地铁隧道及轨道变形远程自动化监测及分析

李春芳

（中铁十七局集团第六工程有限公司　福建省　福州市　350000）

地铁隧道及轨道变形远程自动化监测及分析

李春芳

（中铁十七局集团第六工程有限公司福建省福州市350000）

随着城市建设的大规模发展，按照轨道交通线网规划，地铁骨架线将首先建成，新建换乘地铁站不可避免地要穿越既有线车站结构或区间隧道，新建地铁车站有上穿或下穿既有线结构两种方式。例如，北京地铁5号线东单暗挖车站从既有1号线区间隧道上面穿越，崇文门暗挖车站从既有1号线下面穿过[1]。北京地铁4号线宣武门车站将下穿既有地铁2号线宣武门站施工，西单站暗挖部分将从既有1号线区间隧道上面穿越。由于新建地下工程施工而引起的对既有地下结构影响的问题已是地铁建设中一个亟待解决的技术关键。为保证既有线结构的安全和正常运营，在地下穿越工程施工期间，需要对既有线地铁进行全天候的实时监控量测。传统监测技术在高密度的行车区间内无法实施，且不能满足对大量数据采集、分析以及及时准确的反馈，因此采用远程自动化监测系统对既有线的结构和轨道变形进行24h监控量测。

地铁隧道；远程；自动化监测

1　工程概况

北京地铁4#线西单站位于西长安街与宣武门内大街、西单北大街相交处十字路口的东侧，呈南北走向，与既有1#线西单地铁车站呈“T”字形换乘。该车站中部采用双孔并行大断面暗挖隧道下穿长安街、上跨既有地铁1#线区间隧道（图1），是全线风险等级高的重难点控制工程之一。该工程实施过程中最核心的问题是控制变形，不但要减少两孔隧道之间的相互影响，还要减少对上部繁华街道和下部繁忙地铁运营线的影响。

图1　新建车站与既有1#线位置关系纵断面

暗挖段上跨1#线既有区间，暗挖段底板板底与1#线既有区间隧道结构顶净距0.5m，为即新建地下工程从既有地下结构上部垂直穿越的近接施工。新建4#线西单车站暗挖段施工卸载以后对1#线区间隧道的影响不可忽视。新建4#线西单车站暗挖段上跨1#线既有区间，暗挖段底板板底与1#线既有区间隧道结构顶净距0.5m，且既有区间结构二衬施工时间较早，没有配钢筋，抗变形能力差。4#线西单站上穿施工时，在暗挖隧道开挖卸载以后，将产生向上推力，使既有隧道上浮，若上浮量过大，1#线区间结构纵向内力就会超出初始状态较多。因此，区间结构在纵向上裂缝会进一步加剧，裂缝的增多增深可能会使二衬出现碎裂而影响1#线行车安全。根据既有隧道结构竣工资料及现状检测结果，经过计算分析表明，既有隧道结构现状安全度已经达到临界状态。因此，既有1#线区间隧道因卸载以后产生的危害应引起高度重视。同时，为保证既有1#线正常运营，就必须保证轨道几何形位（包括轨距、水平、高低及相应的变化率）不受影响。如结构变形影响引起轨道变形，也会影响1#线的运营安全。

2　监测项目、监测原理及测试系统

2.1监测项目

既有线结构变形的监测，采用采用静力水准仪，布设方案为：以4#线西单站穿越中心线为基准，在其下宽80m的区域作为重点监测区域，间距4m，共布设20个测点（包含基点）。既有线轨道变形监测采用在地铁排水沟中布设静力水准系统（需将静力水准系统小型化）的方法进行监测，布设方案为：在其下宽80m的区域作为重点监测区域，上、下行线共布设18个沉降测点（包含基点），具体布置如图2。

