自动化监测技术在基坑开挖周边既有地铁隧道变形监测中的应用

陈德春 段伟 肖文龙

地铁是在城市中加快交通便利、缓解城市拥堵的重要公共交通，为人民带来便利的同时，其安全运行是保障人民幸福生活的重要目标之一。全国各大城市地铁系统也在极速发展，同时带动地铁沿线房建项目的兴盛，对地铁沿线工程建设做好既有地铁隧道安全监测是保证其正常运行的必要手段，也是保障公共安全的重要环节。本文主要论述自动化监测技术在城内建设工程对周边地铁隧道变形监测的应用，主要从自动化监测智能性、安全性等方面进行总结，对未来运行地铁隧道变形监测技术提供参考。

一、地铁隧道变形监测现状

地铁隧道监测环境阴暗潮湿、场地狭长、地铁内各种带电设备复杂，现阶段，采取人工监测方式在既有地铁隧道变形检测中缺点较为明显，主要表现为效率较低、可利用监测时间短、精确度不足、观测频率低、监测环境危险性高及人工成本高等方面。因此自动化监测技术利用互联网可以实时监测既有地铁隧道变形情况，既可以解决人工监测弊端，又可以大幅提高监测效率与精度，通过互联网系统掌握隧道即时水平位移、垂直位移、断面变形、收敛变形等方面的基本信息。在隧道中布设监测点，利用监测机器人可长期、持续性地进行监测。

二、项目概况

华润置地·武汉华润万象城项目包括1 栋3 8 层（171.0m，建筑面积96400m2）超高层写字楼、4栋49～58层（164.7～193.1m，建筑面积132000m2）超高层住宅楼、1座7层（34.6～53.0m，建筑面积154000m2）大型商业综合体（局部8层）、一座2层商业街（建筑面积15000m2）及1个4层整体地下室（建筑面积243000m2）。

基坑开挖面积约为6 3 4 2 8 m2，周长1 0 7 6 m，普挖坑底标高-1 9.6 0 0 ～2 2.1 0 0 m，基坑普挖深度-19.600～21.100m，局部塔楼区域坑中坑深度0.500～1.500m。基坑东侧为长江日报南路，南侧为台北二路，西侧为台北路，北侧为建设大道（武汉地铁7号线）。基坑周围对应DKO+160.600-DKO+516.600区间隧道。基坑区域鸟瞰图如图1，地铁隧道与基坑位置关系如图2：

图1 基坑区域鸟瞰图

图2 地铁隧道与基坑位置关系

地铁管底标高-19m，管顶标高-13m，其埋深处于第三道支撑以下第四层土方，右线离基坑最短水平距离为17.5m。

三、监测方案及自动化监测技术原理

1.仪器与系统

为提高对到监测数据精确性，经过充分讨论及多次实地勘探，鉴于本次基坑工程周边环境复杂，地铁隧道内监测范围大、测点多，本次地铁监测采用自动化监测为主，人工监测为辅的监测方式。自动化监测系统为徕卡精密测量机器人TM50+GeoMoS自动监测软件平台。

2.监测点位布置与仪器点位学习

根据相关规范及行业内专家意见本次监测断面间距：右线隧道中每6米设立一个监测断面，延伸区每10米布设一个监测断面。右线隧道共布设65个断面；左线隧道中每9米设立一个监测断面，延伸区每20米布设一个监测断面；左线隧道共布设45个断面。断面设点图如图3，地铁隧道监测断面布置图如图4：

图3 断面设点图

图4 地铁隧道监测断面布置图

为充分发挥徕卡MT50监测机器人自动监测效率及经济效益，本项目监测每条隧道线选用3台MT50监测机器人形成监测网在长450米直径5.5米的曲线隧道内对325个隧道监测点进行监测，点位布设过程中对监测机器人易出现自动寻点异常的监测点进行精确定位，并通过计算寻点角度范围，确保自动监测采集率达到百分之百。监测点三维建模图如图5，现场监测点实拍图如图6：

图5 监测点三维建模图

图6 现场监测点实拍图

3.基准站的安装

安装时应保证稳定性和考虑位置选择的合理性。在隧道壁上按一定尺寸钻孔，打入膨胀螺丝，安装固定仪器支座（具有足够的荷载、保证仪器安全并满足设备限界要求）。数据通讯等附属设备安装在仪器固定支座或其附近。

