广东有色工程勘察设计院广东广州510000
摘要：为了解基坑在施工过程中对毗邻地铁车站段隧道结构安全的影响情况，信息化指导施工，在运营地铁隧道内安装结构变形自动监测系统，定时自动循环监测、自动计算和分析监测结果，确保地铁隧道结构安全。
关键词：地铁隧道；自动化三维监测；自动监测系统；监测软件；差分技术；差分改正
1工程概况
本工程位于花都区新华镇，交通较便利。因旁边工程建设，设地下车库2层，基坑开挖深度为6.60m～8.45m，基坑周长约690.52m，基坑支护形式采用"双排桩+搅拌桩"、"放坡+搅拌桩+喷锚网"、"钻孔桩+内支撑+搅拌桩"的组合支护方案。基坑侧壁安全等级靠近地铁南侧为一级，其余为二级，基坑支护结构使用年限自支护结构完工之日起计为1年。
基坑工程西南侧地下室紧邻广州地铁，基坑边线距离地铁车站结构边线距离约为47m，长度约为242m。
为了解基坑在后续施工过程中对毗邻地铁车站段隧道结构安全的影响情况，信息化指导施工，确保地铁隧道结构安全，在该项目基坑施工期间，我院对相邻的地铁车站结构进行了变形自动化监测，实际监测的车站结构长度约300m（两端超出约2倍基坑开挖深度），轨道层监测里程为：左线ZDK14+056～ZDK14+361；右线YDK14+056～YDK14+361。
2监测坐标系统及高程基准
2.1坐标系统
以本工程监测区间段地铁隧道中轴线方向定义独立的平面直角坐标系，平行于隧道中轴线的方向为Y轴，垂直于隧道中轴线的方向为X轴，竖直方向为Z轴。其中ΔX为正表示向基坑内侧位移，为负表示向基坑外侧位移。
2.2高程基准
采用独立高程系统，以基准点K1为高程起算点，假设其高程为H=10.0000米。高程变化量ΔZ为正表示上升，为负表示下沉。
3监测方法及精度分析
本项目监测区间为运营隧道，隧道内已封闭，因此采用自动化三维监测。
运用基于TCA1201+全站仪的变形自动监测系统，以自动搜索目标的全站仪为测量工具，并配备L型单棱镜为目标棱镜，测定各变形点的三维坐标，持续计算变形值。
工作流程如下图1所示：
图2极坐标测量原理图
式（1）表示测量点在测站独立坐标系下的坐标计算公式，当全站仪联测两个或两个以上已知坐标点，通过后方交会的方法可以得到测站独立坐标系与已知控制点所在坐标系的关系。
极坐标法测量点位的精度分析如下：
将（1）式两边对三个观测值S、α、β求全微分，并设平距，则得：
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：
（3）多重实时差分系统理论精度分析
对（12）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：
将（14）式代入（15）式得P点的点位中误差：
从上表中可以看出：
a.基准点至仪器站的距离不小于变形点的距离，对保证变形点的监测精度是非常重要的（尤其是高程方向的精度）；
b.相对于监测站，对于某一距离的变形点，基准点距离的增大对提高变形点的三维坐标精度不明显；
c.若要确使变形点的三维坐标的测量精度不低于，变形点的监测距离不应超过1000m；
d.在150米的监测范围内，极坐标实时差分测量三维坐标的理论估计精度能达到亚毫米，约为±0.3mm。在500米的监测范围内，极坐标实时差分测量三维坐标的理论估计精度能达到亚毫米，约为±0.5mm。
4监测仪器设备
本监测项目采用的监测仪器、设备如下表：
5监测系统的软硬件构成
5.1监测系统的硬件
基于TCA1201+全站仪的变形自动监测系统，以自动搜索目标的全站仪为测量工具，并配备L型单棱镜，采用极坐标的测量方法，测定各变形点的三维坐标。同时将采集的数据通过数据线自动传入控制计算机，计算机对所采集的数据进行分析处理，输出变形点的变形及相关信息，便于有关人员及时掌握变形情况。监测网络系统的硬件组成如下：
自动化监测系统的硬件部分包括高精度自动全站仪、目标棱镜、计算机、数据线等部分组成。
（1）高精度自动全站仪
自动全站仪是具有目标自动识别、照准及自动测量功能的全站仪，瑞士徕卡（Leica）公司生产TM50型及TCA1201+型自动全站仪均属于这一类型。下图为TCA1201+型自动全站仪的照片。
