邻近运营 线矿山法隧道施工 中自动化监测的 应用

邻近运营 线矿山法隧道施工 中自动化监测的 应用

王琦

天津路安工程咨询有限公司

摘要：本文以沣东自贸园至后卫寨区间中邻近运营线段矿山法隧道区间施工为例，介绍浅埋暗挖隧道邻近运营线施工技术，探讨自动化监测在运营线隧道内的应用及可行性，并提出其相应的技术要求及控制重难点。

关键词：矿山法隧道，临建运营线，自动化监测

随着我国城市地铁建设的飞速发展，新旧线路相互交错或相互邻近将是地铁建设面临的一个新的难题，虽然近年来在地铁施工中广泛应用了各种施工技术，但城市很多地区，由于地面交通不允许中断，施工场地狭小，地面建筑物众多，地下管线复杂且不易改迁等难题，将会对地铁施工技术、工艺提出更高的要求，此时浅埋暗挖法凭借避免大量拆迁等优点将会被优先考虑，该工法以地层进行提前预加固，以初期支护为安全基础，充分发挥加固后的地层和初期支护体系共同受力而提供安全保障。但此工法技术必须以监控量测指导施工，控制初期支护拱顶沉降和收敛，确保隧道本身及运营线隧道的安全。

一、工程概况

沣东自贸园~后卫寨区间，沿世纪大道下方行走，西起沣东自贸园站，东至后卫寨站，区间起终点里程，YDK5+27.278~YDK6+537.884、ZDK5+27.278~ZDK6+519.060,右线长1510.606m，左线长1514.767m（长链4.161）。本区间施工采用一台盾构机分两次从后卫寨站前盾构始发井始发，下穿一号线出入段线后，下穿西成客专联络线高架桥，继续掘进至沣东自贸园站后区间风井兼盾构吊出井处吊出。盾构始发井至后卫寨段及区间风井至沣东自贸园段采用浅埋暗挖法施工。矿山法区间主体结构设计里程范围：Y（Z）DK5+27.278~Y（Z）DK5+68.295、YDK6+461.460~YDK6+537.884、ZDK6+445.285~ZDK6+519.060，右线长度117.441m，左线长度114.792m，隧道埋深9.1~10.3m。本次先施工左右线盾构井至后卫寨站区间，本段矿山法隧道段正上方无重要外部管线，隧道范围内上部为黄土层、下部为砂层，位于地下水位以上。矿山法隧道邻近一号线出入段线，初支距离出入段线围护桩最近距离为0.33m，最远距离为6.94m。

本隧道施工重难点存在两点：一是如何在控制自身安全并在施工中尽量减少对运营线隧道的影响，保证运营线运营安全；二是在施工过程中如何优化对运营线进行监控量测，不影响运营线正常运营。

二、重点难点措施方案

（一）施工方案

沣东自贸园至后卫寨区间盾构井至后卫寨段矿山法隧道采用复合式衬砌。在进洞段离运营线隧道较远，隧道开挖时，对运营线隧道影响相对不大，一般正常段采用台阶法开挖，加设临时仰拱，拱顶120度范围内环向间距0.3m，纵向间距1.5m设置超前小导管，初支厚度为0.3m，格栅间距0.5m，临时仰拱厚度0.25m。在邻近运营线段，隧道开挖时，因影响运营线隧道非常大，故采用CRD法开挖，拱顶及运营线侧环向间距0.3mm，纵向间距1.5m设置超前小导管，初支厚度0.3mm，格栅间距0.5mm，临时支撑厚度0.25mm。

CRD法施工中，将隧道分成4个独立的小导洞分别施工，先施工远离运营线导洞，减少侧面土压力，避免临近既有导洞开挖时侧面土压力骤减，采用预留核心土的方法，此工法即解决了本工程施工重难点1。

（二）自动化监测方案

对于本工程重难点2，经多次讨论决定采用自动化监测技术予以解决。

1.自动化监测技术要求

1.1在地铁列车运行时，在整个施工过程始终保持自动监控测量，监测系统可以保证二十四小时连续监测。

1.2实时输出变形点全方位（三维坐标）的变形信息，变形点的监测精度优于1mm。

1.3为确保地铁的结构后续施工的进度和测量人员的安全，监测系统能够做到没有人值守、远程来控制和传输自动数据的全自动监测。

1.4监测点布设，以地铁结构安全为主，设置监测点选取能够反映地铁隧道结构局部、整体变形和处于重要结构部位的位置，布置监测仪器设备，建立相应监测系统。采用全自动测量仪器和国内外先进成熟的自动监测系统软件建立自动监测系统。