4.感应传感器的布设

在拟监测区来车方向前约100米处可设置一组传感器（传感器的具体位置通过现场试验确定），即当地铁列车车头到达传感器时，感应传感器通过计算机给测量机器人一个暂停工作t秒的信号，以解决地铁列车运行时遮挡引起的不通视以及列车运行时振动、强气流引起的观测值不稳定的问题。

5.数据采集与数据反馈

自动变形监测系统主要由数据采集、数据传输、系统总控、数据处理、数据分析和数据管理等部分组成，构成如图7：

图7 自动变形监测系统

自动变形监测系统通讯模式分为：远程遥控预案和紧急通讯预案。远程监测遥控系统具体通讯模型如图8：

图8 远程监测遥控系统

如果隧道监测变形数据超过设定警戒值，系统将通过电脑报警，紧急通讯系统具体通讯模型如图9：

图9 紧急通讯系统

四、地铁隧道变形自动化监测成果

当基坑临近地铁隧道区域土方施工至第三层支撑以下，基坑施工深度约13～15米，自动化监测系统发出预警信号，信号反应部分管片位移数据达到预警值。经过现场勘探与巡视，挖深区域辐射管片出现拼缝渗水、后浇筑道床与管片间产生离缝。经过一系列数据的收集、整理、汇总，选择了临近基坑挖深区域变形较大管片水平位移变形数据源、沉降变形数据、管片收敛变形数据；非临近基坑挖深区域变形较大管片水平位移变形数据源、沉降变形数据、管片收敛变形数据；深挖基坑辐射区变形较大点同区同段去向隧道变形数据；深挖区基坑地连墙深层水平位移变形数据；临近地铁侧基坑冠梁水平位移变形数据；基坑内降水井水位数据；基坑外观测井水位数据。通过将所采集数据编制时间-累计变形量曲线图，进行数据变化对比发现：基坑土方施工期间，基坑地连墙及围护体系变形量均保持在较为安全的范围内，基坑所采用的1m厚地连墙+三道钢筋混凝土内支撑支护体系在开挖施工中是相对可靠的；反观基坑降水情况，虽然基坑外侧采用三轴搅拌桩止水，内侧采用三轴搅拌桩对地连墙槽壁加固，但是当基坑内降水深度达到17m左右，基坑外水位也随之下降至13m～14m，降幅达3m～4m，此处高程正好对应地铁隧道所在高程，以此可见，基坑降水对坑外水位的扰动也正是影响地铁隧道稳定的主要因素。

基坑在开挖期间自身的稳定是极其重要的，这一点在施工各阶段的投入均有体现。基坑的降水、排水、截水在基坑施工中同样会得到重视，但是基坑外地下水位的情况会受到季节、地质情况、截水帷幕质量、基坑降、排水量等综合因素的影响，无法非常有针对性地通过坑外地下水位的变化确定基坑施工对辐射区域的既有建筑及设施的具体影响。因此基坑施工期间，即使基坑支撑围护体系相当可靠，也绝不可掉以轻心，基坑施工期间降水作业是个周期很漫长的过程，此过程对基坑外地下水的影响也必然是持续的，当收到基坑本身稳定信号时，基坑外水位逐渐受影响、持续产生变化的情况容易让现场人员忽视。软件反馈环片变形曲线如图10：

图10 软件反馈环片变形曲线

基坑地连墙深层水平位移曲线如图11，管片受影响情况实拍图如图12：

图11 基坑地连墙深层水平位移曲线

图12 管片受影响情况实拍图

自动化监测系统在既有地铁隧道变形监测发挥着重要作用，主要体现在以下3点：

1.高精度的测量机器人是自动化监测的精度保障，GeoMoS数据采集功能是智能优化反映监测数据的重要手段。

2.监测通过在两顿基准点不通视的狭长隧道内布设搭接点，实现基准点坐标向测站点的传递，从而实现项目区间段对到结构变形监测。

3.自动监测在时间、安全和成本方面改变了传统被动人工作业模式，地铁运行期间也可进行监控，突破传统模式监测利用时间限制，降低监测安全风险和成本，有效提高数据处理和反馈效率。