图6人工半自动监测示意图
5.2监测系统的软件
为获取各周期测站点、变形点的三维坐标，本项目三维位移采用GeoMoSMonitor监测软件，软件界面如下图7所示：
图7GeoMoS软件界面图
本自动变形监测软件具有如下功能：
（1）设置参数：设置测量工作进行时的基本参数，如测量坐标系、数据单位以及计算机与全站仪之间的通讯参数等，这是自动测量工作之前的初步工作。系统将按照用户的设置来存储数据和通讯等操作。
（2）初始化全站仪：根据用户在参数设置中设置的计算机与全站仪之间的通讯参数来对全站仪进行初始化，将计算机中设置的参数与仪器中的参数对应起来，以便能够进行通讯，保证命令的传输和通讯的顺畅。
（3）初测学习：通过对目标点，包括基准点和变形点的首次观测，存储其概略位置，存储数据以便作为以后自动观测的依据，即搜索目标点的大体位置。
（4）自动观测：这个模块是程序的主模块，系统根据用户设置的定时器和点组及它们之间的连接关系，来确定某一时刻观测哪些点，同时将观测的数据存储下来，并进行相应的差分处理。
（5）数据处理：根据己知的基准点数据和观测的基准点数据来计算改正系数对观测数据进行改正，得到观测点的或然三维坐标，与第一期相比较得出的差值即为观测点的变形量。
（6）输出结果：根据用户的要求输出观测结果或者数据处理后的结果，报表打印输出结果。
6实时监测控制标准
采用TCA1201+型自动全站仪按照三维控制测量技术要求（见下表）测定各基准点坐标。对基准点进行施测时，为了消减误差等影响，在每次监测开始前进行多次全自动化观测取其平均值作为参考基准。平面及高程控制指标见下表。
平面控制网技术要求
级别平均边长（m）角度中误差
（″）边长中误差
（mm）最弱边边长相对中误差
一级200±1.0±1.01：200000
二级300±1.5±2.01：100000
三角高程测量的限差（mm）
级别附合线路或环线闭合差检测已测边高差之差
二级≦±4√L≦±6√D
三级≦±12√L≦±18√D
6.1监测点精度要求
本监测项目中的水平位移监测（变形观测）按二等要求实施，变形观测点的点位中误差不大于1.5mm；垂直位移监测（沉降）按三等要求实施，变形观测点的高程中误差不大于1.0mm。
6.2位移量计算
本项目采用三维测量技术进行监测，测量结果经过自动化软件分析剔除、平差计算后得出单次测量坐标，通过位移量计算公式：坐标增量ΔXn=Xn-Xn-1，ΔYn=Yn-Yn-1，ΔZn=Zn-Zn-1，得出位移量，各次位移量之和即为该点的累计位移量。
本项目隧道结构沉降和水平位移报警值：10mm或连续两天每天的变形超过2.0mm/天，累计变形控制值为15mm，详见下表。
隧道监测项目预警值、报警值和控制值一览表
7监测工作的实施
7.1点位埋设
7.1.1基准点、工作基点的布置安装
（1）基准点的布设：监测基准点布置在隧道监测段的两端监测范围50m外，每端设置2个基准点，共设置4个基准点，编号为K1～K4。测站点设在待测隧道中部侧壁上，测站点上安置全站仪，基准点上设置徕卡标准圆棱镜。测站点通过基准点获取准确坐标后来测定各监测点的实时坐标。
基准点的埋设：基准点必须埋设稳固，保证整个监测过程中不受破坏，采用钢性连接杆，牢固安装在隧道内壁（如图8），棱镜距隧道壁3～5cm，确保观测通视良好。
图11校核点示意图
7.1.2监测点的布置安装
隧道内监测点的安装：侧壁采用L型棱镜，在侧壁结构面上牢固安装好棱镜（如下图12），并使棱镜面正对工作基点（即测站点），对于处在下方的监测点，为了防止碰动点位，必要时加角钢进行保护。另外，由于存在小视场中的棱镜分辨问题，距离较远的断面在埋设时，应相互错开一些距离，同时监测点的编号按设计断面编号，同时在监测报表中注明相应的里程。
3.控制网中最大误差情况：
最大点位误差=0.00143米
最大点间误差=0.00143米
最大边长比例误差=1/118400
4.[方向观测成果表]
