地铁隧道结构变形监测方案

地铁隧道结构变形监测方案一、工程概况珠江新城海心沙绿化改造及地下空间（三区）基础工程位于珠江新城海心沙区域的西部，正在运营的地铁三号线“珠江新城～赤岗塔”区间盾构隧道在该工程的地下由西北向东南通过。该工程位于地铁隧道上方的地基基础主要为直径1.6和2.2米的钻（冲）孔灌注桩基础，桩底高程约为-23.35～-20.7米（广州城建高程），并设置横、纵向转换梁支撑跨越地铁隧道的上部主体结构，最大的转换梁梁底高程约2.70米。经核查，位于地铁隧道两侧的钻（冲）孔桩与地铁隧道的最小水平净距约2.90米，位于地铁左、右线隧道中间的钻（冲）孔桩与地铁隧道的最小水平净距约2.60米。横、纵向转换梁梁底与地铁隧道结构顶面之间的最小垂直净距约为15.50米。该工程范围内的地铁隧道结构顶面高程约-13.15米，地铁隧道结构底高程约-19.35米。二、监测目的正在运营的地铁三号线“珠江新城～赤岗塔”区间盾构隧道在该项目看台工程的地下由西北向东南通过，在地铁隧道结构外侧左右垂直距离15.0米范围内的看台工程桩及上部主体施工过程中，可能对地铁隧道结构产生变形、倾斜、位移、隆起或沉降等方面的影响。受广州新中轴建设有限公司的委托对此区间的盾构隧道进行变形监测和裂缝监测。主要目的是：1、了解各种因素对地铁盾构结构变形等的影响,为有针对性地改进施工工艺和修改施工参数提供依据；2、预测地铁隧道结构的变形趋势,根据变形发展程度,决定是否需要采取保护措施,并为确定经济合理的保护措施提供依据；3、了解上部工程施工过程中地铁隧道结构有无裂缝情况及其变化规律；4、建立预警机制,避免结构和环境安全事故造成不必要的损失；5、施工过程中，根据监测数据分析，及时反馈信息、指导施工，为地铁的安全运营提供可靠保障。三、遵循的监测技术及方案编制依据3.1遵循的技术为TPS极坐标差分法该方法采用瑞士Leica公司的具有ATR（自动目标识别）功能的TCA系列的全站仪（又称测量机器人），进行极坐标差分作业。TCA2003全站仪，其标称精度测角为±0.5″，测距为±(1mm+1×10-6×D)；TCA1800全站仪，其标称精度测角为±1″，测距为±(1mm+2×10-6×D)，该系列仪器能对目标进行自动搜索、自动照准、自动观测，实现角度、距离测量自动化，其测量原理是极坐标法。该系统的标准配置包括TCA全站仪、GeoMoS软件。此系统已成功地应用于香港九龙塘地铁隧道运营监测，新加坡地铁公司已将其作为常规装备用于地铁监测。差分作业的基本思路是：由于测量实现了自动化，使得观测时间缩短，在短时间内，大气环境可视为相对不变，故利用基准点的观测信息，在无需测量气象元素的条件下实现大气折射、大气折光的实时差分改正，测试结果显示，在200m的距离上，距离测量精度为±0.2mm，水平方向测量精度为±0.24″，坐标测量精度达±0.2mm，说明在近距离上达到了比较高的精度。系统配置有TCA全站仪、GeoMoS软件、光学反射棱镜。差分法已有多个成功案例。如应用于新疆昌吉市三屯河水库大坝的外部变形观测。经过长期运行，观测资料的变化规律基本上与大坝变形特征相一致，说明系统是成功的。该系统的特点是：差分方案达到亚毫米级，减少了气象仪器，全天24h无人值守，获取3维坐标信息，反射棱镜价格低廉，有利于增加变形点数。该系统在2001年的广州地铁一号线陈家祠站“非地铁施工时对地铁结构的影响”项目中，得到成功应用。另外，成功地用在宁波招宝山大桥、湖南澧县艳州水电站、宜昌宜陵长江大桥、山西后河水库等项目的变形观测中。3.2方案编制依据1.《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》GB50308-1999；2.《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》GB50307-1999；3.《建筑变形测量规范》JGJ8-2007；4.《广州地区建筑基坑支护技术规定》GJB02-98；5.《工程测量规范》GB50026-2007；6.