地铁保护区变形监测及数据处理系统设计

陈喜凤，刘岭

(1.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002；2.中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，浙江 杭州 310014)

1 引 言

地铁作为城市的生命线，其沿线自然而然会成为商业经济开发的焦点。地铁沿线的某些施工活动特别是紧邻地铁的大型基坑开挖，会引起周围地基地下水位和应力场的变化，导致隧道结构发生沉降、位移、裂缝、倾斜等变形，致使运营中的地铁隧道面临一定的安全威胁。鉴于地铁隧道在城市交通中的重要性，其保护等级高，对变形的控制指标极为严格[1，2]。因此在基坑施工期间，必须对邻近的地铁车站及区间隧道(以下称为“地铁保护区”[3])进行全方位变形监测，以掌握基坑施工过程中邻近地铁隧道结构的变化，为建设方及地铁相关方提供及时、可靠的信息。

关于基坑施工对邻近地铁隧道的影响，一些学者对隧道垂直位移或水平位移做过相关研究，并得出了一些有益的结论[4～6]，但鲜有学者对地铁保护区隧道变形监测进行过较为全面而详尽的阐述。另外，目前国内地铁保护区监测的现状为：①以人工监测、人工处理数据为主；②测期相当频繁，尤其在基坑开挖阶段须每天监测；③数据处理时间极其紧张，作业时段一般为夜间0：30-3：40，测量完毕后须尽快完成监测成果的计算、整理与分析，6：30前向有关单位提交监测成果及分析报告，以及时反馈变形情况，确保地铁结构安全；④可积累大量监测资料，但数据成果零散，无法实现统一管理，难以用其进行纵向比较、分析，亦无法实现变形预测，因此亟须开发一个集数据处理、管理和预测分析于一体的系统。鉴于上述情况，本文从一个地铁保护区监测实例出发，在系统介绍其监测内容及监测方法的基础上，阐述基于Visual Basic语言和Access数据库技术的数据处理系统设计与开发。

2 工程概况

某市地铁1号线南延线某站及区间隧道西侧开挖一面积约 31 868 m2，周长约 771 m的大型基坑，项目所处场地为河漫滩地貌单元。靠近地铁1号线西侧的基坑边长约为 248 m，基坑开挖深度为 16.80 m～17.80 m，项目基坑支护结构距地铁区间隧道最近约 23.40 m；基坑支护结构距离车站主体最近约 7.25 m。基坑与地铁的位置关系如图1所示。监测范围为基坑边线对应的地铁线路及沿线前后各外放 60 m，监测距离共 368 m。

图1 基坑与地铁的位置关系

3 监测内容

3.1 沉降监测

隧道沉降监测是地铁保护区变形监测中最基本也是最重要的监测项目，采用精密水准测量方法。根据规范要求，沉降监测基准网按Ⅱ级垂直位移监测控制网的技术要求，布设附合或闭合水准路线进行观测，并进行严密平差。基准点一般布设在远离变形区 80 m～120 m外相对稳定的地方，两端各2个。沉降变形监测网按Ⅱ级垂直位移监测网技术要求，布设附合或闭合水准路线，在基坑边线对应的地铁线路区域内，每 10 m布设1个沉降点，外延部分每 20 m布设1个沉降点，其中，车站与区间隧道连接缝两侧 0.5 m处各布设1个点作为差异沉降点，用于监测车站和隧道之间的差异沉降量。本项目车站及区间隧道共布设76个沉降监测点。

3.2 水平位移监测

水平位移监测可获取基坑施工对地铁结构水平方向的影响。水平位移监测控制网采用Ⅱ等导线测量方法，一般在上下行隧道两端各布设2个基准点，由于隧道狭长，还需根据线路长度和通视情况在中间埋设若干工作基点，工作基点布设的原则是要有利于监测点的测量。点位埋设时，位于最两端的基准点采用固定支架安装小棱镜，作为定向点，其余的基准点、工作基点均采用强制对中方式进行埋设，作为测站点，埋设位置均选于侧墙腰线处，强制对中装置与小棱镜如图2所示。水平位移监测点一般与沉降监测点对应布设，测量时将仪器架设在工作基点上采用极坐标法[7]测得监测点坐标。本项目上下行线分别布设4个基准点，2个工作基点及27个水平位移监测点。需要说明的是，数据处理时上下行线分别建立独立的坐标系统，沿隧道方向为X轴，垂直隧道方向为Y轴，从而监测点Y坐标的变化即反映了隧道的水平位移情况。

