地质条件等因素影响，最终对轨道交通沉降造成的影响幅度则各不相同。

6.3   建立时间序列预测模型

选择具有代表性的沉降监测数据，利用遗传优化算法，建立时间序列预测模型，清晰直观地体现轨道交通沉降状态，为采取相应的加固处理措施等提供参考。在该过程中，应注重对比分析沉降监测预测值与实际值之间的偏差关系，若其偏离幅度过大，则应做出调整纠偏处理，以满足模型数据构建要求。同时，利用神经元算法，根据既定神经元数量，构建神经网络结构，对轨道交通沉降监测数据进行拟合优化，最终得出隐含层节点数，确保时间序列预测模型的准确性。模型构建完成后，可视轨道交通环境等基本情况，校核平均沉降值，将相对误差控制在技术规范允许范围内。

6.4   点位沉降预测与点位预测精度分析

在城市轨道交通点位沉降预测方面，技术团队可以使用时序InSAR技术方法采集到的监测数据，针对于监测数据使用格栅矢量化分析，以获得具有时序累计特征的数据源。然后分析特定时刻范围内的累计沉降量，合理选择插值数据。对不同监测期间的沉降数据进行纵向对比，结合不同监测点位测得的最大值点、最小值点和平均值点等，验证点位沉降预测效果。在点位预测精度方面，则应充分发挥平均绝对误差、均方根误差和平均绝对百分比误差等指标作用，控制预测结果与真实结果的平均偏离幅度，同步完成面域沉降的预测。

7   结束语

轨道交通被誉为“城市的生命线”，其能否安全有序地运行，关系到城市数百万人民的人身、财产安全，关系到人民生活的便利性，关系到整个城市的发展。轨道交通具有线路长、环境相对封闭、盾构结构易产生变形等特点，尤其是已投入运营的轨道交通线路，长期存在的水平方向或者垂直方向的形变会给其安全运营带来极大威胁，因此需要对轨道交通线路进行长时间、周期性的变形监测，为其安全运营提供数据保障。随着科技的不断进步，传统水准测量变形监测手段加上新技术的运用，会为轨道交通的监测上一道“双保险”。

参考文献

[1] 中华人民共和国行业标准，《工程测量规范》（GB50026-2007）[S].中华人民共和国建设部，2008.5.

[2] 唐辉明.工程地质学基础[M].北京：化学工业出版社.2008.

[3] 史俭峰，李战军，周波.水准测量在地铁隧道沉降监测中的应用[J].测绘技术装备，2014，16（4）：61-64.