地铁安全监测方法探讨

赵 磊

(中国市政工程东北设计研究总院有限公司 吉林长春 130021)

随着城市化进程的加快，城市发展需要越来越多地考虑交通便利因素，地铁的开设与建设日益成为城市交通发展的最佳选择[1]。地铁在运营期间受到地面沉降、地面荷载、周边地下工程开挖、周边建筑物施工建设以及地铁隧道自身结构老化等因素的影响，地铁隧道不可避免地会出现结构性变形[2-4]。为了保证地铁安全运营，需要在地铁运营维护过程中对地铁结构进行安全监测，及时准确获取地铁的变形状况和变形速率，以便预测和避免发生安全事故[5-6]。

通过矿山法或盾构法等开挖方式建成的地铁隧道通常为长直线型或长曲线型，具有显著的自身特征，如何根据地铁隧道特性设计地铁安全监测方法是值得研究的。另外，地铁安全运营监测不同于其他监测对象，需要在地铁当日停运后进行，次日开运前结束，不仅可观测时间短，而且监测要求精度高。本文根据地铁运营安全监测的特性，充分考虑地铁周边各种因素可能对地铁隧道产生竖向、水平方向上的位移变形及隧道断面、横轴方向上的距离变形的影响，提出由沉降监测、水平位移监测、断面监测和收敛监测4种监测方法相结合的地铁隧道监测方法，并将其应用于工程项目中，为地铁变形监测提供数据参考。

1 地铁变形监测方法

与传统工程变形监测方法不同，地铁运营安全监测通常是在夜间进行，因此需要结合地铁变形监测的特征进行设计，主要体现在观测方案设计、观测点布设和现场观测技术等方面。本文根据地铁安全监测实际测量经验，提出地铁隧道变形监测方法，主要包括沉降观测、水平位移监测、变形监测和收敛监测。

1.1 沉降观测

地铁沉降监测通常采用水准测量方法。在地铁隧道内进行夜间水准测量，作业难度大、时间紧且精度要求高[7]。由于地铁隧道前进方向通视无遮挡，可以采用电子水准仪进行观测，可提高观测效率和精度。天宝(Trimble) DiNi03水准仪稳定性好、测量精度高、测量速度快，其每千米往返中误差小于±0.5 mm，适用于在地铁隧道内进行观测。

考虑到地铁隧道的特征，水准网通常布设成附合水准路线。水准基准点布设在远离变形区域的地铁轨道底板上，监测点沿地铁轨道中心和两侧交叉布设，通常每隔20～30 m布设一个监测点。为提高观测精度，需要固定观测人员、观测仪器、设站点、观测线路和观测环境条件，同时还需要在水准标尺上安装灯带照明。

1.2 水平位移监测

根据地铁隧道通常呈长直线型的特性，水平位移监测网宜采用导线测量布设，并建立独立坐标系。水平位移监测网布设时，通常在变形区域外的起点和终点处按基准点布设要求，各布设3～5个点作为基准点，同时沿轨道中心和两侧交叉布设监测点，间隔20～30 m。在建立独立坐标系时，X轴与地铁轨道前进方向平行，Y轴与垂直轨道方向的两个基准点的连线方向平行，同时给定这两个基准点的坐标值。水平位移监测通常在坐标系确定后进行，那么监测点的位移就主要体现在Y轴方向。当监测点水平位移量ΔY为正值时，说明监测点向基坑方向位移；反之，则说明监测点向远离基坑方向位移。

Leica TM30全自动全站仪具有精度高、可免棱镜测量、观测自动化等优势，适用于水平位移观测、断面观测和收敛观测，是地铁隧道观测的常用仪器。

1.3 断面监测

断面测量采用全站仪进行逐点观测时，工作效率和精度较低[8]，目前工程上大都采用全自动全站仪的断面测量功能进行逐点观测。断面监测时每隔10～20 m设站观测，如图1所示。为提高观测精度，断面监测除了要求固定观测人员、固定观测仪器、固定设站点、固定观测线路和固定观测环境条件外，还需要固定测站点和仪器高度。利用Leica TM30全自动全站仪自带的断面拟合计算功能，可以直接对断面监测数据进行处理，得到变形监测结果。