图2强制对中装置与小棱镜

3.3 断面收敛及断面变形监测

本项目在上下行区间隧道各布设5个断面用于监测隧道的收敛及变形情况。收敛监测方法如图3所示，在隧道两侧腰线上布设一条水平基线，A、B两点分别粘贴测距反光片，利用TM30全站仪测量A、B两点坐标(X1，Y1)、(X2，Y2)，则水平基线长度为

(1)

S的变化即反映了隧道的收敛情况。

图4为断面变形监测示意图，利用TM30无棱镜测距功能，按一定步长360°连续采样，为确保监测结果可靠，每个断面有效扫描点数不少于30个，本项目扫描32个。图中黑线为设计断面，固定不变，红线为实测断面，二者之间的差异为超欠挖量，在前后两次测量中超欠挖量的变化值即反映了隧道断面的变形情况(断面上各点以向外拉张为正，向内压缩为负)。断面变形监测初期独立观测两次，误差范围内取均值确定首期值。

图4 断面监测示意图

3.4 垂直度监测

基坑影响区域内的结构侧墙或风亭需要进行垂直度(或称倾斜度)监测。在监测断面(车站侧墙或风亭)同一铅垂线的上、下部各粘贴1个反射片，在断面的垂线方向设置固定测站，用全站仪分别测量上、下两点，得其坐标(X1，Y1，H1)、(X2，Y2，H2)，则垂直度P(以‰为单位)计算公式为：

P=(Y1-Y2)×1000/(H1-H2)

(2)

3.5 地下水位监测

在基坑施工降水阶段，地下水位是一项十分重要的监测项目。选用SWJ90钢尺水位仪从观测井测得，测量时，打开顶盖，放下测头，测头接触到地下水面时蜂鸣器响，测读孔口读数即为地下水位值。

3.6 隧道裂缝、渗漏监测

项目实施前，对地铁隧道结构的裂缝、渗漏水等初始状态进行检查与记录，随后定期对监测范围进行巡视，对于新发生的裂缝及时观测，用精密电子游标卡尺(可精确到 0.01 mm)量出每条裂缝的长度和宽度，求得裂缝的变化值。若发现渗漏情况，即拍照记录，并对渗漏作出分析。

4 地铁隧道变形监测数据处理系统设计

4.1 系统的总体设计

从功能上讲，系统共分为5个模块，其总体设计如图5所示。

图5 系统的总体设计

4.2 系统的详细设计

4.2.1 控制网稳定性分析

控制网作为变形监测的基准，其稳定性至关重要。本地铁保护区变形监测的沉降控制网和水平位移控制网均需要每月复测一次。该模块提供了几种常用的稳定性分析方法[8～10]，可根据不同方法分析结果做出综合评判。该子系统中包含了水准网及导线网的平差处理子程序。图6为控制网稳定性分析的详细设计。

图6 控制网稳定性分析详细设计

4.2.2 数据处理

数据处理模块是系统的核心，其详细流程如图7所示。这里做以下几点说明：

(1)由于监测报表(Excel表格)中要列出各监测点(或断面)的初值观测值、上次观测值及本次观测值，从而直观得到本次变化量和累计变化量，所以直接导入上期监测报表即可，另外各监测项的点位布设图也预设在上期监测报表中，本期计算时直接导入上期报表，可方便快捷地提取相关信息。