《国家一、二等水准测量规范》GB/T12897-2006；7.《精密工程测量规范》GB/T17942-2000；8.《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999）；9.混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）；10.广州市政府对广州地铁设施保护的具体规定《广州市城市轨道交通管理条例》（2007年10月22日颁布）。四、地铁隧道自动化变形监测部分4.1监测内容及监测点布设根据地保办及地铁运营部门的要求，受影响地铁隧道区间包括隧道与上部施工区域交叉段以及两端各40米的延长段，所以，须进行监测的隧道区段长度约为320米（包括上下线双管隧道）。4.1.1监测断面布设在施工影响范围内的地铁三号线上、下行线隧道内共分别布设29个变形监测断面，其中断面1、2、28、29位于看台基础垂直投影外侧，断面间距30米；其它断面位于看台基础正下方，断面间距12米，见附图1。4.1.2监测断面测点布设每个断面布设5个监测点，即在轨道附近的道床上布设两个沉降监测点，中腰位置布设两个水平位移监测点，隧道拱顶布设一个拱顶沉降监测点。各观测点编号规则为：线路号+断面号+测点编号，监测点用连接件配小规格反射棱镜，用膨胀螺丝及云石胶锚固于监测位置的侧壁及道床的混凝土中，棱镜反射面指向两个工作基点。见下图2、图3图2监测断面平面布点示意图图3监测断面立体布点示意图4.1.3监测基准点布设基准点布设在远离变形区以外，最外观测断面以外40米左右的隧道中。每个监测隧道两端各布设2个基准点。每一个监测隧道内共布置4个基准点以增加控制点的数量，通过增加多余观测数来保证测站点的精度减少因控制点引起的误差影响。通过后方交会的方式用最小二乘法控制点位精度来保证监测数值的精确性。在布设控制点时以高于监测要求一个等级的测量方法重复观测，按相关规范及广州市地下铁道总公司监测技术要求进行差分基准点的测量，建立高精度等级的基准网，具体技术要求见下表：水平角方向观测法的技术要求表1等级仪器精度等级两次照准目标读数差半测回归零差（″）一测回内2C互差（″）同一方向值各测回互差（″）一级0.5″级仪器1584电磁波测距技术要求表2级别仪器精度等级（mm）一测回读数间较差限值（mm）单程测回间较差限值（mm）一级≤111.4水平位移观测点坐标中误差达到≤1.0mm；垂直位移观测点测站高差中误差达到≤1.0mm.4.1.4观测基站布设为使各点误差均匀并使全站仪容易自动寻找目标，工作基站布设于监测点平均布局中部，先制作全站仪托架，托架安装在隧道侧壁，离道床距离1.2米左右，以便全站仪容易自动寻找目标,每次监测时，将仪器通过螺栓固定于钢架上。4.1监测系统的建立4.1.1自动监测系统因地铁隧道运营等特殊环境不能方便的进出人员进行传统的监测，因此采用自动化监测系统能够很好的适应实际需求。在每一条需要监测的隧道内安放2台自动监测机器人进行实时监测，自动监测系统从调式安装运行，并以该时刻各变形点的观测值为初始值，全天24小时无人值守全天侯、实时同步三维地获取了大量监测数据，因测量仪器在隧道区间段内需要24小时用电，请地铁运营相关部门协助办理用电手续。通过专业软件统计分析为隧道各个监测断面变形提供及时准确的数据。自动变形监测系统主要由数据采集、数据传输、系统总控、数据处理、数据分析和数据管理等部分组成。如下各图4、图5。