图1 断面监测设站示意图Fig.1 Schematic Diagram of Section Monitoring in Setting Station

1.4 收敛监测

收敛监测结果在地铁隧道监测中通常表现为隧道横轴方向上两个固定点的距离变化[9]。在地铁隧道监测中，通常在隧道腰线上布设两个监测点，利用全自动全站仪观测两个监测点间的距离变化。图2中，A、B为观测点，观测AB基线长度，长度增长表示扩展，长度减少表示收敛。在确定AB基线初始值时，需要独立观测3期，每期观测3次，取误差范围内的平均值作为AB基线的初始值。

2 工程应用

以某地铁区间的监测为例，对本文提出的地铁安全监测方法进行验证。该地铁区间内正在新建写字楼，在基坑开挖和施工过程中会影响地铁安全运营，需要对其进行变形监测。基坑位于地铁隧道北侧，距离地铁隧道边线最近处为25.4 m，距离地铁隧道顶部的高度为2.96～5.92 m，基坑垫层底标高为7.8 m。基坑与地铁位置关系如图3所示。地铁安全监测范围为基坑边线对应的地铁线路里程区域及前后100 m范围内，长度320 m。为了准确掌握地铁隧道变形情况，本项目对地铁安全监测范围内的隧道进行了沉降监测、水平位移监测、断面监测和收敛监测。

图3 地铁与基坑的位置关系Fig.3 Location Relationship between the Subway and Foundation Pit

根据《城市轨道交通工程测量规范》GB 50308—2008和《建筑变形测量规范》JGJ 8—2007，同时结合项目单位的监测要求，确定项目监测相关控制参数，如表1所示。

表1 监测指标控制参数Tab.1 Control Parameters of Monitoring Index 监测项目报警值/ mm警戒值/ mm允许值/mm沉降监测±3±6±10水平位移监测±3±6±10断面监测±5±10±15收敛监测±2±4±8

每天地铁安全监测完成后，要求及时处理监测数据、整理和分析监测成果，当天提交监测成果及分析报告，并结合监测指标进行分析，掌握地铁隧道是否处于安全状态。

2.1 沉降监测

基准点布设在远离变形区80～120 m外的轨道底板上，左线和右线按基准点布设要求各布设4个基准点。在基坑边线对应区间隧道范围内，左线每隔约10 m布设一个监测点，右线每隔约20 m布设一个监测点。同时，在边线对应范围外左线和右线每隔20 m布设一个监测点。沉降监测点布设在轨道底板上，左线和右线共布设30 个监测点。

由于每天的观测时间非常有限，并且隧道内观测可以忽略仪器沉降、尺承沉降和光照影响等误差源的影响，因此本项目水准测量采用BBFF(后—后—前—前)的观测方法[10]。为了提高测量速度，采取固定仪器站的方法控制视线长度、视线高度和视距差等。

水准网测量数据或沉降监测数据采用科傻平差软件进行严密平差。水准网初期进行两次独立观测，取两次观测值的均值作为各基准点的初始高程。历次垂直位移测量都起始于基准点，构成闭合或附合水准路线，按测站数进行闭合差分配，计算各监测点的高程。垂直沉降量以上隆为正值，下沉为负值。左线地铁隧道监测点历次沉降值如图4所示。

图4 地铁隧道沉降变形趋势Fig.4 Trends of Settlement Change in Subway Tunnel

本项目沉降监测报警值设计为小于±3 mm，警戒值设计为小于±6 mm。从图4可知，截至第20期，各监测点沉降变形值均小于±1 mm，在变形安全范围内。

2.2 水平位移监测

水平位移监测控制网采用二等导线测量方法进行测量，左线和右线分别按基准点要求各布设4 个基准点(SJZ1、SJZ2、SJZ3、SJZ4，SJY1、SJY2、SJY3、SJY4)，区间隧道左线布设16 个监测点(Z2～Z17)，右线布设9 个监测点(Y2、Y3、Y5、Y7、Y9、Y10、Y12、Y14和Y16)，共布设了25个监测点。

考虑到监测区为直线段，左线和右线各自建立其独立的平面直角坐标系，平面直角坐标系的Y轴与轨道平行。平面直角坐标系左线以SJZ1与SJZ2连线为Y轴，并假设SJZ2的起算坐标为(0 m，0 m)；右线以SJY1与SJY2连线为Y轴，并假设SJY2的起算坐标为(100 m，0 m)。这样，Y轴所有控制点与监测点的坐标值均大于0。

