运营期地铁隧道结构变形监测探讨

朱国琦

摘要:本文分析了运营期地铁隧道结构变形监测内容和测点布设，从地铁隧道监测坐标系和基准点的确定及地铁隧道监测成果的取得阐述了运营期地铁隧道结构变形监测。

关键词:地铁, 运营期; 隧道结构; 变形监测

1运营期地铁隧道结构变形监测内容和测点布设

1.1监测内容

(1)隧道三维结构变形；

(2)隧道中心轴线变形；

(3)隧道垂直位移；

(4)隧道横向水平位移；

(5)隧道收敛变形；

(6)隧道水平倾斜；

(7)隧道接缝平均张开度变形。

1.2测点布设

(1)测点分基准点、工作基准点、测站点、变形点和检验点5类。

首先建立一个本文的示例。设在隧道长度方向变形源的长度为150m,变形源中心深度15m,推算在隧道长度方向变形源影响区域的长度约为240m。测站距变形源影响区域边缘24m,测站距车站控制基准点300m,在一半的距离150m处设立工作基准点,则各类测点的布设。

a.在车站隧道布设3个基准点J1,J2,J3。

b.测站点CZ布设在变形源影响区域之外,是全站仪的强制对中安置点。

c.工作基准点GJ1,GJ2是测站工作的后视定向点和高程、平面控制的传递点。

d.变形点布设在变形源影响区域。本例中,在一个隧道环片上布设4个变形点,4个变形点的位置为隧道环片圆内接正四边形的四个端点。每隔10环布设一个断面,共布设21个隧道环片。测点编号,第i个环片为CiA,CiB,CiC,CiD。

同一隧道环片上布设的4个变形点近似地被认为是处于同一横断面(可以在测点布设时尽量做到),所引起的对监测结果的误差影响在实际的工程监测实例中通常被忽略不计,故同一隧道环片上的测点布置等同于同一隧道横断面上的测点布置。本文示例的横断面均为从测站面对观测点方向所视的横断面。隧道横断面变形点布置如图1所示。

图1 横断面变形点布置示意图

e.本例中,检验点是在距最后一个观测点断面24m远的位置,布设4个检验点,测点编号为CJA,CJB,CJC,CJD,用来检验变形点的测量精度和可靠性。本文的测点布置示例只是为了说明监测方法的要义,根据不同的实际监测案例,可按实际需要设定变形点横断面距离间隔,以符合特定的监测需要。

(2)观测点和检验点都采用标准棱镜作为观测标志,固定在隧道管片上。

(3)仪器安置在测站点,固定在作为观测台的带有强制对中盘的钢架上,钢架采用膨胀螺丝固定在隧道管片上。

(4)基准点和工作基准点都像测站点一样,布设成带有强制对中盘的观测台,既可放置仪器又可安装棱镜。

2地铁隧道监测坐标系和基准点的确定

2.1三维直角坐标系设定

坐标系设置为自定义的三维直角坐标系。将测站点CZ到检验点CJA的连线的投影作为平面北(N)坐标轴,通过CZ点与北坐标轴成90°方位角的为平面东(E)坐标轴,通过CZ点与N,E坐标轴所在平面垂直的为表示高程的Z轴。

2.2基准点、工作基准点和测站点坐标的测定

在变形源影响起作用前,将仪器架于测站点CZ,设CZ点的坐标为(0,0,0),二测回精确测出工作基准点GJ1,GJ2的三维坐标。再将仪器分别置于GJ1和GJ2,以CZ点为后视,二测回精确测出基准点J1,J2和J3的坐标为(NJ1,EJ1,ZJ1)、(NJ2,EJ2,ZJ2)和(NJ3,EJ3,ZJ3)。

3地铁隧道监测成果的取得

3.1初始值和三维结构变形

在变形源影响起作用前,将仪器置于测站点CZ,分别以GJ1和GJ2为后视点,二测回对所有的变形观测点和检验点进行二次自动观测,取二次观测的平均值即是这些点的首期观测坐标,也就是变形观测的初始值。

在变形源影响起作用后,将仪器置于测站点CZ,以GJ1为后视点(GJ2为备用点),二测回对所有的变形观测点进行自动观测,取得观测坐标。

设有k1,k2二期观测,测得CiA变形点的三维坐标为:

