地铁隧道结构变形监测控制网及其数据处理

地铁隧道结构变形监测控制网及其数据处理

汪英宏王守横

上海市机械施工集团有限公司大连地铁216标段项目经理部辽宁大连116037

摘要：地铁隧道结构复杂，在长期使用过程中会受到各种因素的影响，因此，做好变形监测非常重要。本文将进行分析，以供参考。

关键词：地铁隧道；变形监测；原因；措施

1.前言

对于地铁隧道结构变形的监测，不能采用传统的变形监测控制网布设方法，在施工过程中根据施工要求对工艺参数进行控制，为保证结果的准确度，必须进行基准点的稳定性检验。

2.地铁隧道变形原因

2.1轨道结构变形

地铁隧道变形包括轨道结构变形和隧道结构变形两种形式。其中轨道结构变形的主要原因是列车荷载长期对轨道产生反复作用，使轨道发生几何偏差进而影响轨道的平整性和顺畅性。除列车荷载作用外，隧道周边建设施工的卸载、负荷、加载也会引起道床的不均匀沉降。这种沉降同样会影响轨道的平整度及顺畅。对于铁路来说，地铁运行车辆重量较轻、速度低，轨道和车辆行走部分的变形一般不会引起地铁事故，但轨道变形造成的不平顺可能会导致列车发生不正常振动。这会降低列车运行的稳定性，减少用户的舒适度，更重要的是会加快轨道结构部件的损坏速度，从而间接影响列车的行车安全。

2.2隧道结构变形

地铁隧道结构变形发生在施工阶段和运营阶段，在施工阶段，地铁暗挖隧道工程是在岩土体内部进行的。在开挖过程中对地下岩土的扰动是不可避免的，这就破坏了地下岩土体原有的平衡条件。隧道开挖时地层初期受到的影响较小，发生的也是微型形变，随着开挖的不断深入，变形会极剧增大然后又趋于缓慢。因此，在隧道开挖过程中应对隧道的拱顶下沉量和地表的下沉量进行监测，以便于对隧道结构的稳定性和开挖工程的安全性提供分析依据。地铁隧道开挖引起的地层变形是一个漫长而缓慢的过程，无论是浅埋暗挖法还是盾构法在工程完工投入使用后都会不同程度的发生整体下沉的现象，尤其是工程处于软土层中时下沉现象更加明显。

3.地铁隧道变形监测技术

3.1传统监测技术

传统监测技术是利用水准测量仪的检测功能对隧道结构的变形情况进行监测，主要对隧道变形区域的断面进行监测。该法在实际使用过程中存在一系列不足：

首先，该法无法使用先进的远程测量技术。在监测过程中不得不打断监测区内的列车运行。

其次，地铁隧道内可视性差，空间受到限制，运行环境复杂，给监测的安全性和监测质量造成了不利影响。

最后，监测点数量受限，若设置监测点过多，不仅会增大工作量还会延长监测周期的长度，无法准确的反映出变形的真实情况；若设置监测点过少，无法根据有限的数据得到较为精准的变形趋势，这对后期的隧道结构的变形负荷分析是极为不利的。传统的监测技术已经无法适应现代社会的需求新型的监测技术急需被研发使用。

3.2高程监测控制网

在地铁进行跨河水准测量、测量机器人三角高程法测量、GPS测高三种方法进行施测。

3.2.1跨河水准测量跨河水准观测采用威特N3及配套的铟瓦水准尺，施测前仪器i角检校为+1.2s。跨河水准测量严格按《国家一、二等水准测量规范》要求选定与布设场地，使仪器及标尺点构成平行四边形。作业方法、视线距水面的高度、时间段数、测回数、组数及仪器检查等按规范要求执行。按二等跨河水准观测精度施测8个测回，高差中数中误差为±1.48mm。

3.2.2测量机器人三角高程法测量采用徕卡TCA2003机器人完成，在b1、b2设置仪器，对向观测12个测回，测回间隔5min。每测回量取2次仪高和棱镜高，量取至毫米。高差中数中误差为±1.00mm。