1.5远程监控管理的监测系统能够提供自动变形预报。

2.自动化监测仪器设备及精度

采集设备采用徕卡TCA2003全站仪（精度：0.5^’1mm+1ppm），为达到实现自动化监测应配合相应的通讯软件及后处理软件。

自动化监测预计值

三、自动化监测项目的实施

隧道结构监测内容可分为两部分：测站点、基准点和监测点的布设；隧道结构水平位移和垂直位移自动化监测。

（一） 自动化监测系统基本组成

为实现本暗挖段监测的自动化，在隧道侧壁设置了工作基点站，并设置了4个校核点来进行比对校核。基点站上的全自动全站仪与监测系统建立通畅通讯联系，由在控制室控制全站仪对变形点、校核点按相应的程序进行逐点扫描、记录、计算及自校，并将测量结果入库存储或并进行整理、编辑、分析。

以影响运营线区域以外的隧道本身为基准，监测数据只反映影响区域相对基准点的位移量，根据理论的计算在一百米以内使用0.5”，1mm+1ppm的全站仪，观测精度可以保证在1mm 以内，当测站和观测点固定时，可以较高精度地反映监测点的变形。

该种方法可以同时测量各点三维坐标的变化量。

（二）工作基站及校核点设置

对于本影响运营线段变形监测点而言，工作基点应布设于变形范围中间位置即在中腰水平位移监测点的上方位置，可保证仪器最小视场角，便于全站仪容易自动寻找目标。工作基点布设时，需要在上述位置安装牢固的托架，然后再固定仪器。变形区域之外的基准点设置在隧道侧壁，分两个断面设置，每个断面在隧道中腰位置设两个基准点。固定棱镜安装在各基准点，通过测量工作基点与基准点之间的角度、距离，检核工作基点的稳定性。

（三）隧道内监测断面布置及监测断面内监测点布置

在施工影响范围内的地铁隧道监测点布设要求如下：

影响范围内的运营线中部一侧布设1个工作基点，向两边按间距5米布设16个断面(主影响区)、间距10米布设2个断面（次影响区）。每个断面4个监测点2个在道床上、2个在侧壁上。

（四）运营线隧道水平位移及垂直位移监测

根据地铁形变监测的要求和原则，采用特种工程测量仪器徕卡TCA全站仪系列。

1.监测网络系统的硬件组成

目标棱镜、测量机器人、信号通信设备与电源箱、计算机、网络设备等部分组成自动化监测网络系统。

2. 监测网络系统的软件构成

变形点监测软件和动态基准实时测量软件组成监测网络系统软件系统，从而获取各周期测站点、变形点的三维坐标，。

2.1动态基准实时测量软件

当全站仪测站点位于变形区域，为及时得到测站点的位置信息，将测站点纳入控制网，控制网的已知点位于变形区域外，即为监测控制网中的基准点。动态基准实时测量软件用来获取各测站点实时坐标数据，其实质是控制网的全自动测量。

动态基准实时测量软件具有根据距离及棱镜布设情况自动进行大小视场的切换；为满足各种测量等级和运营环境的需要，具有各项测量限差、时间延迟、重试次数、坐标修正的设置功能；采用局域网技术进行数据的通信，并具有网络断开的自动判断功能；依据布设的网形，站与站之间的观测关系，对测站点的观测方向点可分组设置，可适合任意控制网形，而不局限于导线网；考虑到地铁内局部范围内气象一致性，采用加尺度参数解算，可以提高控制网测量的精度。

2.2变形点监测软件

主控机上的数据库管理软件、各分控机上的监测软件组成变形点监测软件。

测量机器人按照分控机上的监测软件控制，按要求的观测时间、观测的点组、测量限差进行测量，并将测量的结果输入管理数据库中。根据网络监测系统需要，对数据库进行了优化。另外在监测软件中，还增加了根据点名进行大小视场切换的功能；测量机器人在隧道环境中的变形监测，如果监测的变形点较多，对远处目标的识别时，可能在视场中出现多个棱镜，此时可以打开测量机器人的小视场功能。

各分控机输入的数据管理，需要通过软件将多重差分技术，求解各变形点的变化量，并将这些变形数据曲线图形显示和各点变形量报表输出。

（五）自动化监测计算原理及技术方法

在监测系统中，设置基准点，引入多重实时差分技术MRDiff（Multiple Real-time Difference，）消除外界误差的影响，提高监测精度。利用基准点坐标，采用多重实时差分技术求各变形点的坐标变化量。

1. 斜距的差分改正

在变形监测中为了减少大气条件的变化对距离测量的影响，采用有检测基点稳定性的基准网，利用基准网的测量信息，简化系统设备配置的条件下，在无需测量气象元素，实时进行距离的大气折射率差分改正。

在极坐标差分测量系统中，基准点与监测站的仪器墩均建立在稳固地方，可以认为它们之间的距离是稳定不变的。设监测站至某基准点的已知斜距为 ，在变形监测过程中，某一时刻实测的斜距为 ，两者间的差异可以认为是因气象条件变化引起的，按下式可求出气象改正比例系数 ：

