摘要：随着城市化进程的加快，越来越多的城市地下空间开通了地铁交通，地铁在给人们提供出行方便的同时，也带动了周边沿线的经济发展，因此，在地铁周边出现大量的工程建设。而地铁周边工程的建设必然会引起地铁安全保护区的结构变形，这对地铁带来极大的安全隐患，因此，地铁安全保护区的自动监测精度分析就显得非常重要。本文以某基坑工程开挖作为研究案例，首先分析了自动化监测系统的基本原理，然后自动监测网布设、监测周期等方面进行了监测数据精度分析。
关键词：自动化监测；隧道；精度
引言
地铁保护区监测成为确保地铁结构和车辆运行安全的重要手段。地铁保护区监测不仅要确保监测数据可靠性，更要保证监测结果能及时传递到地铁管理方和工程施工方，而自动化监测系统以其精准、快速、实时的监测方式，已经成为地铁运营维护监测的一个重要手段。
1.自动化监测系统的基本原理
从当前的监测技术角度看，对于地铁保护区的沉降监测一般采用静力水准手段，而对于监测数据的处理技术一般是采用全站仪测控系统。两大系统的工作大原理具有不同的特点。
1.1 自动化静力水准测控系统的基本原理
这一系统对地铁道床的沉降监测，首先是要监测站点布局合理，静力水准仪内的数据读取准确，而实现这一功能的关键在于各个子系统运转正常，比如自动化监控系统对各站点的控制、传感器是否能够反映液面瞬间的垂直位移信息、网络无线通讯系统和数据库应用系统能否正常传输和处理采集到的数据[1]。
1.2 自动化全站仪测控系统基本原理
全站仪功能的实现，有赖于系统对数据采集、传输以及数据加工分析能力。首先是数据采集，这需要在各站点布置足够数量的全站仪，用于全方位采集地下间的地质状况，当然这一采集过程是系统利用相关软件自动完成，无需人工干预；而数据传输功能，指的是计算机软件系统采集的数据反馈；数据加工分析系统相当复杂，对采集的数据除了要实现查询和存储功能以外，还要对数据加工处理和输出，也就是说，对采集数据进行粗差加工之后，系统会对每个监测站点绘制三维坐标和变化曲线结构图，如果数据超出所设置的参数，那么，系统就会自动报警。它的具体工作原理如图1-1所示：
图0-1 自动化变形监测系统的整体结构图
2.自动化监测精度分析在工程案例中的应用
2.1 工程概况及监测要求
以南方某城市大型基坑的开挖为例，该基坑面积达15200平方，而且位置就在地铁隧道北侧。而该地段的地质条件差，不仅含水量高，而且土层松软，承压力低。从该市建设部门的开工文件得知，基坑围护结构外边有较长的边线，这些边线正好与地铁隧道平行，根据这一建设方案可以看出，这一基坑的开挖将对地铁安全区的地质结构造成很大的干扰，对地铁安全区形成较大的安全隐患。为确保自动监测系统对安全区的准确监测，提高监测精度，需要制定全面的监测方案，也就是对地铁安全区的监测区域外延60米，监测范围扩展到215米。
2.2 自动监测网布设对监测精度的影响
自动监测的能否达到精度要求，关键在于监测网络的布设是否科学合理，这就需要根据监测地域的地质因素以及监测精度要求，从基准点、测站点、监测点三个层面进行规划。
从本工程的基坑开挖范围来看，需要在火车站和隧道分别布设不同的基准点，也就是说，两个基点都布设在变形区外。根据工程的地质情况，在火车站区域而设两个基点，基点与测站点的距离保持在200米左右，安装时，只要将圆棱镜固定车站侧壁上即可；而在安全区隧道范围内需要布设4基准点，其与测站的距离保持在70米左右，最长不能超过百米。
测站点的布设也要因地制宜，根据工程面积及地质状况进行布设，以确保自动化全站仪能够全方位监测[2]。一般情况下，地铁保护区监测精度的状况，很大程度上受设备的安装角度、测试距离的影响，但前提是工作站点保持不变。而从本工程的监测情况来看，地铁隧道狭长，变形区域内设置的测站也有变形的情况出现。所以，测站点坐标也应经常变更，否则，监测的数据就会出现较大的误差，从而失去监测的精度。
