基坑施工对临近运营地铁隧道影响监测的实践

卫建东，楼楠

（1．信息工程大学测绘学院，河南 郑州450052）

摘要：由于受基坑开挖所产生的卸载、基坑降水等影响，临近地铁隧道的受力条件将改变，造成地铁隧道的变形和位移。采用自动化技术实时监测地铁隧道的变形，对保证地铁运营安全至关重要。本文结合广州大马站商业中心项目基坑开挖对临近运营地铁一号线隧道结构变形变位自动监测工程项目的实践，对自动全站仪监测系统在地铁隧道监测方面的系统构建、测量方法、测量精度、监测效果等方面进行论述。实际应用表明，系统以高精度、自动化的优势，及时提供可靠的动态监测数据，科学指导了基坑施工，保证了地铁运营安全，取得了良好的效果。

关键词：地铁  基坑施工  自动全站仪  自动监测

Abstract:The mechanics change of The metro tunnel influenced by unloading and dewatering due to adjacent foundation pit，it result in Deformation of metro tunnel.monitoring of deformation based on Auto supervisory survey is important for safety of metro’s management. In this article，associate with the project of Damazhan emporia foundation pit of Guangzhou，we dissertate system composition，surveying method，surveying precision and surveying effect of total station auto supervisory system of metro tunnel. The actual application shows that supervisory system provides credible survey data in time by right of high precision and automatization，and guides pit construction scientifically，and ensures metro working safely，it obtains a favorable effect.

Keywords: metro；project of foundation pit；total station；auto supervisory system

地铁建成运营一段时期后，由于外界环境趋于稳定不变，地铁隧道结构比较稳定，监测的周期一般比较长。当隧道临近或上方建设构筑物，尤其在开挖基坑阶段，受卸载和基坑降水等的影响，隧道结构的受力发生变化，将产生变形和位移。监测变形大小，控制引起变形的因素，是保证地铁安全运营的重要任务之一。由于该方面监测的周期短，要求时效性强，实时自动监测十分必要。广州大马站商业中心项目紧邻地铁1号线公园前站至农讲所站上行线区间，为保证地铁的安全运行，在基坑开挖和地下室施工至±0.00期间，对受基坑施工影响的60米长度隧道区间进行变形变位监测。地铁1号线运营时间一般从早上6:00到晚上23:00，由于运营时间，测量人员无法下隧道测量，只能在夜间停运后测量。而白天是基坑施工的主要时间，也是监测的关键时间，因此，工程选择了基于自动全站仪开发的无接触式自动测量系统，实现了对运营地铁隧道结构三维变形变位的自动监测统。

2 自动监测系统构成

系统在无需操作人员干预条件下，实现自动观测、记录、处理、存储、变形量报表编制、变形趋势显示等功能。

2.1 自动全站仪

自动全站仪具有ATR（Automatic Target Recognition）自动目标识别功能和马达驱动功能，可实现对棱镜目标的自动识别与精确照准，因此，自动全站仪又称测量机器人。本监测工程采用的是徕卡自动全站仪TCA1800，该仪器的测角精度为1.0〞，测距精度为1mm±2ppm。用户可以通过GeoBasic开发工具或GeoCom函数对TCA1800全站仪进行指令控制，在指令控制下，实现全站仪的自动测量。

2.2 观测棱镜

棱镜作为观测标志，利用膨胀螺丝紧密固定在隧道壁上，棱镜标志能被自动全站仪自动识别、精确照准和测量。在本监测工程中，监测点采用L小棱镜，基准点采用标准圆棱镜。设置基准点与变形点的位置特别要考虑仪器视场，否则，将会出现在仪器视场中发现多个棱镜而无法测量。采用TCA1800的小视场功能与正常视场相比，可使监测点数量增加8－9倍。

