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摘要：针对传统的监测技术需要地铁线路的停运并局限于单一的数据反馈，不能满足高密度的行车的应用，提出建立地下工程远程自动变形监测系统，该系统对地铁结构安全进行评估与及时的反馈，对有效控制工程事故的发生，保障既有线路的安全运营有非常重要作用。本文通过实例表明：自动变形监测能够连续自动监测、监测数据自动记录、预处理并实时传输，极大提高了监测的效率。随着地铁建设规模及线路长度的不断扩大，涉及测量范围也越来越广，尤其在临近地铁隧道基坑监测方面，为保证地铁隧道安全，自动化监测已经越来越重要。本文采用自动化监测系统对运行中的隧道进行不间断监测，为基坑的开挖施工提供了及时、准确的信息，从而保证地铁安全正点运行。
关键词：自动化监测；地铁隧道；既有线；沉降监测
引言
地铁工程是国家重点投资的主攻项目，维护地铁工程的核心部分，加强地铁隧道的日常监测是运营方管理的重点工作，而自动化监测技术是隧道运营管理的先进科技。在地铁既有线的运营过程中，周围环境变化势必会导致隧道结构的变形，进而对地铁的安全运营产生影响。换乘站或周边环境施工时，会对运营隧道产生不同程度影响。在周围环境施工时既要保证既有线路的正常运行又要及时推进工程建设，就必须对既有的地铁线路结构进行全天候高密度的实时监测。
传统的监测技术不仅需要线路的停运而且还局限于单一的数据反馈，不能满足高密度的行车区间的应用，建立地下工程远程自动变形监测系统，对地铁结构安全进行评估与及时的反馈，对有效控制工程事故的发生，保障既有线路的安全运营安全有非常重要的作用。
1 工程概况
广州市“龙溪大道快速化改造工程”项目新建施工的桥涵工程包括1号天桥及2、3、4号涵洞位于正在运营的广佛线五丫口大桥至龙溪地铁站之前的区间段隧道上方。其中1号天桥在靠近区间隧道的南侧有桩基础7根，桩长约为19.1m，其中中间1根桩径为1.2m，其余6根桩径为1m。2号箱涵北端拆除重建段长度为 90.7m，南端（广佛地铁区间线上方）加固桥台及更换空心板段长度为 86.2m，箱涵高度为 4.2m。北端拆除重建段箱涵开挖分三幅分块施工，采用12m的拉森Ⅳ型钢板桩+一道钢管横撑支护，涵底进行换填，最大开挖深度为 5.5m。
1号天桥南侧的桩基础距离区间隧道外缘的最小水平净距为5.1m，桩底位于区间隧道底下方2m左右。2号箱涵坑底与区间隧道顶部外缘竖向净距约为 6.5m。1号天桥及2号箱涵与广佛地铁区间三维位置关系如图1所示。因广佛线为正在运营的地铁线路，1号天桥及2号箱涵在施工过程中对保护好运营隧道的安全是本次监测工作的重点。为保证地铁的安全运营，必须在施工过程中对地铁隧道实施不间断监测。
图1 1号天桥及2号箱涵与广佛地铁区间三维位置关系效果
2 自动化监测
2.1系统硬件
系统主要硬件设备包括：全自动全站仪、参考点上的棱镜、变形监测点上的棱镜、传感器、计算机、网络通讯设备等，现场主要控制设备为一台计算机。
2.1.1全自动全站仪（测量机器人）：为监测系统的主要监测设备，该仪器能代替人工进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪。因其具有自动目标识别——ATR功能，完全可以代替人完成许多测量任务，同时还具有全自动、遥测、实时、动态、精确、快速等诸多优点。TCA1800仪器标称测角精度±1”,测距精度±(1mm+2ppm×D）。
2.1.2 棱镜：是测量机器人自动识别的主要目标，因此在参考点、变形监测点上都应配备配套的棱镜，参考点上采用大棱镜，变形监测点上采用小棱镜。
2.1.3 网络通讯设备：
远程数据通讯接口：实现测量机器人与计算机之间的双向通讯、控制和监测数据的传输。
2.1.4 感应传感器：在拟监测区来车方向前约100米处设置一组传感器.
