自动化监测技术在地铁隧道施工中的应用探析

刘燕岭

摘要：利用自动化监测技术，实施地铁站内基坑支护体系及隧道结构状况的形变、支撑力、爆破振动、地下水系统变化的实时自动监测，通过其短程无线监测和远程有线监测功能，实现数据的有效收集分析、异常状况的提前预警及施工信息的科学管理，有利于地铁隧道施工技术的合理应用，实现地铁隧道施工质量的有效提升。结合地铁隧道施工实际，分析当前地铁隧道工程监测现状，论述地铁隧道工程中应用自动化监测技术的目标，阐述自动化监测技术系统化应用策略及自动化监测的质量控制要点。

关键词：自动化监测技术；地铁隧道；监测手段；控制要点

0   引言

随着国内城市化发展进程的持续推进，地铁隧道工程的重要性逐渐突显。在地铁隧道工程中合理应用监测技术，可全面、及时的收集地铁隧道工程施工数据。通过先进的监测设备实现多频次、高精度隧道施工监控，有利于地铁工程项目安全有序的推进[1]。本文结合地铁隧道施工实际，分析当前地铁隧道工程监测现状，论述地铁隧道工程中应用自动化监测技术的目标，阐述自动化监测技术系统化应用策略及自动化监测的质量控制要点。

1   地铁隧道工程施工监测方法概述

针对国内地铁隧道工程的施工监测，传统的方法是采取人工监测。人工监测方法具备操作简便、技术应用成熟的优势，但也存在监测效率低、时效性差、安全性低、实现费用高等弊端[2]。相较于人工监测，自动化监测技术无需人员直接参与，便可完成数据的快速收集分析，补充了人工监测模式的不足。

隧道工程实施过程中，利用自动监测系统可监测隧道内的管径收缩形变、隧道纵横方向形变等状况参数，通过与报警门限值形成比对分析，一旦超出门限值可自动报警，便可及时提醒参建单位形成决策分析，采取应对措施，使地铁隧道工程保持受控状态。

2   地铁自动化监测技术特点与目标

受外部载荷、地基形变、内部应力等因素作用，地铁隧道整体架构易发生沉降现象。导致外部载荷波动的直接诱因，是地铁项目周边工程的施工[3]。如果地铁项目整体的形变和沉降范围超出允许偏差标准，即可对地铁工程的施工安全和正常运转构成直接影响。

2.1   地体自动化监测技术特点

地铁自动化监测系统主要由监测控制平台、数据传输系统、信息采集系统构成。通过信息采集系统实现工程监测数据的收集、保存和和预处理，利用数据无线传输系统，将数据实时上传至监测控制平台，实现数据的查看、数据分析比对。监测数据超出预设门限时，系统可及时告警并处理。同时平台可建立数据曲线及监测报表，为远程控制决策提供依据。

2.2   自动化监测技术实现目标

地铁隧道项目应用自动化监测技术应实现以下目标：

利用自动化监测技术全面掌控施工过程所用到的施工技术，及时排查过程中出现的隐患及问题，进而调整健全隧道施工方案，以确保隧道工程的实施安全。能够全面掌握地铁工程各个方位发生的水平、垂直方向的位移变化状况。

监测人员系统分析比对监测信息，及时获知隧道架构及内部岩体稳定效果的状况及变化规律，掌握影响隧道及内部岩体稳定性的因素，进而有针对性的调整隧道施工方案的设计参数。

及时了解隧道整体的架构的形变状况，开展数字化施工，通过监测数据辅助工程设计的改良，以有效指导隧道施工方案优化，通过有效的数据采集分析丰富施工经验，为地铁隧道工程营造数字化技术应用环境，并为类似项目形成数据依据[4]。

3   自动化监测技术在地铁隧道工程施工中的应用

3.1    地铁隧道工程监测内容规划

依据监测对象的差异，可主要将监测内容划分为形变监测、水位监测、内力监测及爆破振动监测等。具体监测内容主要可按如下方式规划：

利用精密静力水准仪收集监测隧道工程的底部隆起、拱顶沉降、地表沉降、周围管线及建筑位移，其中拱顶沉降与地表沉降20m间隔设置一断面，各断面设置1～3监测点位，依据现场实际情况建筑及管线位移监测点位。

