自动化监测在轨道交通建设下穿高铁中的应用

｜《中国高新科技》杂志2020年第14期
｜撰稿：闫学宽，北京城建勘测设计研究院有限责任公司工程师，研究方向：城市轨道交通工程监测及安全咨询

1监测技术介绍

测绘科学技术和仪器硬件、软件的不断进步，促进了变形监测技术的发展。在1980年前变形监测使用的方法和仪器大都是经典的地面测量方法和水准仪、经纬仪等传统仪器。随着穿越既有地铁线等施工案例的增多，相应的监测技术也飞速发展。这些监测技术原则上朝着自动化的方向发展。但是，监测技术也是基于相应的监测硬件设备的不断创新发展而来的。以下是目前较为流行的几种监测技术。

（1）基于测量机器人的非接触式监测技术。全站仪最早脱胎于经纬仪，利用激光测距功能实现了距离测量的电子化，并且保留了经纬仪的角度测量功能。由于马达驱动，它可以自动连续跟踪目标测量，而不需要手动操作，并且其具有编程功能，可以针对预定目标进行编程预设，实现自动化操作。

（2）基于静力水准仪的多传感器位移监测技术。由于地铁交叉节点大部分都是立体交叉，较多情况下存在高程沉降方面的变化，因此基于静力水准仪的多传感器位移监测技术也适用于相应工程的监测。

（3）基于巴赛特收敛系统的位移监测技术。巴赛特收敛系统是一种由多个杆件单元组成的隧道剖面收敛自动测量系统。

（4）基于固定式自动测斜仪的位移监测技术。固定测斜仪的工作原理是首先在需要监测的位置处钻孔并埋入测斜管，然后将测斜探头置入测斜管内，并将测斜探头依照需要监测的方向卡入测斜管内壁相应槽口上，可以将一个探头固定在测斜管内需要监测的深度上，也可以串联式在一个测斜管内固定多个测斜探头。当外部监测对象出现位移变形时，会导致测斜管出现变形，从而使得探头倾斜，这时探头受到的重力的分力引起磁场中的线圈旋转，线圈旋转后电磁感应的电流会产生与重力方向相反但是数值相等，去不断平衡重力的分力，这股电流与倾斜的角度成正比。系统通过对所有探头电流测定读数的计算就可以得到相应部位的相对位移。

（5）光纤光栅技术。光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为媒介，感知和传输外界信号（被测量）的新型监测技术，具有（准）分布式、长距离、实时性、耐腐蚀、抗电磁、轻便灵巧等优点。

2项目情况

基于本项目的性质以及监测对象的特点，昆明地铁4号线菊昆区间下穿沪昆高铁采用的监测方式为基于测量机器人的非接触式监测技术。采用的模式为自动化监测采集数据，配合铁路局工务段进行道床动态养护，以确保高铁线路的正常运营安全。项目具体情况如下。

菊昆区间掘进施工采用盾构法施工，盾构区间管片内径5500mm，厚度350mm，宽度1200mm，管片拼装采用错缝拼装方式。

拟穿越段沪昆铁路为P60标准轨有砟铁路，拟穿越昆明东站沪昆客联络线上下行（设计速度120km/h，现长期限制慢行速度为80km/h）、沪昆线上下（上行线允许速度80km/h，下行线允许速度85km/h）。具体穿越情况如下。

（1）地铁4号线隧道穿越昆明东站下行出发场沪昆下行货车线情况：地铁4号左右线隧道穿越昆明东站下行出发场沪昆下行货车线，与铁路线路交角约20°，地铁隧顶与铁路轨面垂直高差20.5m。地铁左右隧道间中线与铁路交叉点里程K2634+075。

（2）地铁4号线隧道穿越昆明东站到达场沪昆上行货车线情况：地铁4号线左右线隧道穿越昆明东站到达场沪昆上行货车线，与铁路线路交角约32°，地铁隧顶与铁路轨面垂直高差19.9m。