2.2 系统软件
该自动化监测系统主要包括的系统软件主要有：1）实时测量控制及解算软件，该软件自动控制测量机器人作参考点观测并实时进行数据处理，计算测站的精确坐标并确定测站变形。2）自动化变形监测软件，控制测量机器人自动周期性地观测变形监测点，实时进行数据采集、数据处理、数据分析、报表输出、图形显示和自动报警等。3）远程控制，通过ADSL有线通讯的方式实现，由安放在地铁站的计算机通过ADSL专线方式与互联网连接，远程控制计算机可利用地铁站计算机的IP地址或通讯端口与之相连并发送控制指令。4）信息发布管理系统，监测数据由现场控制计算机初步处理后，自动上传到远程控制计算机进行进一步的数据分析与处理及信息发布。
2.3 系统构成
监测系统分为信息采集、数据处理、信息发布三个环节。
3自动化监测布点设置
3.1 监测基准点
监测基准点布设在基坑开挖边线以外的稳定区域，在隧道拱腰的距离地面1米左右的区域采用冲击钻钻孔，埋设强制对中观测钉的方式布设，并安装棱镜。在监测影响区域外两端各埋设基准点两个，基准点间间距10～20米，且两点间高差需大于0.5米，便于全站仪进行目标的识别。测站点布设与监测区域中部，先制作全站仪托架，托架安装在站台侧壁或车站侧壁，离道床高度0.2米左右，以便全站仪容易自动寻找目标。如图2测站实景图.
图2 测站实景图
3.2 监测点布设
监测点采用L型棱镜进行布设，首先用冲击钻钻孔径φ12mm左右，5～8cm深的孔，埋设膨胀螺栓用以固定棱镜，并根据测站位置，将镜头旋转至合适的方向和角度。
图3 隧道布点断面示意图图4 1号天桥、2号箱涵施工影响区域断面布置图
4监测方法与精度
每一期自动观测时，首先要进行基准网的观测，基准网是由测站点和基准点组成的距离角度后方交会网，观测水平角，垂直角和距离，通过实时平差计算，提供实时动态基准。
监测点采用极坐标法进行变形监测，采用距离，角度差分等技术进行监测点的数据处理，计算出各点的三维坐标。监测点坐标与上一期坐标的差值，即为该点的相对位移量，与基准期坐标的差值，就是该点的累积位移量。
观测过程中，测定监测点到测站的距离，测量监测点与测站连线与两个已知点连线的夹角[11]。设全站仪在Z点观测值分别为：水平角、竖直角、斜距，则P点坐标，
按极坐标公式求各变形点的三维坐标计算公式为：
（1）
极坐标差分三维坐标测量的精度估算公式：
（2）
精度为±2mm，可估算出精度平面点位精度约0.5mm，高程精度与差分距离有关，据现场情况和有关资料可推算高程精度约为0.3mm。实际变形监测点距离都较近小于100米，以上精度有较大富余。
与此可见，再加上基准点的点位误差，变形点达到小于1mm的精度要求。
5 监测数据的采集
自动化数据采集通过远程控制实现，由安放在地铁站的计算机通过ADSL专线方式与互联网连接，而远程控制计算机可利用地铁站计算机的IP地址或通讯端口与之相连并发送控制指令。
根据监测频率要求，远程控制计算机发出控制指令，调整全站仪的数据采集时间间隔。数据采集过程中，将观测数据通过网络实时传送至远程指定的服务器。技术人员通过网络就可以下载这些数据，并进行处理。
5.1 监测数据的改正
5.1.1 距离差分改正
设某一固定边标准斜距为d0 ,其对应的标准大气折射率为n0 ，红外相位式测距仪测距公式为：
(3)
第i次观测固定边斜距为di ，大气折射率为ni ,因没有测定气象元素，若仪器中使用的是大气折射率为n0 的缺省参考气象元素，则
(4)
而其实际值应为：
(5)
(6)
理论上同一边同一仪器两次测距之差为：
(7)
因此有：
(8)
由(6)，(8)式可得
(9)
设第i次观测目标点斜距为
(10)
则其实际值应为
(11)
上式即为距离差分改正公式。距离的差分改正项从理论上来讲相当于气象改正项，因此差分后的距离应比测定气象元素求得气象改正后的距离精确要高。
为分析方便，将（11）简化，设 
则有
(12)
上式的意思即为：当目标点至测站的距离与参考站至测站的距离相等时，将参考站至测站的标准距离与第i次测得的距离求差，再加到第i次目标点至测站的距离上，即得第i次目标点至测站的差分距离。
从误差类型上来看，电磁波测距误差中应包含系统误差和偶然误差。
5.1.2 高差差分改正
自动极坐标测量系统中个变形点的高程都是通过三角高程的方法得到的，而大气折光影响是单向三角高程测量的主要误差来源，为削弱大气折光的影响，利用变形监测系统中的稳定参考点，存在多个固定高差，求得每期大气折光的差分改正系数，对变形点高差实施改正，从而提高高差差值的精度。
