■ 銀健民

暗挖隧道下穿既有線路基沉降自動監(jiān)測系統(tǒng)研究

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東莞—惠州城際軌道交通工程暗挖隧道下穿廣深鐵路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線施工時，路基沉降采用自動監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測。從監(jiān)測項(xiàng)目、沉降監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)、監(jiān)測設(shè)備、沉降監(jiān)測精度與技術(shù)要求、監(jiān)測頻率與監(jiān)測控制值及警戒值方面論述沉降監(jiān)測；從自動監(jiān)測系統(tǒng)組成、自動監(jiān)測信息系統(tǒng)、精密光電測距三角高程測量原理和精密光電測距三角高程測量精度方面分析自動監(jiān)測技術(shù)；從沉降曲線和沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析自動監(jiān)測結(jié)果；提出采用基于自動全站儀的自動監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測暗挖隧道下穿既有線路基沉降可行等結(jié)論。

暗挖隧道；既有線；路基沉降；自動監(jiān)測系統(tǒng)

1 概況

東莞—惠州城際軌道交通工程常平—常平東站區(qū)間暗挖隧道下穿廣深鐵路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線情況見表1。暗挖隧道區(qū)段上覆第四系全新統(tǒng)人工堆填層、第四系全新統(tǒng)沖積層）、第四系殘積層，下伏基巖為前震旦系混合片麻巖。隧道采用礦山法施工，采用馬蹄形斷面；襯砌結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)和二次襯砌之間施作全包防水層，二次襯砌采用防水混凝土澆筑。隧道為兩條雙洞單線隧道。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，隧道暗挖施工進(jìn)入影響作用分界里程范圍至隧道二次襯砌施工完成一個月后，需對廣深鐵路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線進(jìn)行監(jiān)控量測，連續(xù)監(jiān)測施工影響范圍的路基沉降、接觸網(wǎng)立柱和信號機(jī)等附屬設(shè)施基礎(chǔ)的沉降，以及軌道幾何狀態(tài)變化情況，為信息化施工提供可靠數(shù)據(jù)，確保施工期間廣深鐵路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線的行車安全和施工安全。

表1 暗挖隧道下穿廣深鐵路情況

廣深鐵路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線為客運(yùn)專線，線路等級高，動車組列車行車密度大，采用通常人工水準(zhǔn)測量對路基沉降進(jìn)行監(jiān)測，其受行車影響大，效率低，難以每天多次連續(xù)監(jiān)測，且在路基上進(jìn)行監(jiān)測作業(yè)，對行車安全和監(jiān)測人員安全造成隱患。因此，采用全站儀自動監(jiān)測系統(tǒng)（光電測距三角高程測量）進(jìn)行監(jiān)測。在此分析基于全站儀的自動監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成、自動監(jiān)測技術(shù)方法、自動監(jiān)測信息傳輸與控制技術(shù)方法，以及現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用情況。

2 沉降監(jiān)測

（1）監(jiān)測項(xiàng)目。隨著隧道開挖施工，其上方及側(cè)向土壓力發(fā)生改變。為保證廣深鐵路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線運(yùn)輸安全，設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)圖上標(biāo)定了下穿Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線地段的影響作用分界里程，其監(jiān)測項(xiàng)目為既有鐵路路基沉降、接觸網(wǎng)立柱和信號機(jī)等附屬設(shè)施基礎(chǔ)沉降。

（2）沉降監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，隧道下穿地段影響作用范圍的既有鐵路路基沉降監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在路基兩側(cè)路肩，按每10 m間距布設(shè)1個，每個接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)布設(shè)1個，每個信號機(jī)基礎(chǔ)布設(shè)1個。路基沉降布設(shè)25個監(jiān)測點(diǎn)，接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)和信號機(jī)基礎(chǔ)沉降各布設(shè)4個監(jiān)測點(diǎn)。

（3）監(jiān)測設(shè)備。采用帶精密光電測距三角高程測量的自動監(jiān)測系統(tǒng)。

（4）沉降監(jiān)測精度和技術(shù)要求。對變形測量精度等級按三等要求（見表2）；對帶精密光電測距三角高程測量的自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求見表3。

（5）監(jiān)測頻率。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，隧道下穿施工對既有鐵路路基沉降監(jiān)測頻率不得低于常規(guī)項(xiàng)目監(jiān)測頻率的2～3倍。沉降監(jiān)測頻率根據(jù)路基邊坡坡腳距開挖面的水平距離確定（見表4）。

（6）監(jiān)測控制值與警戒值。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，隧道下穿施工對廣深鐵路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線的沉降監(jiān)測控制建議值與警戒值見表5。

3 自動監(jiān)測技術(shù)