（3）地铁4号线隧道穿越昆明东客车场至昆明站间沪昆上下行客车联络线情况：地铁4号线左右线隧道穿越昆明东客车场至昆明站间沪昆上下行客车联络线，与铁路线路交角约32°，地铁隧道顶部与铁路轨面垂直高差20.6m。

3监测设计及方法（基于测量机器人的非接触式监测）

3.1　测点布设

根据施工设计和铁路局要求，沉降点的理论布设范围为1.5H（H为隧道埋深），确定监测区域的宽度约为70m；沿沪昆铁路列车行进方向包含货运险和客运线，布设范围为地铁盾构隧道边线向外各沿50m，确定监测区域的长度约为86m。由于盾构隧道与既有铁路为夹角约为30°的斜交，本次监测区域为70m×86m的菱形区域。在此区域内按照5m×10m的间距（隧道范围为轴线-边线的原则）进行监测点布设，共布设110个轨道监测点，47个路基监测点。

3.2　监测方法

为满足监测需求，估计整个监测区域，该监测项目选择2台瑞士徕卡TM50自动全站仪作为数据采集的仪器，测角精度为1″，测边精度为0.6mm+1ppm。配以自动化监测软件，定时启动仪器进行自动化数据采集，并采用无线网络进行数据传输。

（1）全站仪安装。全站仪安装采用浇筑观测墩，并将对中盘与对中墩焊接为一体，墩台浇筑时先挖掘80cm的土坑。供电系统采用太阳能供电。

（2）测点安装。测点安装分为轨道测点和路基测点，轨道测点用螺栓将L型小棱镜卡于轨道底部；路基测点布设采用混凝土建筑测点的形式进行埋设，埋设深度＞50cm。注意事项：①棱镜的方向应考虑与列车行进方向相反；②保证监测点棱镜的稳固性。

3.3　监测周期及频率

3.3.1　监测周期

（1）监测起始时间为盾构掘进至距离铁路50m开始，具体监测工期以满足工程建设工期要求为准，根据项目实际情况调整工期。

（2）初始值测定：测点布置完成后，在施工影响之前应对所有的监测项目进行连续3次独立的观测，判定合格后取其平均值作为监测项目的初始值。

（3）停测标准参考规范《建筑变形测量规范》（JGJ8-2016）相关内容确定，当最后100d的沉降速率＜0.3mm/d时可认为已经进入稳定阶段。

3.3.2　监测频率根据本项目的实际情况，制定监测频率如表1所示。

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表1　自动化监测频率表（单位：次/天）

3.4　控制指标

根据施工设计图及相关规范标准规定，轨道监测控制指标为-10~+10mm，路基监测控制指标为-30~+30mm，股道间差异沉降控制指标为3mm。

4数据分析

4.1　时程曲线分析

通过对隧道轴线上路基监测点的沉降数据分析，可知随着盾构穿越的整个过程,沉降测点经历了缓慢沉降、快速沉降、缓慢沉降、趋于稳定的变形过程，分别分析左线、右线隧道轴线上的路基监测点沉降数据绘制成的曲线图为例，如图1、图2所示。

从图1、图2中可以看出，盾构经过观测点的沉降规律基本一致，具体如下。

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图1　盾构右线隧道中线对应路基沉降变形

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图2　盾构左线隧道中线对应路基沉降变形

（1）从盾构到达前沉降发生的位置来看，即纵向影响范围基本在距离盾构刀盘切口10m范围之内。

（2）从盾构刀盘到达测点到盾尾到达测点期间，可视为缓慢沉降阶段；在盾尾脱离时至跟进二次补浆时段可视为快速沉降阶段，也是沉降量最大阶段；二次或多次补浆后沉降速率收敛，趋于稳定，但此期间仍有缓慢沉降产生；待地层移动和变形稳定后，沉降数据呈现出稳定状态。在盾尾脱出时及以后的一段时间内，阶段沉降幅度大且具有一定持续性，因在盾尾脱离时存在一定建筑空隙，当同步注浆未及时充分填补盾体与环片之间的空隙时，在重力作用下地层受扰动，改变了地层原来的应力状态，从而导致了明显的地表沉降；后期沉降（盾尾建筑空隙填充后的地面沉降）基本在注浆结束后3d左右完成，此期间的沉降控制可采用多次补浆方式进行控制。

