中铁上海工程局集团市政工程有限公司 上海 200331
摘要：随着城市地铁的迅速发展，盾构法施工成为地铁隧道建设中的主要工法，然而，盾构施工会引起周边土体扰动，进而导致地表建（构）筑物及地下管线变形，采用自动化监测技术能实时掌握盾构施工过程中引起的变化规律，能及时共享和反馈监测成果，提高监测信息管理与数据分析的效率，对优化盾构施工参数，保证施工安全具有十分重要的意义。
关键词：管线变形；自动化监测；
引言
城市地铁施工大多为地下空间作业，由于地上及地下环境比较复杂，施工安全风险等级较高，盾构隧道往往穿越地表建（构）物和地下重要管线，实时掌握施工过程中引起变形规律，指导并及时优化施工参数和工艺，是安全施工的重要前提。监控量测作为城市地铁安全施工的重要手段，然而人工监测的方法工作量较大，采集数据效率较低，往往因操作不当造成错误，不适用于重大建（构）筑物的变形监测，对施工参数和工艺的优化时效性较差，自动化监测系统利用全站仪机器人自动搜索目标，采集数据，辅以数据处理软件进行数据分析处理，通过网络远程传输至指定服务器反馈信息，实现了自动化、信息化施工。
一、项目概况
沈阳地铁十号线桑林子车辆段出入线盾构隧道下穿两根DN3200大直径输水管线，管线材质为预应力钢筒混凝土承插管，分节长度为5m，水平中心间距为15m，覆土厚度约为3.6m，供水压力为0.6Mpa。管线与隧道平面投影斜交，隧道与管线交点处竖向最小净距3.07m，小于一倍洞径，属近距离下穿。对管线采取加固保护措施，首先对管顶进行削载，维持原管线设计工况，其次采用桩基+连续梁+管棚方式对管线底部进行桥式支托保护，进一步减小盾构下穿施工对管线的影响。施工过程中为掌握管线变形趋势，采用自动化监测系统实时采集并处理数据，优化施工工艺和参数。
二、自动化监测系统简介
2.1自动化监测系统结构与组成
自动化监测系统是基于测量机器人的有合作目标（照准棱镜）的变形监测系统。测量机器人自动变形监测系统硬件从空间分布上划分为监测区域内的监测设备和布设于办公室的远程控制设备。监测区域内测量机器人、基准点和监测点棱镜构成监测系统的主体，测量机器人（测站点）和基准点布设于变形区域之外的稳固不动处，监测点布设在管顶并与管顶可靠连接，通过测杆伸出地面与棱镜连接作为管线变形的传递装置，其它设备布设在控制箱内，主要包括：无线远程电源开关、温度气压传感器、无线路由和工控机等。办公室是系统远程控制及数据处理的交互中心，需运行远程控制及后处理系统的计算机和接入Internet网络的无线路由等软、硬件。自动化监测系统结构与组成如图：
2.2自动化监测系统特点
1）自动化：变形监测软件在进行一些初始化设置及给定监测计划（如：起始时间、观测间隔、期数等）后，能够严格按计划执行全自动观测，并自动对原始观测成果进行处理和分析。
2）智能化：实现无人守值变形监测，配置软件具有一定的适应环境变化和自动采取相应的措施来处理的能力。在自动测量实测过程中，某个时刻目标点难免会出现被遮挡的情况，系统中对这一情况给出两种处理方式，一是在当前测量周期中放弃观测该目标点，而转到观测下一目标点；二是可以设置等待多少时间后，重新搜索、定位并观测该点，同时还可以设置最多尝试次数，如果最后一次尝试发现目标点仍被遮挡，则放弃该目标点测量，转到下一目标点进行观测。
3）数据处理方法：主要包括目标点坐标的计算和后续的变形分析充分利用变形监测中的不动基点，对原始观测值使用特殊的差分技术进行处理，改正后的距离和高差将有更高的精度，采用特殊的改正数学模型，提高整体精度。另外，实测过程中不可避免地会出现观测值超限的情形，针对这一情况，系统中也给出相应的处理方法。当观测值超限时，重新测量该目标点，同上可以设置重测次数，如果在最后一次重测仍超限，还可以选择是否删除还是保留超限观测值。
4）海量数据的存储：采用Access数据库技术可以高效的存储管理数据，不但海量数据的存储问题迎刃而解，而且它还具有方便的数据查询和分析功能。
5）实时显示变形趋势图：系统可以对实时观测数据进行差分处理，动态显示变形趋势图，以此来判断目标点点位是否有位移。
6）测量数据报表输出：选择某个或某几个观测周期中的X、Y、Z坐标等输出到Excel中进行管理。同时也可以将各项观测成果下的所有数据，如点位测量数据表中的数据导出到Excel中可以方便对观测数据进行管理，并可以根据不同的需求筛选出各种观测数据。
2.3监测方法及精度
在测站上装置测量机器人、数字气压与温度计（用于对气压、温度影响进行实时改正）、电源和通信等装置。在每一期自动观测时，首先进行基准网的观测，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。按图中的基准点布设方案，采用武汉大学测绘学院“科傻”软件对基准网进行模拟计算，网图及平差结果如下。
由模拟计算可知，测站点精度可达0.4mm，只要四个基准点稳定可靠，即可实时反算检核测站的精确坐标。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（即零周期）坐标的差值，即为该点的累计位移量。
考虑到实际角度测量受气候影响，取水平角、垂直角测角精度1″，测距精度0.6 mm +1 ppm，代入上式估算可得：
当 D=70m，垂直角β=5°时，
当 D=20m，垂直角β=30°时，
综合考虑到实时反算测站点坐标的误差，变形监测点最终三维点位误差应可达到优于±1mm的精度。
三、项目应用
按照管线材质及监测要求，每个管节处左右500mm处各设置1个监测点，共22组测点用于管节处差异沉降观测，管节中心处设置1个监测点，共16组测点用于管线整体沉降观测，测杆采用，32钢管底部焊接扁铁与管线密贴并粘接牢固，测杆外套de50PVC套管减小测杆摩擦阻力，测杆上部连接小棱镜和人工复核监测桩位，设置5个测量基准点，1个徕卡TM50全站仪机器人测站及配套软件。监测控制值如下：
全站仪机器人测站
现场实际监测结果显示，自动化监测系统稳定，工作状态良好，实现1次/2h监测频率，每个测回数据通过发射模块无线传输至PC端，准确的反应了施工过程中管线变化规律，为管线加固保护及盾构下穿施工提供了可靠的数据支持。
管线测量点布置
四、结语
沈阳地铁十号线桑林子车辆段出入线盾构下穿大直径输水管线施工中，采用自动化检测系统对管线变形进行监测，监测数据全天候自动分析处理和传输，监测信息的可视化管理，充分体现了自动化监测的时效性特点，实现了自动化、信息化施工，大大解放人力资源，为优化施工工艺和参数提供了可靠依据。目前，项目已完成管线加固保护，后续盾构下穿施工时该系统将为优化盾构施工参数提供数据支持，为输水管线安全保驾护航。
参考文献：
[1]城市轨道交通工程监测技术规范 GB50911-2013.中国建筑工业出版社出版、发行.
[2]城市测量规范 CJJ/T 8-2011.中国建筑工业出版社出版、发行.
[3]测量机器人开发的开发及应用.梅文胜
论文作者:魏晋海
论文发表刊物:《防护工程》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/17
标签：管线论文; 盾构论文; 测量论文; 数据论文; 基准点论文; 监测系统论文; 实时论文; 《防护工程》2018年第31期论文;