利用土压力盒等多点位移传感设备收集监测地层位移变化，并在隧道内具代表性区域每20～50m设置1处监测断面。利用收敛计监测隧道周围收敛状况，在隧道内每20～50m设置1处监测断面。完成隧道挖设和初期支护后，利用导电压式孔隙水压计监测隧洞内外不同环境下的水位变化状况。利用振动传感器监测隧洞内爆破振动情况，借助无源闭环伺服技术达到良好的超低频功效，以精准获取监测点位的位移、速度、加速度等参量。隧道自动化监测示意如图1所示。

3.2   地表沉降点监测

3.2.1   监测基准点埋装方式

监测基准点应选取在非沉降影响位置实施埋装，埋装点位应选择在平坦开阔的观测环境好的位置，并应达到稳定的监测条件。

3.2.2   埋装沉降观测点

监测点预埋件应选取长50cm直径18mm圆钢。在沉降观测点位挖设边长为0.5m的方形坑位，并在坑中安装监测预埋件。监测点周边利用C20混凝土灌注，确保其待凝固后稳定。地表沉降监测位置应选取隧道中心线两端适当点位。监测断面的选取应同隧道内相统一，保证各断面监测点位的距离应在2～5m之间，一个断面应选取8～11个监测点。

3.2.3   实施监测

地表沉降監测主要选取精密水准测量法实现，应综合选定隧道内施工基点、基准点、监测点等实施监测任务。应用无线数据采集器收集沉降信息，利用无线传输系统传输至对应节点[5]。实施监测过程中，应闭合处理施工基点及基准点，实现水准监测的同时完成平差处理。

监测过程中，应科学控制限差，各监测点位的数据误差应保证在0.3mm内。如监测点位未在一个水平基准线，应控制测站数低于3个。首次监测时，应对监测点实施3次监测，每次呈现的高程偏差应保持在1mm内，最终监测数据选取3次监测数据的平均值。将自动监测出的实际高程与初始高程参数形成比对，计算出的高差即为实际沉降值。

3.2.4   监测参数分析

利用监测控制平台绘制出位移图表、时间轴，如绘制曲线在允许偏差范围内，表明位移伴随这地铁隧道工程的开展趋向于稳定。如偏差超过允许范围，呈现反弯点情况，则表明地表沉降点数量明显增加，说明隧道内岩体支护措施稳定性降低，需立刻将相应数据上报处理。

3.3   拱顶沉降监测与周围收敛监测

地铁隧道的拱顶沉降、周围收敛参数，可反映隧道岩体结构稳定及支护效果的稳定状况，通过对二者参数的自动化监测，可形成隧道岩体支护结构稳定效果的判定依据。监测控制平台计算、比对出沉降位移速度及周围收敛参数值，可得出隧道二次衬砌的最优时间，为科学选定衬砌工艺及实施参数形成数据参考。

3.3.1   监测拱顶沉降

在同一断面每20～25m间设立沉降观测点位，隧道中心线位置钻设孔洞，置入长50mm的8mm规格钢筋，用水泥拌料将周围抹平。监测高程联系测量过程中，应将地表基点高程移至横通道临时基准点位置。可利用悬挂钢尺法实现高程的数据交互，在支架位置挂设钢尺，零点位置装设在基坑，并在此端挂装重锤。

全部监测点位装设传感器收集的信号集中至采集设备，并利用无线传输设备将现场信息传至监控平台。测算数据变化趋势时，比较同点位初始高程差形成累计变化量，整合数据，并利用监测的拱顶升降值建立变形曲线图及观测报表。

3.3.2   监测隧道周围净空收敛

依据每20～25m距离设置断面监测净空收敛点，在拱腰位置钻设孔洞，置入长50mm的直径8mm规格钢筋，用水泥拌料将周围抹平。拱頂沉降和周围净空收敛断面如图2所示。

全面检查埋设监测点位，确保其无松动、破损状况。张开收敛计钢尺的摇把，将尺头挂钩置于监控孔洞中，同时将收敛计置于另一侧监测点位，将尺孔销插至适当深度。观察并调节螺母，控制窗口内标尺双白线同塑料窗口刻线位置吻合，监测联尺架端过程中钢尺所达到的基线刻度。