为了保证距离气象改正比例系数 的可靠性和准确性，实际中取多个基准点测定的距离气象改正比例系数 的中数用于距离测量的差分气象改正。

根据平均气象改正系数 ，分别应用于每个基准点，求出基准点的真实斜距 ：

如果同一时刻测得某变形点的斜距为 ，那么经气象差分改正后的真实斜距为：

2. 基准角的差分改正

在变形监测过程中，为了尽可能保证仪器的稳定，时刻关注水平度盘零方向的变化对水平方位角的影响。在地铁结构的变形监测中可把基准点第一次测量的方位角 作为基准方位角，其它周期对基准点测量的方位角 与基准方位角相比，有一“方位角差异” ：

这一差异主要是由于仪器不稳定引起水平度盘零方向的变化、大气水平折光等对方位角的影响而引起的。此差异对变形点的测量有同等的影响。

对地铁结构进行变形监测时，所设立的基准点往往不止一个。由于测量存在偶然误差，且列车的通过会对水平方向的测量造成影响，故每个基准点的方位角变形差异 就有大有小，笼统地求平均值可能会夸大这一差异。故提出了“基准角差分”。

假设设置的基准点有三个，分别为J1、J2、J3。三个基准点可以组成 =3个基准角，可以依据下式求出每个基准角在两期观测中的变化值：

在三个基准角的变化值 中，找出绝对值最小的一个角度，假设为 ，用此角度两个基准点的“方位角差异”（即 、 ）的平均值，作为仪器方位漂移的改正值。

在变形点每周期的方位角测量值 中，实时加入由同周期基准点求得的“方位角差异” ，可准确求得变形点的方位角 ：

3.计算公式

综合以上各项差分改正，按极坐标计算公式可准确求出每周期各变形点的三维坐标：

式中： ——为监测站的坐标值。

若以变形点第一周期的坐标值（ ， ， ）作为初始值，则各变形点相对于第一周期的变形量为：

4.精度分析

对上式两边微分并换成中误差形式，可导出以下极坐标差分三维坐标测量的精度估算公式：

根据Helmert点位误差估计公式：

即P点的点位中误差：

四、自动化监测在本项目取得的成效

本邻近运营线区间矿山法隧道在洞门破除后立即启动运营线自动化监测系统，同时地面沉降、洞内收敛均同步进行，一直至矿山法隧道二衬施工完成。自动化监测在本项目应用取得成效主要有如下几点：

（一）自动化监测在隧道开挖过程中进行连续监测，每次监测间隔两小时，监测数据同步上传至自动化监测云服务平台，并将数据进行自动保存，相关单位登陆云服务平台后能及时并准确的查看相关监测数据，每次监测数据如有超限或是预警，在云服务平台首页会及时弹出相关数据。如遇到预警情况，相关运营单位、施工单位可以及时启动应急预案，采取应急措施，避免事态恶化。反映此问题案例：在下台阶90、91环开挖时，劳务班组人员将两榀一起开挖，耗时5个小时，在此时间段内，相应位置的自动化监测数据两次均有明显变化，项目部立即要求其进行喷锚封闭成环，此后数据稳定。

（二）自动化监测数据每次变化值均能与地表沉降和洞内首先数据相吻合，能相互参考对比，给施工以正确的指导。反映此问题的案例：在开挖至地面变压器下方时，掌子面及拱顶有渗水现象，地表沉降及洞内收敛有10mm的累计变化，相应运营线监测数据也对应有3mm的累计变化。项目部对相应位置进行回填注浆后，各项监测数据均稳定。

（三）自动化监测数据与运营线轨道复测数据一致，相应的监测数据能给运营公司提供指导数据。在隧道开挖至10m、30m、50m和隧道贯通后，对运营线轨道进行复测，其变化值分别为0.3mm，0.4mm，1.2mm，和2.5mm。相应的自动化监测数据为0.3mm，0.4mm，1.3mm，2.7mm，相应的数据基本吻合。

（四）根据监测数据指导现场施工，并加强现场施工管理，在二衬施工完成后，运营线水平变化值为3mm，竖向变化值为2.2mm。均在规范允许范围之内。运营线在隧道施工过程中也未收任何印象。

根据本隧道自动化监测结果与人工复测对比，两者基本吻合，此后在盾构下穿运营线过程中，同样使用了自动化监测对运营线隧道进行了监测，并利用监测数据及时调整盾构掘进的推力、扭矩、土仓压力、同步注浆量及注浆压力等参数，并及时二衬补浆。盾构成功穿越运营线，并将运营线沉降控制在5mm以内。据此可以推论，自动化监测在临建运营线隧道施工中可以满足监测精度需要，并且能解决运营线隧道内人工监测影响运营线运营等问题。

参考文献：

[1].《中国隧道及地下工程修建技术》 ISBN978-7-114-08240-5 ， 王梦恕等著，人民交通出版社

[2].《自动化监测技术在地铁隧道中的应用》1672-8626（2012）06-134-05，付丽丽等著 ，《城市勘测》2012年12月第6期

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