(2)数据预处理可删除原始测量数据中可能包含的无效数据、多余数据等，确保生成的观测手簿清晰简洁、数据可靠。

(3)按照3中所述计算出各监测项中各测点的本次观测值输出到Excel报表中，Excel中预设的公式可自动计算本次变化量、累计变化量及相关变化曲线图。

(4)隧道断面变形计算及显示是本系统的一个难点。数据处理系统根据隧道断面扫描数据(扩展名为.obs)，可以分析断面的整体变形和局部变形情况。系统将监测断面按照区间、断面里程、测量周期、下行线断面或上行线断面进行划分，根据每个断面原始观测数据，进行断面截面椭圆基准拟合，再结合断面设计数据，即可计算出断面各点本期超欠挖量，该值相对于上一期的比较值即为断面点本期变形量，相对于首期的比较值即为断面点累计变形量。每一断面本期观测值采用数据库进行统一管理。系统采用图形显示界面，除了可直观显示如图4所示的超欠挖计算界面外，还可根据用户需要，给出断面上任一360°连续采样点各期变形图形，以便分析断面的局部变形，并根据实际情况预警。

图7 数据处理流程

4.2.3 数据管理

数据管理子系统用于将原始观测数据和处理后的成果数据进行入库管理。本项目选用Access数据库，用DAO技术将VB与数据库相连接。按照监测项目进行数据管理，不同的项目文件分别存入不同的数据库表中，便于数据管理和查询等操作。同时也可按结构化(即沉降控制网成果文件*.ou1和水平位移控制网成果文件*.ou2)和非结构化(如Word文档和Excel文档)数据来进行管理，当数据库中含有多期数据后，便可根据用户需要调用相关数据快速计算变形，亦可将变形成果导出到Excel表。

4.2.4 图形绘制

在4.2.2程序自动生成的本期监测报表(Excel)中，仅含有本期变化曲线和累计变化曲线，在实际中用户常常需要对某几期特定的数据进行变形分析，自动生成各期变化量曲线图、变化速率曲线图，使得变形分析更加直观明了，利用Visual Basic 6.0中的MSChart控件即可实现此功能。

4.2.5 预测分析

该模块主要实现根据变形监测数据预测未来的变形趋势，采用常用的拟合分析模型来实现，采用的拟合分析方法有：规范双曲线法[11]、指数曲线法[12]、多元线性回归分析法[13]，通过研究分析，将这些方法用VB编程实现隧道沉降及水平位移变形的预测。因篇幅限制，这里仅列出多元线性回归分析法对基坑降水及土方开挖期间下行线隧道内奇数号测点连续2天的沉降预测结果(如表1所示)。其中，所列实测值为各测点的累计沉降量(“+”表示上升；“-”表示下沉)；绝对偏差(AD)=预测值-实测值；相对偏差(RD)=AD/实测值；测点累计沉降量的报警值为T=±3.3 mm。

由表1可以看出，多元线性回归分析模型得到的连续2天的预测值与实测值相差较小，绝对偏差(AD)最小为 0.04 mm，最大为 0.39 mm，平均值(取绝对值后的平均值，下同)为 0.20 mm；除隧道两端个别累计沉降量本身较小的测点(如X01，X03及X29，X31)外，其余测点的相对偏差(RD)均在20%以内，平均值为11.2%；各测点绝对偏差相对于变形报警值的百分比(AD/T)均在1.2%～11.8%之间，平均为6.2%。由此可见，该模型预测结果比较切合隧道实际沉降变形情况，能够满足该地铁保护区沉降变形预测的要求。

多元线性回归分析法沉降预测结果 表1

5 结 语

地铁保护区变形监测是一项监测内容多、测期相当频繁、要求短时间内进行数据处理的工作。本文以某市地铁1号线南延线某站及区间隧道监测为例，系统介绍了地铁保护区变形监测的内容，以及数据自动化处理系统的详细设计。该系统已成功应用于本项目的数据处理中，大大减轻了数据处理人员的负担，提高了工作效率，但在变形预测方面仍存在以下问题值得进一步研究：

(1)所选预测模型的预测效果不稳定，需采用一定的检验手段对预测模型进行检验，以保证预测的精度和可靠性。

(2)受基坑不同施工阶段的影响，地铁隧道的变形情况呈现出不同的变化趋势，结合各基坑施工阶段特点，建立相应的预测模型可能会提高预测精度。

(3)本系统所采用的预测模型均为拟合模型，均以假设隧道变形情况符合某规律为前提，难以从理论上达到最优，结合神经网络、蚁群算法等智能模型进行变形预测是未来的研究方向。