图2　隧道及轨道结构变形监测点布置

2.2测试原理

静力水准仪依据连通器原理，用电容传感器，测量每个测点容器内液面的相对变化，再通过计算求得各点相对于基点的相对沉陷量。如图3所示，设共布设有n个测点，1#点为相对基准点，初始状态时各测量安装高程相对与（基准）参考高程面▽H0间的距离则为：Y01、Y02…Y0i…Y0n；各测点安装高程与液面间的距离则为h01、h02、h0i…h0n，则有：

图3　测量原理

当发生不均匀沉陷后，设各测点安装高程相对于基准参考高程面▽H0的变化量为：Δhj1、Δhj2…Δhji…Δhjn（j为测次代号，j= 1，2，3……）；各测点容器内液面相对于安装高程的距离为hj1、hj2、…、hji、…、hjn。

则j次测量i点相对于基准点1的相对沉陷量Hi1为：

由（2）式可得：

由（1）式可得：

将（5）式代入（4）得：

即只要用电容传感器测得任意时刻各测点容器内液面相对于该点安装高程的距离hji（含hj1及首次的h0i），则可求得该时刻各点相对于基准点1的相对高程差。如把任意点g（1，2…i，n）做为相对基准点，将f测次作为参考测次，则按（6）式同样可求出任意测点相对g测点（以f测次为基准值）的相对高程差Hij：

2.3数据自动采集系统

监测功能包括对各类传感器的实测数据进行自动采集和对实测的信号做出越限报警。同时为满足对地铁隧道安全监测的各种不同的管理要求，本系统提供了5种不同的监测数据采集方式，以增加系统的灵活性，便于远程服务[2]。

（1）数据采集单元（DAU）定时测量方式（即无人值班方式）。根据监控主机所设定的测量时间，DAU能自动定时地进行选测和巡测。该方式主要用于日常常规测量。

（2）人工干预测量方式。必要时，测试人员可通过监控主机任意进行测量。该测量方式的优先权高于其它任何方式，主要用于在特殊情况下可任意加密测次及对重点监测部位实施任意频次的测量。

（3）网络化测量方式。本系统具备有网络化的管理功能，任何一台计算机联入此网络后，可在计算机终端上实施数据采集；资料查询等。

（4）人工测量方式。作为一种后备方式，当监控主机或通信线路发生故障时，在恢复通信之前采用便携式计算机实施人工数据采集。DAU由于采用全模块化结构，更换模块非常方便，DAU不会因为模块故障而长期停测。

（5）远程控制测量方式。本系统提供了远程控制测量功能，通过远方办公室的计算机，可在任何地方自如地实现数据采集和通信。

该系统能够实现自动的数据采集、计算、图形制作、数据分析、数据存储、数据信息管理、系统的自检、而且能够实现网络化远程操作，是真正意义上的远程监测系统。

3　仪器安装、调试及保护

仪器的安装如图4～5所示，按要求在测点预埋φ180三个均布的M8×40（伸出长度）螺杆[3]。安装注意事项如下：

图4　地铁隧道侧壁静力水准仪安装

图5　地铁轨道基础静力水准仪安装

（1）检查各测墩顶面水平及高程是否符合设计要求。

（2）检查测墩予埋钢板及三根安装仪器螺杆是否符合设计要求。

（3）提前将仪器主体容器塑料管连接处用水冲洗干净。

（4）在测墩钢板上安放仪器，用水平仪测定并调整顶板水平及高程，具体可以通过调节水准螺栓来调整。

（5）用槽架稳定并保护连接管，同时用连接管连接仪器，并在因其中加入SG溶液以排除连接管中气泡。

（6）在主体容器内放入浮子。

（7）在主体容器上安装顶板，并将传感器装于其上。

在水准管和仪器安装完成时，将电缆和电容器焊接好并对焊接处采取绝缘措施。

3芯屏蔽电缆的红芯接测量模块的信号接线端口，白、黄芯接激励（桥压）接线端口。当容器液位上升时，电容比测值应变小，否则将白、黄芯接线位置互换。

4　监测结果分析与反馈

4.1控制标准

为了总变形值、上浮速率都在控制范围内，按照允许值的70%、80%作为预警值、报警值；并在每一施工步序中进行分解、确保每一步序的结构变形都在控制指标内。根据施工影响分析计算中体现的变形规律分解总变形值，控制标准见表1。