（3）大部分测点沉降发生在中期阶段，可见加强和细化盾构推进时同步注浆和二次注浆措施，能够有效控制沉降量的大小，该工程采用双液同步注浆，能够较快处于硬塑状态，有效实现限域填充。

4.2　断面分析

从监测断面上分析，处于盾构隧道轴线正上方的测点为变化最大点，A1系列点和A2系列点分别处于盾构隧道右线中线上方和左线中线上方，其变化量最大为-5mm，其余路基点变化最大为-3mm，轴线账上方变化最大的规律非常明显，且在1.5倍隧道洞径范围外的路基点几乎没变化。

4.3　轨道数据分析

通过对客线上下行及货运线上下行的轨道监测，发现盾构隧道掘进过程中最大的轨道沉降量为-3mm，轨间差异沉降最大为2mm，通过对有砟道床的碎石补充、调规等措施，及时调整轨道几何形位，消除累计变形，保证行车安全。

5结论及应用意义

5.1　结论

本次地铁盾构隧道下穿既有运营高铁，施工单位严格控制掘进速度，同时严格控制土仓压力，根据自动化监测数据及时进行注浆和盾构机参数调整，确保了盾构隧道顺利穿过运营高铁。全过程未出现数据预警情况。

5.2　自动化监测应用意义

（1）为施工做指导。本项目在掘进过程中采用右线先行、左线跟进的施工进度安排，由于货运线没有天窗点限制要求，可以进行实时维护，因此以右线下穿货运线作为掘进参数调整实验段，自动化监测数据在右线掘进过程中的意义显得尤为重要。为了确保掘进的顺利，右线掘进的速度严格按照1~2cm/min进行，并且实施通报掘进里程，严格控制土仓压力为0.12~0.14MPa。掘进过程中自动化监测数据变化较为平稳，时程变化规律较为明显，右盾构隧道掘进至客运线界限时，路基累计下沉量为-3mm，轨道下沉量达到过6mm。根据实验段调整好盾构参数后，右线一鼓作气，顺利通过沪昆高铁客运线。同时也为左线的下穿打好基础，为左线顺利下穿提供了保障性条件和类比参数。

（2）给工务段维护提供数据支持。本项目自动化监测特别注重了股道的监测，下穿过程中保持2h/次的高频率监测，实时监控股道的变形情况，根据股道的下沉量及时进行石渣补充、股道调整，避免出现三角坑、股道差异沉降超限等危机列车运营安全的情况。本次下穿过程中，自动化监测对股道沉降发出的预警共4次，其中最大沉降量为-6mm，为铁路局工务段运营维护提供了依据，同时也为列车运营安全提供了保障。

（3）为类似工程提供数据参考。本次下穿工程的成功，有了明确的地质情况、隧道埋深、掘进参数、监测数据等，可以用作类比分析，得出不同地质条件、埋深情况下的变形情况，为以后的类似工程提供数据分析。

6结语

城市轨道交通仍处于建设高峰期，其建设涉及的下穿、上跨既有建筑物、道路桥梁、铁路等情况也越发常见。随着测绘技术和信息化技术的发展，自动化监测的应用也愈加成熟，将自动化监测和地铁建设有效结合起来，将会为城市轨道交通建设的顺利进行提供安全保障。本文研究的意义在于：

（1）对于运营高铁，在施工过程中进行控制，可在施工过程中实时提供变形数据，为既有运营高铁的运营安全提供数据支撑；

（2）对施工本身，可结合水文地质情况、施工情况做超前预判，为后续的施工提供参数依据，更好地指导施工。