监测点布设是否合理，会直接影响到地铁监测精度，所以在布设时，必须考虑地铁隧道的变形与地质病害、工程与隧道的距离远近等情况，根据监测要求准确布放。从本工程的基坑开挖情况来看，需要在盾构范围内架设20个断面，每个断面需要安装5个棱镜，安装位置设定在隧道壁，这样可以对隧道的沉降、隧道收敛、水平位移等情况进行精度监测，而在车站下行线需要架设10个监测断面，每个断面的距离大致在6米到10米之间，同样，棱镜的安装位置可设定在道床两侧。当然，Ｌ型棱镜的安装位置还要考虑棱镜与基坑的间距问题。
图0-2 监测点位布设图
2.3 监测频率的控制对监测精度的影响
为精准分析地铁安全保护区变形的渐变过程，在监测频率的确定方面要根据基坑与地铁的距离远近以及工程进展情况来决定，比如在工施工位置与地铁安全区距离较近时，或者在土方降水开搅环节，隧道的垂变或位移的程度就会加大，在这种情况下应该加大监测频率。总体来说，监测频繁应根据基坑开挖的实际状况决定并进行灵活调节，但每个工作日的最低监测频繁应保持每6小时一次。
3.监测数据精准度分析
3.1 基准点稳定性分析
在对监测区域进行观察时，是以基准点作为为依据，以监测其在周期范围内的变形情况[3]。对本工程的安全来说，地铁隧道空间并不宽敞，所以，关键是要保持基准点的稳定性，也就是说，基准点的稳定分析，是确保监测精度的重要手段。从本工程案例的三维变化趋势图可以看出，在基坑工程开挖的前期，变量在1mm以内，由此可以推断，基准点处于稳定状态.
图0-3 基准点的三维变化趋势图
由于受区域变形的影响，测站点随时常发生改变，其变化所反映的数据，是分析地铁安全保护区渐变的依据。从上图（图5）可以看出，在工程基坑开挖的第一期，隧道基本没有发生变化，稳定性较高，而到了第二期的地连墙阶段，地铁安全保护区的变化就越来越大，在第二期的工程桩环节，水平位移、沉降幅度达到接近5 mm；特别是到了第三期工程的土方开挖环节，隧道的垂降量达到12 mm，水平位移到达26mm，其变量值接近极限；当工程进行到浇筑阶段，随着基坑表面的硬化，处于剧烈变化中的隧道垂降现象逐渐平稳，特别是位于地铁线路方向可以看到，其位移量基本可以忽略不计，因为其数值不超过2mm。总体来看，垂降量大于位移量，所以，为提升地铁安全保护区的监测精度，关键是在关注线路的垂降现象。
3.2.2 监测点数据监测精度分析
从本工程案例监测点的数据图来看，离基坑越近的地段，沉降与位移的数据值就大，而在离基坑距离相对较远的外延区域，沉降与位移的数据值则相对较小，监测图形呈现中间大、两侧小的特征。从隧道的变化来看，与地铁距离越小，沉降幅度越大，同样，水平位移也是越远离基坑，其变化量越小。这一现象充分说明基坑工程的开挖对地铁安全保护区形成了较大的风险隐患。
图0-5 监测点的纵断面三维变化曲线图
4.结语
通过将自动化监测的原理应用到基坑开挖工程，可以发现自动化监测系统可以准确反映隧道的垂降和水位位移现象，而自动监测网布设、监测频率的控制对自动化监测精度有着重要影响。正是由于自动化监测系统的精度性高，因此，在地铁安全保护区的变形监测中，可以大面积推广应用。
参考文献
[1]李晨康. 运营地铁隧道自动化监测数据的修正及精度分析[D]. 2017.
[2]金彪. 地铁隧道结构稳定性自动化监测系统的研究与应用[J]. 山东工业技术，2018（16）.
[3]张博. 深基坑开挖及隧道下穿对既有地铁车站影响的自动化监测分析[J]. 天津建设科技，2018（3）.
论文作者:陈明礼
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年18期
论文发表时间:2019/12/12
标签：地铁论文; 基坑论文; 隧道论文; 精度论文; 工程论文; 基准点论文; 数据论文; 《建筑学研究前沿》2019年18期论文;