2.3 计算机控制系统

中继站计算机是系统的控制中心，通过通讯电缆和全站仪连接，利用安装在计算机中的系统控制软件实现整个监测过程的全自动化。控制软件采用自主开发的InTMoS智能全站仪自动变形监测软件，根据用户设置的每天各周期测量开始时间，自动启动测量过程。在测量过程中，自动判断各测回内和测回间的测量成果是否超限，如果出现目标遮挡（如列车驶过的遮挡），系统自动进行合理等待处理，通过对测量成果是否超限的判断和处理，大大提高了测量成果的精度。每周期自动测量结束后，系统自动解算各观测点三维坐标的周期位移量，并将观测值数据，周期平差数据、位移量等存储在Microsoft Access数据库中，实现数据的快速存储、检索和实时显示和输出。

系统软件提供位移曲线的图形显示功能，可以浏览和输出各点的三维坐标位移量随时间的变化曲线，也可以浏览和输出某一周期三维坐标位移量随点位分布的变化曲线，同时自动生成基于Microsoft Word格式的监测数据报表。监测数据报表包括各点各周期的三维变形量的变化值和累加值报表，以及各周期的前两位累加变形值报表。

3. 现场监测情况

3.1 监测网的布设

该工程监测网有1个测站点、3个基准点、20个监测点组成。如图1所示，基准点设在远离变形区的两边，基准断面1有2个基准点，基准断面2有1个基准点。监测点分5个断面布设，相邻断面间距约15米。每个监测断面设4个监测点，分布位置见图2所示，四个监测点分布在盾构隧道靠近基坑的一侧，分别位于隧道横断面的底部、中下部、中上部和顶部。仪器设站点约位于隧道监测区间的中间位置，靠近3号监测断面，位于隧道横断面的中下部。

监测点的命名规则，从左起：第1位为字母D，代表变形点；第2位为数字，代表断面号；第3位为数字，代表在该断面的点号，点号1位于底部，点号2位于中下部，点号3位于中上部，点号4位于顶部。例如，D32表示第3断面中下部的变形点，即第3断面的2号点。

3.2 测量方法

坐标系设置为自定义的空间直角坐标系，见图1所示，隧道近似轴线方向为Y方向，铅垂方向为Z方向。在该监测工程中，把所有变形点分成两组测量，其中第1、4、5断面和3个基准点共15个点为第一组，第2、3断面和3个基准点共11个点为第二组。每组测量时，都按全圆观测法观测两个测回，对组内的各测回测量限差进行判断，确保观测质量。每周期全部测量完成两组点只需时间15分钟，根据需要每天测量3－5周期。如果每天24小时不间断监测，每天最多可以测量90个周期。

3.3 观测数据的处理

自动监测系统利用全站仪的极坐标三维测量原理，由于该工程测量范围小，两端基准点之间的距离为150米左右，同时列车的运行，使得测量区域内的各点的气象条件较为一致，因此，通过一定的观测数据处理方法，可以消除由于不同测量周期测量时的气象变化所引起的测量误差。目前，较为常用的观测数据处理方法为多重差分法和坐标转换法。利用差分方法进行观测数据的处理，除基准点稳定不动外，测站点在各观测周期间也要求稳定不变，或者测站点相对稳定基准点的位置已知。坐标转换法利用基准点在各观测周期的坐标数据，求取当前周期观测坐标系相对于首期观测坐标系的转换参数，进一步求当前周期监测点在首期坐标系下的坐标，然后，可以得到监测点的变化量。

这两种数据方法不仅可以消除或减弱气象变化所引起的测量误差，还可以消除或减弱全站仪在自动测量过程中的度盘零方位的漂移等系统性误差。在该监测工程中，为分析比较两种方法，系统软件设计时，采用了差分和坐标转换两种方法。由于测站点位于变形区，最后只提供坐标转换的结果，差分结果做为参考。