三角高程单向观测高差计算公式为：
(13)
式中：S — 斜距，— 垂直角，K — 大气折光系数，i — 仪器高，v —棱镜高
若忽略测角误差引起的差值，对参考点的多次观测高差应相等，而实际观测计算值往往不等，其变化可以认为主要是大气折光系数K的变化引起的。如同距离差分改正一样的道理，对参考点，若已知固定高差为h0 ，第i次高差为hi ，边长为di ，从(13)式可推求出差分改正系数:
(14)
因每周期观测时间较短，可以认为大气折光对参考点，及邻近区域的目标点具有相同的影响，故对某一变形点，若第i次观测边长为Si ，垂直角为i ，那么，加上如下式的改正数，即可削弱大气折光的影响：
(15)
同理，对高差差分结果也可以作与距离差分类似的简化分析，在大气折光对参考点及邻近区域的目标点影响相同的前提下，高差差分结果精度相当于高度角测角误差引起误差的
倍。
在有多个稳定参考点的情况下，当
值相差不大时，可取其平均值来进行差分改正；而当
值相差较大时，应将目标点分区，取其不同参考点的对应的 值来进行改正。
5.1.3 方位角的差分改正
在长期的变形监测过程中，难以保证仪器的绝对稳定。因水平度盘零方向的变化和大气水平折光等因素的影响，需考虑水平方位角差分改正。在实际变形监测中，所求的变形量一般是相对第一周期而言的，故可把基准点第一次测量的方位角
作为基准方位角，其它周期对基准点测量的方位角
与基准方位角相比，有一差异
(16)
这一差异主要是因仪器不稳定引起的水平度盘零方向的变化、大气水平折光等对方位角的影响而引起的。此差异对变形点的测量有同等的影响，故在变形点每周期的方位角测量值
中，实时加入由同期基准点求得的 
改正值，可准确求得变形点的方位角
： 
(17)
5.1.4 平差处理
以经过距离及高差差分处理的观测值为输入值进行平差计算，解算三维坐标
6监测数据分析
龙溪大道快速化改造（西环-五丫口大桥）工程地铁隧道监测服务项目广佛线金融高新区—龙溪区间自动化监测工作自2015年7月开始，截至目前历时近七个月。在整个施工过程中进行全过程监测，对每一施工工况进行有针对性的预测，更好的指导了施工。
表1 广佛线运营隧道自动化监测数据累计变形最大值统计
监测数据显示，各监测点各监测项目累计变化量及阶段变化速率均较小，未发现有监测数据接近或达到报警值。
根据广佛线金融高新区—龙溪区间自动化监测数据和巡视信息综合分析，1号桥桩及2～4号箱涵基坑施工对广佛线运营隧道无明显影响，各监测项目监测数据正常，未出现超警戒值的情况；施工完成后续监测过程中各监测项目数据稳定，隧道结构现状无异常。
7 结束语
自动监测是一种受人为影响少、自动化程度高的方法，能连续自动监测、监测数据可以自动记录、预处理并实时传输，极大提高了监测效率。随着地铁建设规模及线路长度的不断扩大，涉及的测量范围也越来越广，尤其在临近地铁隧道的基坑监测方面，为保证地铁隧道的安全，对地铁隧道的自动化监测已经越来越重要。所以，施工中采用自动化监测系统对运行中的隧道进行不间断监测，为基坑的开挖施工提供了及时、准确的信息，从而保证地铁的安全正点运行。
综上所述，运营地铁隧道引进自动化监测技术是必不可少的，这是由地铁工程的隐蔽性，复杂性，科技性等特点多决定的。随着城市经济的快速发展，社会交通运输压力也不断增大，为缓解地面道路的交通压力，广发开展地铁项目施工有助于提高交通运营压力。对运营地铁隧道采取自动化监测技术，不仅保护了地铁隧道的正常使用，也是确保地铁运营及乘客人员安全的基本条件。因而，将自动化监测技术融合于地铁隧道，工程单位应给予高度关注，应积极探讨该技术在工程实际中运用和发展。
参考文献：
[1]章书涛,华锡生.工程测量[M].北京：水利水电出版社,2010.
[2]张松. 时间序列分析在地铁沉降监测中的应用[J]. 测绘工程,2014, 23(10):63-66.
[3]Leica Corp.TPS1200_GeoCOM_GettingStarted[K].Switzerland: Switzerland - Copynight Leica Geosystems A G,2004.
作者简介：郑艳（1979—），女，博士，工程师，主要研究方向为变形监测。
广东工贸职业技术学院科研基金资助
论文作者:郑艳,金鑫
论文发表刊物:《基层建设》2016年32期
论文发表时间:2017/1/18
标签：隧道论文; 地铁论文; 高差论文; 距离论文; 测量论文; 方位角论文; 基准点论文; 《基层建设》2016年32期论文;