運行中的地鐵隧道變形動態監測
摘 要 文章結合上海市“綠地復建綜合樓項目”工程施工監測方案，對受緊鄰基坑施工擾動影響的運行中地鐵隧道變形的動態監測方法進行了分析，采用GLS-B40激光測距傳感器的全自動動態監測系統，可以24 h無人值守、連續監測運行中的地鐵隧道變形，且每次監測可在地鐵運行間隔內迅速完成。監測到的數據可以實時提供給施工方，以指導當前及下一步的施工，在工程應用中取得了良好的效果。
關鍵詞 地鐵隧道 連續運行 基坑開挖 變形動態監測 激光測距傳感器
1 概述
在我國已有地鐵的城市中，地鐵沿線（非常靠近地鐵隧道）的深基坑越來越多，如何在基坑開挖中保護正在運行中的地鐵隧道，是一個十分現實的問題。采用信息化施工及監測方法，可以有效地指導基坑施工過程，施工中采用的時空效應法、逆作法、注漿法和基坑加固方法等均可達到保護鄰近隧道、控制變形的目的。而常規的地鐵變形監測如連通管法、巴塞特法等，在運行的地鐵隧道中進行監測相當困難，主要是因為地鐵運行間隔很短，運行期間不允許測量人員進入，為此，須有一種簡便的、無人值守、自動的動態監測方法，可在很短的時間間隔內，迅速完成隧道的變形監測，并為鄰近基坑的施工提交監測數據。
上海市 “綠地復建綜合樓項目”與上海地鐵1號線平行，西側基坑距區間隧道北線最近處約4 m，東側基坑距北線隧道最近處約8 m，基坑開挖深度約為10.5 m，采用地下連續墻圍護，兼做承重結構。基坑開挖將對地鐵1號線構成威脅，為保證地鐵的安全運行，必須在基坑開挖過程中對運行中的隧道變形進行不間斷監測。
2 自動化動態監測系統
2.1 監測要求
由于地鐵隧道在一天中的三分之二以上的時間是處于全封閉的運營狀態，不允許監測人員進入隧道內工作，所以要求必須在隧道內設置自動化監測系統代替人工操作，實現對隧道水平、垂直位移的連續、精確監測。考慮到地鐵運行的間隔很短，所采用的監測系統應能在3～5 min內完成隧道（受影響的區間段）的變形監測，以掌握基坑開挖施工引起地鐵1號線隧道變形規律及特性。
2.2 監測范圍
地鐵1號線下行線區間隧道沿基坑的60 m及兩端各向外延伸45 m（約150 m）的范圍。監測內容為隧道的水平和垂直位移。
2.3 自動化動態監測系統的構成
一個完整的自動化動態監測系統是指在無需操作人員干預的條件下，實現自動觀測、記錄、處理、存儲、報表編制、預警預報等功能，它由一系列的軟件和硬件構成，整個系統配置包括：GLS-B40激光測距傳感器、測控終端（GPRS）、通訊電纜及供電電纜、計算機與專用軟件。
2.3.1 GLS-B40激光測距傳感器
GLS-B40激光測距傳感器，測距精度為1.5MM，具有RS232，RS485，4-20MA模擬量輸出，9-30V電源接口，自動溫度控制，激光指示，固定螺絲孔位等功能。儀器一旦接到測量命令，就能采用一定間隔時間內的自動測量，并且通過測控終端的GPRS，把測量數據發送到服務器，無需人工干預，大大提高工作效率。
2.3.2 低功耗測控終端
低功耗測控終端具有RS232，RS485，模擬量端口，采用12V電源供電，具有GPRS模塊，插入手機卡，就可以實現遠程聯網控制，并且具有數據存儲功能，一旦網絡信號不好，所有測量數據會存儲在測控終端里面，等網絡信號好了，再發送出去，不會丟失任何測量數據。
2.3.3 計算機