3.1自動監(jiān)測系統(tǒng)組成

自動監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測、基準(zhǔn)、測站和控制中心組成。

（1）監(jiān)測部分。由安裝有L形小棱鏡的沉降監(jiān)測點(diǎn)組成，直接反映監(jiān)測點(diǎn)的沉降情況。路基沉降監(jiān)測是在路肩兩側(cè)監(jiān)測點(diǎn)位置埋設(shè)混凝土方墩，混凝土方墩中植入螺栓，通過圓鋼支架安裝小棱鏡；接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)和信號機(jī)基礎(chǔ)可直接通過圓鋼支架安裝小棱鏡。小棱鏡安裝高度根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際觀測條件和通視力情況確定。

（2）基準(zhǔn)部分。檢核測站的穩(wěn)定性，并對測站位置變化作出修正。根據(jù)有關(guān)規(guī)范和現(xiàn)場實(shí)際情況，設(shè)定3個基準(zhǔn)點(diǎn)，安裝了3個L形小棱鏡?；鶞?zhǔn)點(diǎn)設(shè)在隧道下穿施工影響作用范圍以外、便于長期保存的穩(wěn)定位置。

表2 變形測量精度

表3 自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求

表4 沉降監(jiān)測頻率

表5 沉降監(jiān)測控制建議值與警戒值 mm

（3）測站部分。是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端，由全自動全站儀、數(shù)據(jù)通信設(shè)備、供電設(shè)備及其他附件組成。根據(jù)工程現(xiàn)場條件，在隧道施工影響作用范圍以外的廣深鐵路Ⅳ線（里程DK92+171）路基旁涵洞頂板上面通視條件較好的位置布設(shè)1個測站，測站采用鋼管混泥土強(qiáng)制對中墩。測站部分安裝了儀器支座，在儀器支座的鋼管混泥土強(qiáng)制對中墩中植入螺栓，用于安裝全站儀。儀器支座可用于架設(shè)數(shù)據(jù)通信設(shè)備和其他輔助設(shè)備，同時配備防護(hù)設(shè)施，保證儀器安全。測站部分還安裝了由太陽能（500 W）和UPS蓄電池組成的供電電源，可向設(shè)備24 h供電，以及安裝了防雷避雷裝置。

（4）控制中心。是數(shù)據(jù)收發(fā)的控制終端，由微機(jī)、通信設(shè)備、GEOMOS軟件等組成。通過通信及互聯(lián)網(wǎng)授權(quán)，以無線發(fā)送方式派發(fā)指令，控制儀器數(shù)據(jù)采集和接收，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析。

3.2自動監(jiān)測信息系統(tǒng)

為保證監(jiān)測成果的及時性、有效性，自動監(jiān)測及信息管理系統(tǒng)采用GEOMOS自動監(jiān)測系統(tǒng)，其流程見圖1。

GEOMOS自動監(jiān)測系統(tǒng)是基于精密全自動全站儀開發(fā)的適合各種不同需求的現(xiàn)代高科技實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)。

（1） 硬件環(huán)境。GEOMOS自動監(jiān)測系統(tǒng)硬件包括全站儀、計(jì)算機(jī)及其他一些附件，采用的是精度高、穩(wěn)定性好的全自動馬達(dá)驅(qū)動全站儀。工程采用的徠卡TS15a型全站儀測角精度達(dá)到1"，測距精度達(dá)到1 mm+2 ppm。

（2）軟件環(huán)境。GEOMOS軟件主要分為監(jiān)測和分析兩部分。監(jiān)測部分是數(shù)據(jù)采集和計(jì)算的中央控制單元，用于儀器控制、多種限差實(shí)時檢核及報(bào)警、實(shí)時圖形化顯示系統(tǒng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)等。分析部分主要是對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，可進(jìn)行在線和離線數(shù)據(jù)分析、圖形化與數(shù)字化時間序列分析，生成監(jiān)測站點(diǎn)圖和進(jìn)行數(shù)據(jù)粗差探測及剔除等。GEOMOS自動監(jiān)測系統(tǒng)能夠加入氣象傳感器，對測量時大氣環(huán)境等造成的影響進(jìn)行改正。GEOMOS軟件通過控制全站儀實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，并通過優(yōu)化算法輸出各監(jiān)測點(diǎn)的高程。

3.3精密光電測距三角高程測量原理

光電測距三角高程測量見圖2。在O點(diǎn)安置儀器進(jìn)行觀測，觀測到O到A點(diǎn)的水平距離OB點(diǎn)和水平面的夾角，待A點(diǎn)有高差變化后，再觀測到OA'點(diǎn)和水平面的夾角。

