上海京海工程技术有限公司 上海市 200137
【摘要】作为国际化大都市，世界超级城市，上海市不仅地上、地下空间也被充分利用，虽然中心城区涉及轨交设施保护区内的建设已基本完成，新建城市设施与轨交设施的空间关系越来越紧密也是客观存在且在逐步向郊县发展，监护测量作为运营保障和城市建设的眼睛，其测量技术能力、测量精度、测量反应速度和测量成果的可靠性、成果分析能力及对轨交设施健康状况的预估能力都将发挥着不可或缺的作用。
城市建设的地下基坑项目也越来越多发生在地铁隧道的保护区内，对隧道的安全运营也产生了不利的影响，所以建设项目建设过程中必须对地铁运营隧道进行必要的变形监测。本文就主要针对地铁运营隧道变形监测的特点，水平位移测量的一般布点与测量方法、测量的难点及相对精度分析等。
【关键词】地铁运营隧道 水平位移测量 小角度法 视准线法 极坐标法
1 运营隧道测量的特点
时间特征
在上海轨道交通辖区内开展的各类检修施工应纳入计划管理，在实施前应编制施工计划，报计划审批单位批准后方可实施。地铁监护测量一般在“天窗时间”进行（天窗时间系指车场内图定接发车大于1h的时间间隙，分为日间天窗和夜间天窗）。由于城市运营与地铁动车演练的需要，而正常的法定节假日，运营往往会延长，所以“天窗时间”的长度在不断面减少，要求测量人员必须在有限时间内保质保量的完成测量。
空间特性
中心城区的线路基本设在地下隧道内，中心城区以外的线路一般设在高架桥或地面上，所以监护测量一般处于一个相对封闭的空间内进行，个人安全防护尤其重要。特别是在高架测量中，不但需对风雨雷电等自然天气进行防护，还得对设备安全进行防护。
安全风险管控的难度
受测区照明、高架或地面线路天气等影响，测量作业时环境条件比较差，增加了作业人员自身安全防护、轨交设施的保护及测量仪器安全防护等多方面的管控难度，而夜间作业作业人员的精神状态某种程度大也对影响管控效果。测量前期需对人员的配套劳保用品及人员有身体与心理的状态进行相关调查，以确保安全措施到位。
测量质量控制的难度
水平位移测量是独立的数据测量，某一点某一段的粗差很难在内业数据处理环节被发现，增加了测量数据可靠性的控制难度，同时水平位移测量对于观测的网型、测量的距离、人员与仪器的状态等都有很高的要求，国此需要不间断分析测量的数据情况，找出数据的粗差，以确保测量的质量。
测区限制的难度
水平位移测量方法包括视准线法、小角度法、极坐标法等，视准线法、小角度法均适用于通视条件较好的直线段，也包括竖向坡度不能太大，否则要采用极坐标或导线测量等方法，这些方法存在测量结果需做法向和径向分解，测站多、测量偶然误差增大等不利情况。隧道的通视条件、光照条件、及较大的竖向坡度会增加水站测量的架站数量，降低测量精度，影响水平测量成果的准确性。
2 水平位移测点的布设一般规则
目前地铁隧道施工中，上海基本上采用的是盾构施工法，盾构施工中的变形基本上是垂直方向的位移与侧向的水平位移。因此监测点的布设一般以垂直位移监测点为主，而可能存在侧向变形的地方需布设水平位移监测点的，可以经甲方提出或监测方提出经甲方同意，布设一定数量的水平位移监测点。
水平位移监测点的布设，盾构法的隧道一般在纵轴线方向上每隔5环布设一个监测点（取自上海市《城市轨道交通结构监护测量规范》（DG/TJ 08-2170-2015）），可参考项目影响的正投影区段与影响的外放区段适当的调整监测点密度，对于隧道本身的存在重大病害或结构的连接处均应该加密监测点的布设。
对于隧道横轴方向，可在隧道的道床中间部位或管片上进行布设，如工程需要可同时在道床和管片的不同部位布设水平位移监测点。
3 水平位移测量常用测量方法
水平位移测量，根据现场通视情况选择性采用视准线法、测小角法或极坐标法。某监测点变形量一般为本次水平位移E值与前次E值的差值为该点本次位移变化量，本次E值与初始的E值之差值即为该点累计位移量。
（1）视准线法