表1　既有线上浮控制标准

隧道施工过程中对既有线进行24h不间断监测，全部监测数据（数据采集及数据分析）均由计算机管理，若出现较大沉降或沉降速率加速时，及时反馈信息。

4.2监测结果分析

既有线北侧线路以上浮值为最大的测点BG06和BJ06为例，绘出结构和轨道的上浮历程规律如图6所示；南侧线路以上浮值为最大的测点NG04-1和NJ06为例，绘出结构的上浮历程规律如图7所示；轨距变化的历程规律如图8所示。

图6　既有线北侧轨道及结构上浮时程曲线

图7　既有线南侧轨道及结构上浮时程曲线

由图6～7所示，同一侧结构和轨道上浮历程曲线形状相似，结构和轨道变形相互对应，与实际情况是相符的。结构和轨道上浮的最大值为3.2mm，没有超过控制标准。

图8　轨距变化时程曲线

从单个历程曲线分析，上浮随施工过程主要经历以下三个阶段：

（1）微小变形阶段。开挖初期，隧道开挖卸载量不大，对既有线影响较小，上浮量很小，增加也很缓慢。

（2）急剧增加阶段。随着开挖工作面的增加，隧道开挖卸载量增加幅度大，对既有线影响较大，上浮变形速率迅速增加，上浮变形量急剧增大。该阶段一直持续到开挖和初期支护基本完成，上浮达到最大值。变化的机理主要是由于隧道开挖引起地层应力释放，造成围岩应力重分布，既有线上方荷载及约束解除。该阶段是上浮变形的主要阶段。

（3）缓慢变形阶段。当开挖和初支完成后，变形速率逐渐减小，上浮变形有所回落。随着二衬的施作，既有线实际上又经历了加载和恢复约束的过程，所以上浮变形减小。

比较南侧和北侧的历程曲线，两者也有所不同。南侧的变化速率比北侧的大，南侧的回落现象也较为明显。这与施工顺序产生的力学作用也是相符的。隧道的开挖和支护都是从南侧进行的，南侧首先受到影响，因此南侧的变化速率大。浇筑二衬也是从既有线南侧开始的，所以南侧上浮变形回落现象较为明显。

从图8轨距的变化历程曲线看，轨距变化很小，在施工高峰期测到了轨距变化，但变化在0.1mm以内。因此，既有线上方开挖隧道在上浮量控制在一定范围内的情况下，隧道开挖对既有线轨距的影响很小。

5　结论

（1）结构和轨道上浮满足各分阶段控制目标要求，最终的最大值为3.2mm，也没有超过控制标准的要求。

（2）从单个历程曲线分析，上浮随施工过程主要经历了微小变形阶段、急剧增加阶段和缓慢变形阶段。

（3）既有线上方开挖隧道在上浮量控制在一定范围内的情况下，隧道开挖对既有线轨距的影响很小。

[1]徐春明，汪春桃，孙泽信，等.地铁保护区变形自动化监测技术应用研究[J].工程勘察，2014（12）：14～15.

[2]刘朝明，文志云.远程监控管理技术及在轨道交通建设中的应用[J].上海建设科技，2005（5）：11～12.

[3]刘绍堂，李建新，周跃寅.光纤变形监测方法在隧道工程中的应用研究进展[J].公路，2014（10）：4～15.

[4]付丽丽，叶亚林，陈昊，等.自动化监测技术在地铁隧道中的应用[J].城市勘测，2012（6）：143～147.

[5]张士宇，蒋宏伟，吕洪斌，等.自动化监测技术在地铁运营监测中的应用[J].科技和产业，2014（4）：131～134.

U231+.92

A

1673-0038（2015）21-0232-03

2015-5-2

李春芳（1978-），男，工程师，本科，主要从事轨道交通、地铁工作。