3.2.3GPS高程测量b1、b2大地四边形进行GPS联测，GPS网解算的b1、b2大地高的高差为-0.3403。

3.2.4三种方法的成果比较高程监测控制网采用跨河水准测量、测量机器人三角高程法测量、GPS测高三种方法进行施测结果进行对比。

4.基于组合后验方差检验法的灵敏度

4.1灵敏度的概念及其目的

通常情况下对基准点的稳定性进行判断是在测量结束后的内业处理过程中，删除一些不稳定的点带来人力物力和时间的浪费，在当今世界寻求的应是高效节能的方法，若是在观测现场测量人员或者测量机器人根据观测数据能感知到基准点的不稳定性，就可以给外业监测提供指导，提前对基准点进行筛选，甚至给基准网的布设提供意见，使得地铁隧道结构变形监测网和后期数据处理得到优化。

然而对同一个点的多次观测结果存在差异可能是误差影响也可能是基准点不稳定引起，要是知道到底出现多大的变动时可以认为是基准点发生了移动，那进行现场监测时就能对基准点的稳定性进行判断，不需要等到进行完内业处理才能得到答案。当观测值出现一定程度变化的时候，这种方法就能够有效的检测出结果。

4.2组合后验方差检验法灵敏度的探测

为模拟基准点的变动，对观测数据进行人为的改动。从众多基准点中任意选取3个，分别对方位角、天顶距和距离三个观测量进行测试，当角度偏差大于3秒小于6秒时对该点的稳定性应持怀疑态度，而大于6秒时该点稳定性就一定不可靠，当距离的测量偏差大于5ｍｍ时该点的稳定性同样不可靠。计算所得的组合后验方差检验法的灵敏度在实际工程实例中可以作为重要的比较参考值，通过比较监测数值间的差值，实现监测现场简单、快速判定基准点的稳定性。

5.隧道变形监控的系统建立

5.1系统数据库结构

变形监测数据库用于存储监测点属性、监测成果等数据信息，是数据管理系统的基础。因此，合理的数据库结构不仅是数据库设计的关键，还有利于系统对数据的管理和高效处理分析。考虑到变形监测成果的特点，系统数据库结构设计应不仅能满足用户的需要，而且能使系统需求的资源最少，同时还要使数据库中数据冗余度尽量小，以达到结构合理、易于维护等目。为此，根据变形监测内容，系统数据库设计由如下数据表构成。

（1）测段名表：包括测段编号和测段名称两个字段。为便于变形监测分析，在监测中将相邻两个车站之间的隧道划分为一测段，并按车站和车站之间的隧道进行编号，测段名称则根据各个车站或者车站之间隧道的名称而定，监测点的测段属性值直接根据其所在测段来取对应的编号值，方便查询。

（2）监测点属性表：包括监测点名、测段、车道、具体位置、里程、材料、布设时间、布设单位、当前状况、使用情况、备注等。其中车道为监测点所在的左、右道或上、下行线；具体位置指测点所处具体的空间位置，如地面、地下、高架等；当前状况是指目前监测点的完好情况，也就是可用否；使用情况是指监测时是否使用。

（3）沉降监测成果表：包括编号、监测点名、高程、测期、监测时间、备注等。为了遵守数据库键的唯一性原则和方便查询，各个测点的每期编号由测期号与监测点名组成，因而表中将不会出现相同记录，保证了键的唯一性。

（4）沉降差异点属性表：除了测段为各个车站编号，其余与监测点属性相同。

（5）沉降差异监测成果表：与沉降监测成果表相同。

（6）水平位移监测成果表：包括编号、监测点名、X坐标、Y坐标、测期、监测时间、备注等，测点的编号设置与沉降监测成果表相同。

（7）水平位移差异监测成果表：与水平位移监测成果表相同。

（8）断面收敛变形监测成果表：包括编号、监测点名、直径1、直径2、测期、监测时间、备注等，测点的编号设置与沉降监测成果表相同。在以上各表中，第一个字段为主关键字，各字段值的类型与字节宽度均按照实际所需的最佳值确定，考虑到测段名的繁琐和数据库管理操作的方便迅捷，在数据库管理时将测段名表与其他各表进行关联。

5.2系统的总体结构

根据地铁隧道变形监测的内容与特点，系统由系统设置、预处理、数据库管理、在线帮助和退出5个模块组成。

6.结束语

综上所述，隧道结构变形监测的重要性不言而喻。我们要做好变形监测控制，加强数据处理，进而保证监测效果。

参考文献：

[1]王浩，葛修润，邓建辉，等.隧道施工期监测信息管理系统的研制[J].岩石力学与工程学报，2016（20）：1684-1686.

[2]黄声享．监测网的稳定性分析[J]．测绘信息与工程，2016（12）：30