为达到预计的监测精准效果，单条基线应至少监测3次，并以3次的平均值作为最终监测结果。如3次结果的极差大于0.05mm，应进行重新监测。如监测净空收敛读数大于25mm，应将钢尺收拢25mm实施二次测量。将2次监测结果做差，得出尺孔的实际间距，以抵消因钢尺冲刷长度不准造成的测量偏差。

3.4   建筑沉降监测

沉降位移主要监测地铁隧道施工过程中建筑的位移量参数，以掌握基础桩结构的稳定性，从而达到为施工和设计单位提供数据参照，优化改良隧道设计施工方案，提高地铁工程实施质量的目的[6]。

监测点位埋装过程中，可参照差异化监测目标而应用对应的埋设方案，针对砖混及框架结构的监测建筑，应选择钻孔法埋设标志物监测点。监测点埋装时，应控制避开电气管路、电气元件、雨水管等设施，并应参照立尺标准，严格控制地面同墙面的间距。埋装完成后应在立尺位置做防腐处理。通过自动监测技术，将收集的实际高程数据与初始高程参数形成比对，利用比对高差自动得出实际沉降值，建立沉降数据报表。

3.5   隧道周围管线沉降监测

应用独立液压水准系统，选择2组具备较好稳定性的隧道周围管线沉降监测基准点位，搭建周围管线沉降自动化监测传感系统。实际监测过程中，应依据国标Ⅱ等测量规范标准实施，并根据实际监测点位数量，控制监测闭合差在标准要求误差区间内。

不同监测点位高程应依据水准基准点闭合线路建立，参照闭合线路工作点实施实际高程测量监测。埋装监测点位过程中，应在管线对应的地表位置埋装间接监测点位。在地表钻孔中插入长度大于500mm、直径大于100mm的钢筋，控制管线顶端同监测点底端间距约在30cm，埋装后用混凝土封装。埋装监测点位时，应注意观测管线的实际位置，确保监测点位可全面准确的收集管线形变数据，埋装前，应检查是否同其他管线相冲突，以确保埋装监测点位的安全。

4   隧道自动化监测的质量控制要点

地铁隧道自动化监测点位埋设应达到工程要求的稳定性和监测范围，并具备相应高识别性。监测点一旦建立不应随意改动、破坏，以建立起较全面、完备的监测数据记录。监测过程中，应严格参照工程需要及技术规范完成，确保监测的频次满足规范要求。严格控制监测数据的精确性，保证监测数据上传的及时性，以方便管理者实施掌握动态隧道施工数据。应建立规范、完备的监测数据记录资料库。

实现地铁隧道施工监测过程中，应以确保施工安全为第一要务。监测地铁隧道周围各类建筑的形变沉降，并及时上传监测信息和实施处置。同时应将隧道线路两侧30m距离范围内的建筑、管线、过街天桥等，作为监测对象主体，通过建筑物、管线、地表路面、土体等的实际沉降位移呈现数字化监测数据，实施地铁施工过程的全面自动化监测。

5   结束语

在自动化监测技术在地铁隧道项目应用过程中，应充分结合地铁隧道项目实际需求，建立明确的工程监测目标和完备的方案，严格控制自动化监测技术的实际监测实施要点，以达到全面、及时的获取地铁隧道工程施工数据。利用监测设备可达到隧道施工的多频次、高精度的监控目标，有效保证地铁工程项目的安全有序推进。

参考文献

[1] 鲁罕.自动化监测技术在基坑施工中对既有地铁隧道影响的应用研究[J].工程技术研究，2018，15（22）：19-20.

[2] 谭伟.基于AutoMos自动化监测系统在地铁工程中的应用与研究[J].土木建筑工程信息技术，2020（2）：28－36.

[3] 纪可欣.自动化监测技术在盾构长距离并行既有地铁隧道变形监测中的应用[J].地矿测绘，2021，4（2）：90-91.

[4] 周乐木，孙开武，殷源，等.大锚锭超深基坑降水施工关键技术及监测分析[J].土木工程与管理学报，2020（2）：111-114.

[5] 李丹.自动化监测技术在桥梁孔桩近接地铁施工中的应用[J].工程技术研究，2020，5（3）：101–102.

[6] 曹权，李清明，项伟，等.基坑群开挖对邻近既有地铁隧道影响的自动化监测研究[J].岩土工程学报，2012，34（Sl）：552-556.