根据上述自动监测基准网模拟计算平差结果得知，各项精度指标均满足符合规范要求，可以作为本次变形监测基准参考。监测基准网均在每次变形监测工作开始前进行复测，一旦发现有基准点变动变位，予以剔除。当发现多个基准点变动时，及时重新设置监测基准点并采用校核基准点按照相关测量规范对其进行施测，重新组网平差。此外后期按照每月一次的频率，通过校核基准点，对监测基准点进行复核，检查。
7.2.2自动监测实施
监测基准点观测解算完毕后，即可进行监测工作。本项目采用全站仪自动跟踪测量的监测方式，即将仪器安装在隧道内，由电脑通过数据线连接操作测量仪器，定期定时自动循环监测、自动计算、分析监测结果。本项目水平位移及沉降监测采用后方交会及极坐标测量原理进行观测，以测量各点的三维坐标。
第一次观测，在工作基点上架设全站仪，整平定向（定向采用后方交会方式）后，通过数据线连接监测软件系统---GEOMOS软件，采用方向观测法逐点采集各监测点的方向值及距离；由自动监测软件观测计算出各监测点的三维坐标（X0、Y0、Z0）。采用多次观测（一般最少3次）的有效数据经平差后，取中数作为本项目变形监测数据处理的初始值。
从第二次观测开始，由监测系统根据初始值，初始方向角，自动跟踪、自动定位、自动捕捉监测点，自动进行测量，自动进行平差计算出该次各监测点坐标值（Xi、Yi、Zi），再由计算机自动监测系统平差计算出每一监测点在水平位移两个方向的变形值（dX、dY）和沉降方向变形值（dZ），即三维方向的变形值（dX、dY、dZ）。
以后按每天一个或几个周期进行水平位移和垂直位移三维方向观测；从第二次观测开始，每次测站不要求和上一次重合，但必须利用差分基准点测量出本次测量的测站三维坐标。然后，机载自动监测系统测量、差分、平差计算出该次各监测点坐标值（Xi、Yi、Zi）。由计算机自动监测系统平差计算出每一监测点在水平位移两个方向的变形值（dX、dY）和沉降方向变形值（dZ），即三维方向的变形值（dX、dY、dZ）。机载自动监测系统或计算机自动监测系统再按不同隧道边缘形状，将三维方向的位移值（dX、dY、dZ）中的dX、dY值换算成基坑边缘法线方向水平位移值dL、垂直沉降值dZ。
监测点观测具体步骤如下：
1）安置仪器及设置参数：在工作基点上安置TCA1201+全站仪、监测棱镜、工控机、气压与温度计（用于对气压、温度影响进行实时改正）、电源和通信等装置；设置测量工作进行时的基本参数，包括测量坐标系统、数据单位以及计算机与全站仪之间的通讯参数等。
2）初始化全站仪：设置全站仪及计算机通讯参数保持通讯顺畅，完成自动化监测系统的初始化，实现指令和数据的传输工作。
3）初测学习：操作TCA1201+全站仪对目标点（包括基准点和变形点）进行人工观测，搜索目标点的概略位置，存储监测点的边角数据作为学习值，为仪器自动观测时提供依据，实现下一步的自动化监测工作。
4）后视定向：由于全站仪位置处于监测区间，故本项目需采用自由设站法取得测站点坐标，即每次监测前，通过后方交会法，自动矫正定向角度和测站坐标后，才进行下一步监测任务。
5）自动观测：通过建立点组设置观测点及观测顺序。自动化全站仪根据学习值快速搜索目标监测点，利用TCA1201+自动化全站仪ATR功能实现精确照准。点组连接定时器就实现了定时对监测点按照一定的观测顺序和测回进行数据的采集工作。监测系统自动剔除超限观测值并进行重测工作。
8监测总结论
（1）从上表可以看出，隧道各监测点累计变化量远小于设计提供的控制标准，各监测点的变化速率稳定，未见异常突变，或者持续增大的情况。
（2）根据地铁隧道结构工后现状普查，通过现场对地铁隧道结构表面巡查，再结合工前现状普查，可以得知，隧道结构表面状况良好，在该项目基坑建设施工期间，未见新增裂纹、裂缝、漏水等异常情况。
总体来说，在基坑支护工程施工过程中，相邻地铁区间隧道结构受施工的影响较小，隧道结构一直处于相对稳定及比较安全的状态。
参考文献
[1]夏才初、潘国荥，土木工程监测技术，北京，中国建筑工业出版，2002年。
[2]朱建军、贺跃光、曾卓乔，变形测量的理论与方法，湖南，中南大学出版社，2004年。
[3]韩山农，测量员便携手册，北京，人民交通出版社，2009年。
[4]石杏喜，工程测量，北京，国防工业出版社，2016年。