变形监测棱镜（监测点）变形监测棱镜（监测点）自动全站仪观测站自动全站仪观测站（瑞士徕卡TCA2003）（瑞士徕卡TCA2003）供电与现场检测系统GeoMos工控机监测数据库无线传输模块GPRS模块数据传输（SMS协议）监控中心服务器无线传输软件自动监测系统作业构成图4监测部分操作流程图54.1.2监测仪器及其他设备序号名称型号品牌产地数量单位备注1全站仪主机TCA2003徕卡瑞士4台每台主机含GEB187电池1个，2M数据卡1个，GDF21基座1个，主机检定证书及数据传输软件（办公软件）和仪器箱;采用TCA2003全站仪2徕卡大棱镜GPR112徕卡瑞士8个后视控制点用3徕卡L型迷你棱镜GMP104徕卡瑞士N个监测点用4程控开关盒徕卡奥地利4个可远程遥控TCA2003开关机5专用GPRS通讯模块徕卡国产6个无线通讯模块、数据电缆和电源，用于远程数据传输到控制中心6自动监测软件GeoMoS双站版徕卡瑞士2套控制4台全站仪同时自动监测，含短信报警功能、限差超限报警等7短信报警模块GFU24徕卡瑞士2个用于短消息报警8远程数据无线传输软件徕卡国产1个用于现场监测数据远程无线传输到控制中心，并更新到控制中心数据库9RS232-RS485数据转换器MOXA台湾6个系统通讯组网设备，自带220V交流转12V稳压直流电源10RS485转TCP/IP转换器MOXA台湾6个11系统主设备安装及调试徕卡国产1项TCA2003、GeoMoS软件安装和系统联合调试12数字温度气压传感器徕卡2套改正仪器参数4.2监测方法采用徕卡Geomos软件进行自动变形监测，该系统由瑞士Leica公司开发用于自动型TCA系列的全站仪的自动监测，具有自动控制及变形数据分析功能，是目前该方面最先进的系统。该系统将自动完成测量周期、实时评价测量成果、实时显示变形趋势等智能化的功能合为一体，是进行自动变形监测的理想系统。该系统具有以下特点与优点：1)在无人值守的情况下，可以实现全天24小时自动监测。列车运行时，系统也可以自动进行监测,克服了传统测量方法的不足,节约了大量的人力,为地铁提供了实时的安全运营保障。2)建立高精度的基准点，采用实时差分式测量方案，可以最大限度地消除或减弱多种误差因素，从而大幅度地提高测量结果的精度。变形监测点位三维精度优于1毫米。3)简化了气象等附加设备，为系统在计算机控制下实现全自动、高可靠的变形监测，创造了有利条件。4)实时进行数据处理、数据分析、报表输出及提供图形等。5)远程监控，自动报警。6)在短时间内同时求得被测点位的三维坐标,可根据设计方案的要求作全方位的预报。将TCA自动化全站仪安置在隧道侧壁的强制对中托盘架上，现场通过变压稳压设备对其进行不间断供电，保证对其本身的长效供电电池充电，全站仪数据通过CDMA模块传输到数据中心（办公室），同时将监测指令传输到采集设备（全站仪），实现远程自动的变形监测。4.3监测频率和周期本监测工作从方案报批通过后正式进场开始，上部影响范围内工程施工完毕且监测数据稳定时止。监测数据显示变形尚不稳定，应继续观测一个月直至变形稳定为止。所有观测点、测试元件和设备的安装埋设均在基坑开挖前及影响范围内工程桩施工前完成，并测试各项初始值。由于被监测区域为运营中的地铁线路，根据列车通过监测区域的时间进行调整。运用测量周期编辑器全天24小时无人值守全天侯、实时同步三维可获取大量监测数据。监测周期设定可采用测量周期编辑器（MeasurementCycleEditor）在所定义的时间内按定义的时间间隔对点组进行测量起始时间、终止时间、时间间隔的设定。监测实施过程中，监测频率可方便地根据施工进度、监测结果、及地保办和设计的指令调整测量周期编辑器，先暂定监测频率为：桩基础钻孔期间，每天监测3～5次；基坑开挖期间，每天监测3～5次；主体施工期间每天监测5～10次。当地铁隧道结构突然发生较大量的变形和不均匀变形，立即通知地铁运营主管部门、建设单位、地保办、施工单位、现场监理、并加密观测，研究施工措施，采取有效方法防止地铁隧道结构变形损坏，对地铁运营造成重大影响，4.4监测报警值在信息化施工中，监测后应及时对各种监测数据进行整理分析，判断其稳定性，并及时反馈到施工中去指导施工。根据以往经验以《铁路隧道喷锚构筑法技术规则》的Ⅲ级管理制度作为监测管理方式(见表4)。监测管理表表4管理等级管理累计位移（mm）施工状态Ⅲ≤5可正常施工Ⅱ≤10应注意，并加强监测Ⅰ＞10立即启动报警模式根据监测管理基准，可选择监测频率：一般在Ⅲ级管理阶段监测频率可适当放大一些；在Ⅱ级管理阶段则应注意加密监测次数；在Ⅰ级管理阶段则应密切关注，加强监测，监测频率可达到3～5次/天或更多。当次位移超过2