CiA[(NCiA(k1),ECiA(k1),ZCiA(k1)],CiA[(NCiA(k2),ECiA(k2),ZCiA(k2)],i=1,2,⋯,n。

n为变形点所在的横断面数量。

本文示例的变形点横断面数量为21。

令:DNCiA(k1,k2)=NCiA(k2)-NCiA(k1),DECiA(k1,k2)=ECiA(k2)-ECiA(k1),

DZCiA(k1,k2)=ZCiA(k2)-ZCiA(k1),i=1,2,⋯,n。

则坐标变化量为:CiA[DNCiA(k1,k2),DECiA(k1,k2),DZCiA(k1,k2)]。

同理可得:

CiB[DNCiB(k1,k2),DECiB(k1,k2),DZCiB(k1,k2)],

CiC[DNCiC(k1,k2),DECiC(k1,k2),DZCiC(k1,k2)],

CiD[DNCiD(k1,k2),DECiD(k1,k2),DZCiD(k1,k2)],

i=1,2,⋯,n(1)

式(1)反映了隧道在k1,k2两期之间的三维结构变形。

3.2其他监测内容

3.2.1隧道中心轴线的变形及垂直、横向水平位移

在本文的示例中 , 由图1可知,设隧道中心轴线由每个变形点横断面的隧道圆内接正四边形的中心点Oi连接而成。Oi点的三维坐标(NOi,EOi,ZOi)可由CiA,CiB,CiC,CiD的三维坐标取平均近似的得到。

由式(1)可得,k1,k2期Oi点的坐标变化量为:

Oi[DNOi(k1,k2),DEOi(k1,k2),DZOi(k1,k2)],i=1,2,⋯,n (2)

式(2)反映了k1,k2期间隧道中心轴线的变形。

同理可得:

DZOi(k1,k2)=ZOi(k2)-ZOi(k1)(3)

式(3)反映了第i个隧道横断面k1,k2期间的垂直位移。

DEOi(k1,k2)=EOi(k2)-EOi(k1)(4)

式(4)反映了第i个隧道横断面k1,k2期间的横向水平位移。

3.2.2隧道收敛变形

图1中,令NCiA=NCiB=NCiC=NCiD=NOi,则隧道收敛变形可表示为在NOi处的隧道横断面的收敛变形。设L表示两点间的距离,DL表示距离变化,则有k1,k2期的距离变化为:

DLiAB(k1,k2)=LiAB(k2)-LiAB(k1),DLiCD(k1,k2)=LiCD(k2)-LiCD(k1),

DLiAC(k1,k2)=LiAC(k2)-LiAC(k1),DLiBD(k1,k2)=LiBD(k2)-LiBD(k1),

DLiAD(k1,k2)=LiAD(k2)-LiAD(k1),DLiBC(k1,k2)=LiBC(k2)-LiBC(k1)(5)

式(5)反映了第i个隧道横断面k1,k2期间的收敛变形。

3.2.3隧道水平倾斜变化

图1中,上两测点CiA,CiB连线的倾斜率为:kiAB=(ZiB-ZiA)/LiAB,下两测点CiC,CiD连线的倾斜率为:kiCD=(ZiD-ZiC)/LiCD,平均倾斜率:ki=(kiAB+kiCD)/2。

由上式得k1,k2期的倾斜率变化为:

Dki(k1,k2)=ki(k2)-ki(k1)(6)

式(6)反映了k1,k2期隧道水平倾斜变化,也可反映出地铁左右两根轨道的高差变化。

3.2.4隧道接缝平均张开度变形

第i个横断面中心点Oi的三维坐标为:Oi(DNOi,DEOi,DZOi),第i+1个横断面中心点Oi+1的三维坐标为:Oi+1(DNO(i+1),DEO(i+1),DZO(i+1)),则Oi～Oi+1间的距离为Si,i+1。由k1,k2期观测,得距离变化为:

DSi,i+1(k1,k2)=Si,i+1(k2)-Si,i+1(k1)

本文的示例中,相邻两个变形点横断面间隔10环,每环隧道接缝平均张开度变形可表示为:

λi,i+1(k1,k2)=DSi,i+1(k1,k2)/10(7)

上述式(1)～式(7)中,当k1=k,k2=k+1,即为k+1期的本次变形；当k1=1,k2=k+1,则为k+1期的累计变形。

将上述式(1)～式(7)的变形量通过后处理软件,绘制成三维或二维变形曲线图,可以清楚直观地反映出隧道结构的变形状况。

4结语

本文的示例研究说明了用于地铁隧道变形自动化监测系统中的实际而较为详尽的监测方法。通过这一监测方法,可以运用自动化高精度全站仪一体化地完成所有隧道监测内容的监测,提高了测量效率和可靠性,并保证各变形量的精度在1mm以内。

参考文献

[1] 梁禹，广州地铁一号线越江隧道运营期结构变形监测[J]现代隧道技术，2008.03