3.4观测精度分析

影响观测的精度的因素很多，对变形观测而言，由于不随时间变化的系统误差可以在两周期求变化值时基本消除，这方面的误差可以不予考虑。影响变形观测精度的主要因素有随时间变化的系统误差及偶然误差的影响。对本系统而言，不随时间变化的系统误差主要有仪器本身构造引起的的误差、测站和目标点固定的对中误差；随时间变化的系统误差包括仪器随时间的度盘零方位的漂移、外界气象条件引起的观测值的变化；偶然误差主要是仪器测量时的随机误差，主要体现为仪器的标称精度。随时间变化的系统误差通过采用差分方法或坐标转换方法可以基本消除。

本监测工程采用的是TCA1800全站仪观测，根据实际测量中周期内测量标准差统计，估计实际各断面测角观测值和测距观测值的精度，具体见表1所示。

表1：各断面观测精度统计表

从统计结果可以看出：本监测工程，TCA1800现场实际的测量精度为：水平角测角精度0.2~0.3秒，垂直角测角精度0.5~0.6秒，测距精度为0.1毫米，表中的点位精度为利用Helmert点位误差公式估算的结果。考虑到基准点测量误差后，监测点的观测误差约为： ，监测点的位移量观测精度约为0.4mm。可以认为当位移量超过0.8mm时，可以认为监测点发生了位移。

4.变形趋势分析

该监测工程经历了一年的监测时间，于2006年6月7日结束，每日测量3－5个周期，获得了大量的数据，为施工的顺利进行提供了及时准确的数据。为反映变化趋势，作者选取断面中靠近基坑，具有代表性的3号点的日沉降变化，2号点的X方向日变化，以曲线形式列出。见图3、图4所示。

从图3各断面沉降图上看（负为下沉，正为上升），各点在一段时间下沉不明显，在第100天到第180天下沉较快，初步分析原因可能和该时期的基坑降水有关，在维持一段时间基本不变后，后期有一些回弹。在各断面中，4号断面沉降最大、其次为5断面、3断面，1和2断面沉降不明显。

从图4各断面X方向位移图上看，各断面具有向基坑方向位移的趋势。2、3、4断面X方向的位移较大，且存在向基坑方向移动的趋势。在2、3、4断面中，2号点、3号点位移较大，另外，各点在Y方向上的位移不大，整体呈现向基坑位移收缩的趋势，由于篇幅有限，具体曲线不再列出。

对于地铁结构及隧道的位移、沉降、横向位移，要求达到10mm进行报警，达到15mm时决定采取适当应变措施及行动时间表，严格控制在20mm以内。从以上曲线可以看出最大下沉不超过5mm，最大横向位移不超过3.5mm，均在要求的范围内。另外从变化曲线的摆动情况看，曲线的最大锯齿不超过1mm，也表明该监测工程的监测精度高。

5 几点体会

（1）监测点的设置要综合考虑监测要求和自动全站仪的视场要求，安装前要做好设计。

（2）全站仪的供电和计算机供电尽可能是同一路电，最好供电电缆直接连到计算机的供电插板上，有利于信号放大装置与全站仪供电系统运行安全。

（3）数据处理选择坐标转换方法好于差分方法，尤其在重新设置全站仪或更换全站仪时，差分方法要精确测定全站仪中心坐标，而坐标转换不需要。

（4）尽可能不在列车停运时监测，该时间段为地铁维修和检查阶段，受人员、车辆影响大，而正常营运时间，列车的行使还促进空气流动，保持隧道区间温度的一致性。

（5）基于自动全站仪开发的无接触式自动测量系统，简便、灵活、无人值守、实时、动态的监测特点，是运营地铁隧道变形不间断三维监测的理想手段。

参考文献

[1] 卫建东，包欢，徐忠阳，等.基于多台测量机器人的监测网络系统[J].测绘学院学报，2005，22(2)：154－156

[2] 于来法.论地下铁道的变形监测[J].测绘通报，2000，（5）：13－15

[3] 张其云，郑宜枫.运营中地铁隧道变形的动态监测方法[J].城市道路与防洪，2005，（4）：87－89

卫建东：E_Mail: wjd-2002@sohu.com；15981899325；