圖1 自動監(jiān)測信息系統(tǒng)流程示意

3.4精密光電測距三角高程測量精度分析

在光電測距三角高程測量中，采用視距≤300 m、俯視角≤15 °和四側(cè)回，按照誤差傳播定律計(jì)算高程中誤差。采用測距精度1 mm+2 ppm、測角精度 1″的全站儀，并采用四測回，計(jì)算得到的高程中誤差滿足高程精度小于1 mm的要求。

4 自動監(jiān)測結(jié)果分析

廣深鐵路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線路基沉降監(jiān)測于2012年10月10日—2013年7月21日。按表4的沉降監(jiān)測頻率進(jìn)行監(jiān)測，累計(jì)監(jiān)測994次。

4.1沉降曲線分析

根據(jù)每周星期五的監(jiān)測周報(bào)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)繪制的路基沉降曲線見圖3，接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)沉降曲線見圖4，信號機(jī)基礎(chǔ)沉降曲線見圖5，并對圖3—圖5進(jìn)行分析。

（1）路基、接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)及信號機(jī)基礎(chǔ)沉降曲線呈緩慢平穩(wěn)發(fā)展，沒有出現(xiàn)陡降現(xiàn)象；各監(jiān)測點(diǎn)沉降曲線呈平緩規(guī)則排列，說明暗挖隧道下穿施工期間圍巖穩(wěn)定，路基、接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)及信號機(jī)基礎(chǔ)沒有出現(xiàn)異常沉降。

（2）沉降曲線均在沉降坐標(biāo)10 mm以內(nèi)，說明暗挖隧道下穿施工期間路基、接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)及信號機(jī)基礎(chǔ)沉降沒有達(dá)到警戒值15 mm。

（3）所有沉降曲線的尾部基本達(dá)到水平線，說明隧道二次襯砌施工完成一個月后，路基、接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)及信號機(jī)基礎(chǔ)沉降已經(jīng)穩(wěn)定，可以停止監(jiān)測。

圖3 路基沉降曲線

圖4 接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)沉降曲線

圖5 信號機(jī)基礎(chǔ)沉降曲線

4.2沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)每月最后一天的監(jiān)測月報(bào)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對2012年10月—2013年7月的監(jiān)測月報(bào)進(jìn)行分析。監(jiān)測期間，路基月沉降值在-0．4～2．3 mm，單月最大沉降值為2012年12月的2．3 mm；信號機(jī)基礎(chǔ)月沉降值在-0．5～1．3 mm，單月最大沉降值為2013年1月的1．3 mm；接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)月沉降值在-0．4～2．1 mm，單月最大沉降值為2012年12月的2．1 mm，路基、接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)及信號機(jī)基礎(chǔ)的單月沉降值較小，沒有達(dá)到警戒值15 mm。監(jiān)測結(jié)束時的路基累計(jì)沉降最大值為6．1 mm，信號機(jī)基礎(chǔ)累計(jì)沉降最大值為2．7 mm，接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)累計(jì)沉降最大值為5．3 mm，路基、接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)及信號機(jī)基礎(chǔ)的累計(jì)沉降值沒有達(dá)到警戒值15 mm。

5 結(jié)論

（1）基于自動全站儀的自動監(jiān)測系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集和計(jì)算，監(jiān)測人員無需進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行作業(yè)，確保行車和施工安全。

（2）基于自動全站儀的自動監(jiān)測系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際需要隨時調(diào)整監(jiān)測頻率，可按沉降監(jiān)測頻率對路基24 h進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，大大提高了監(jiān)測效率。

（3）暗挖隧道下穿施工期間，廣深鐵路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線的路基、接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)及信號機(jī)基礎(chǔ)沉降曲線呈緩慢平穩(wěn)發(fā)展，沒有出現(xiàn)陡降現(xiàn)象。累計(jì)沉降值較小且最終趨于穩(wěn)定，沒有達(dá)到警戒值15 mm。施工期間，沒有啟動應(yīng)急預(yù)案和任何線路維修措施。

（4）工程應(yīng)用表明，采用基于自動全站儀的自動監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測暗挖隧道下穿既有線路基沉降可行。

[1] GB 50026—2007 工程測量規(guī)范[S]．

[2] JGJ 8—2007 建筑變形測量規(guī)范[S]．

[3] 李廣曄，蘭雁． 強(qiáng)制對中觀測墩的制作[J]． 地礦測繪，2004(3)．

[4] 谷川，楊元偉． 全站儀自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)研究與開發(fā)[J]． 鐵道勘察，2011(5)．

[5] 張貴軍，王志文． 全站儀水準(zhǔn)式三角高程測量的研究與應(yīng)用[J]． 測繪與空間地理信息，2009(5)．

銀健民：廣州鐵路（集團(tuán)）公司科學(xué)技術(shù)研究所，高級工程師，廣東 廣州，510100

責(zé)任編輯葛化一

U213.1

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1672-061X（2014）03-0069-04