計算機裝有專用軟件以實現整個監測過程的全自動化，既能控制激光測距傳感器按特定測量程序采集監測點數據，并將測量成果實時進行處理，以便及時發現錯誤，杜絕返工，也可以對各個觀測周期的監測數據進行存儲并生成監測報告。
2.3.4 其它設備
其它設備包括溫度計﹑氣壓計﹑濕度計、連接電纜、外接電源等；溫度計﹑氣壓計﹑濕度計用于測定空氣的溫度、壓力和濕度，將測定結果輸入到計算機中，對觀測結果進行修正，以提高觀測精度。
2.3.5 實時控制軟件
動態監控軟件是專門用于監測的、與GLS-B40激光測距傳感器配套的變形測量軟件，其在Windows環境下運行，并將數據存儲在SQL Server數據庫中，它既可按操作者設定的測量過程對觀測點進行相應的測量處理，也可實現數據的快速存儲、檢索、編輯，可實時顯示量測數據，并進行實時處理或后處理，按施工方要求的格式將監測點的位移變化轉化為標準圖表的形式直觀地表達出來，繪制出監測報表和位移曲線，自動實現數據分析、報警以及報表生成的功能，可以根據用戶的要求提供報表的形式。監控軟件基于B/S結構，支持遠程網頁訪問，具有操作員權限分配，不同等級的操作員，可以憑借用戶名和密碼進行訪問和控制，能上網的手機也能查看和控制。
3 施工監測
3.1 測點布設
測點布設在區間隧道K9+920~K10+070約150 m的范圍之內。每隔10M布設兩個測點，一個在隧道管片的垂直方向，一個布設在隧道到水平方向上，在激光傳感器的對面，激光能打到的地方放置帶十字線的標志板，標志板帶有雙面膠，直接貼在隧道管片上，這樣方便以后安裝激光測距傳感器的時候能測量同一位置。激光測距傳感器安裝在支座上，支座采用膨脹螺絲固定在隧道管片上，并不對行車造成影響。如果所示：
3.2 觀測方法
通過控制軟件，發送測量命令，可以設定測量間隔，每個測點都有編號，每個測距傳感器的地址不同，所有測量數據通過RS485總線發送到測控終端，測控終端通過GPRS把數據發回服務器電腦，這樣在監控軟件上就能看到每個測點的實時數據，采用每一個小時測報一次數據，有必要的時候也可以加大重點部位的觀側頻率。
3.3 測量數據
通過近三個月的自動觀測，隧道的變形數據與人工電子水準儀的測量數據對比，發現激光測距傳感器的數據穩定，精度高，實時性好，并且數據變化趨勢跟電子水準儀的測量數據一致。
3.4 測量誤差分析
3.4.1 誤差來源
（1） 由于本次監測需要實時監測，而地鐵隧道的濕度較大，對測距的精度會有影響，但地鐵隧道內的溫度﹑氣壓﹑濕度均比較穩定，因此，可不考慮這些外界環境因素對觀測結果的影響，可在觀測過程中利用數學模型進行修正。而列車運行帶來的震動卻對觀測結果的影響較大，故應盡量避免在這一時段進行觀測。
（2）本次測量采用GLS-B40激光測距傳感器觀測，其測距精度1.5mm，因此，其是影響測量的主要誤差源。
3.4.2 誤差分析
此次監測主要的誤差來源是儀器測距誤差，儀器本身的測距精度為1.5MM，最小顯示為1毫米，采用多次測量平均的方式，可以達到±1 mm的精度，能夠滿足施工及甲方對地鐵保護的要求。
4 結論
上海市“綠地復建綜合樓項目”基坑開挖對地鐵1號線構成威脅，施工中采用的監測系統對運行中的隧道變形進行不間斷監測，監測結果為基坑開挖施工提供了準確、及時的指導數據，保證地鐵的安全運行。這是一種簡便、靈活、無人值守、實時、動態的監測系統。工程應用表明，該監測系統能滿足工程的要求，且監測速度快、精度高、受人為影響少、自動化程度高，可在地鐵運行間隔內迅速完成隧道的變形監測。