由于隧道内较暗，需要采用Leica TM30全自动全站仪固有的自动照准功能进行观测。初次观测时，首先在SJZ2(SJY2)点架设仪器，对车站内SJZ1(SJY1)基准点进行定向和测距(用于建立独立平面直角坐标系)，再测定SJZ3(SJY3)点的坐标；然后在SJZ3(SJY3)点设站，瞄准SJZ2(SJY2)进行定向和测距后，测定SJZ4(SJY4)点的坐标。水平位移监测采用极坐标法。

在SJZ2(SJY2)点架设仪器，定向SJZ1(SJY1)基准点，检测SJZ3(SJY3)点坐标，若SJZ3(SJY3)测量坐标值与初始值的差值小于等于0.5 mm，认为SJZ3(SJY3)点稳定，则以SJZ3(SJY3)点为定向点。同样，采用极坐标法测量Z2～Z17(Y2～Y17)各水平位移监测点。

基于隧道内的观测条件及精度要求，如果隧道内的水平位移监测点的视距大于100 m，必须观测2个测回，小于100 m可以观测1测回。水平距离正倒镜各观测一次为1个测回。水平位移主要指X方向的变化量。水平位移量以向施工工地方向位移为正值，反之为负值。地铁隧道水平位移监测结果如图5所示。

本项目水平位移变形值的报警值设计为 3 mm，警戒值设计为小于±6 mm。从图5可知，截至第20期，各监测点水平位移变形值均小于±2.5 mm，在变形安全范围内。

图5 地铁隧道水平位移变形Fig.5 Changes of Horizontal Displacemen in Subway Tunnel

2.3 断面监测

本项目在地铁隧道内每隔15 m布设1 个断面，每个断面采集15 个监测点。采用Leica TM30全自动全站仪的断面测量功能进行断面测量。根据隧道断面扫描数据，分析断面的整体变形和局部变形情况，数据后处理系统可以同时显示360°连续采样点变形图形，断面上各点以向外拉张为正，向内压缩为负。地铁隧道断面变形曲线如图6所示。

图6 断面变形曲线Fig.6 Deformation Curve of Section

本项目断面监测报警值设计为小于±5 mm，警戒值设计为小于±10 mm。从图6可知，断面整体变形值均小于±2.3 mm，在变形安全范围内。

2.4 收敛监测

在区间隧道左线布设16 个监测点(SL2～SL17)，用于收敛监测。这16 个监测点的断面与对应的沉降监测点(Z2～Z17)所在断面重合。采用Leica TM30全自动全站仪进行观测。收敛变形量以两点间距离变长为正值，反之为负值。区间隧道收敛变化情况如图7所示。

图7 收敛监测结果Fig.7 Results of Convergence Monitoring

本项目收敛监测报警值设计为小于±2 mm，警戒值设计为小于±4 mm。从图7可知，各监测点收敛值均小于±1 mm，在变形安全范围内。

2.5 变形分析

根据《建筑变形测量规范》要求，当变形量未超过报警值时说明其是安全的，当超过允许值后，就需要对该建筑物进行分析研判，进行安全评估和应急处理。本地铁安全监测项目，采用本文提出的地铁安全监测方法，得到的沉降变形值在±1 mm以内，水平位移值在±2.5 mm以内，断面变形值在±2.3 mm以内，收敛变形值在±1mm以内，说明该地铁隧道在有建筑施工的情况下，仍处于安全状态。实际应用中，若变形值超过警戒值，则要加大监测频率，确保及时掌握变形情况，若变形值超过允许值，则要及时通知项目单位，与相关部门一起对监测结果进行分析研判，寻找变形诱因，做好应对措施。

3 结 语

不同于其他工程观测对象，地铁变形安全监测具有显著的自身特性，因此，根据地铁自身特性制定合适的监测方案是获取高精度监测结果的关键。本文根据地铁隧道特性，提出了地铁隧道变形安全监测的主要内容与技术方法，并结合实际工程应用，详细介绍了沉降、水平位移、断面和收敛等方面的监测方案、施测方法及分析研判等，可为地铁安全监测提供技术参考。