如下图所示，点A、B、C是视准线的三个基准点，1、2、3为水平位移观测点。观测时将全站仪置于A点，将仪器照准B、C点，将水平制动装置制动。竖直转动全站仪，分别转至1、2、3 三个点附近，用钢尺等工具测得水准观测点至A-B、C这条视准线的距离。根据前后两次的测量距离，得出水平位移变化量。
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图1视准线法水平位移测量原理图
（2）测小角法
如下图所示，如需观测某方向上的水平位移PP′，在监测区域影响范围以外选定稳定的工作基点A，监测点的布设应尽量与工作基点在同一条直线上。沿测点与基准点连线方向在一定远处（100～200m）选定一个控制点B，作为零方向。在B点安置觇牌标志，用测回法观测水平角BAP，测定一段时间内观测点与基准点连线与零方向间角度变化值，根据δ=△β×D/ρ（式中D为观测点P至工作基点A的距离，ρ=206265）计算水平位移。
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图2测小角法水平位移测量原理图
（3）极坐标法
基准点：以施工区域影响范围以外的目标为基准参照点，基瘃点位置必须稳固，且通视条件良好。按照极坐标法进行观测，如图3所示，在已知点A安置仪器，后视点为另一已知点B，通过测得AB—AP的角度以及A点至P点的距离，计算得出P点坐标。设A点坐标为A（XA，YA），A—B的方位角为αA-B，则P点坐标P（XP，YP）的计算公式为：
XP=XA+S•cos（αA-B+β）
YP=XA+S•sin（αA-B+β）
由微分公式可得：
△Xp=cos（αA-B+β）•△S-sin（αA-B+β）•S•△β/ρ
△Yp=sin（αA-B+β）•△S+cos（αA-B+β）•S•△β/ρ
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图3极坐标法水平位移测量原理图
4 测量方法的分析与比较
（1）视准线法
优点：观测方法简单实用，操作性强，需投入资源设备也较小，在工程项目中得到广泛的运用。
缺点：可能由于视线过长，照准误差增大，或需借肋辅肋设备才能观测，这样对观测成果影响较大，精度低，因此此方法受外界条件影响大，而且变形值不能超出本方法的最大偏距量。
精度分析：由基准线的设置可知，观测误差主要是仪器测站点的对中误差，视准线照准误差，读数照准误差，其中读数照准误差影响最大。
（1）小角度法
优点：简单易行，便于操作，精度较高
缺点：对场地要求较高，一般为开阔地，基点应该远离变形影响区一定的距离，一般设在不受影响的地方
精度分析：距离观测误差对水平位移观测误差的影响较小；水平角的观测精度直接影响水平位移的精度，一般采用高精度的全站仪且增加测回数来提高测量精度。
（3）极坐标法
优点：使用方便，尤其是利用全站仪可以直接测得坐标，直接得出成果。
缺点：精度较低，精确获取三维坐标的难度较大。
精度分析：全站仪测量时的影响误差有仪器对中误差和目标点偏心误差、点位中误差、观测误差等。
5 提高测量精度的一般措施
1）仪器对中误差
全站仪对中通常采用仪器自带的激光对中器或光学对中器对中，当对对中器和照准部水准器进行严格的检验校正后 。这两种方法的对中中误差均可达到士1mm。目标点一般采用三脚架和棱镜基座安置棱镜，对中精度与仪器对中精度相等 ，即m对中=m偏心=±1mm。
2）目标点偏心误差
当进行高精度观测时，为减小仪器对中误差和照准目标偏心误差，可设置具 有强制归心装置的观测墩和具有强制对中装置的棱镜台，此时仪器对中误差和 目标偏心误差能达到±0.1mm以内 ，可以忽略不计 ，即m对中= m偏心=±Omm。例如实用新型专利“一种水平位移测点装置 CN210482583 U”可以有效的减少对中误差的影响。
3）数据处理
地铁隧道观测工作中，由于监测点数量较多，如果手工计算数据，计算工作量大，易出现计算错误，而且施工单位一般都要求尽快提交监测报表，根据地铁隧道监测工作的特点，利用计算机专门编写了计算程序， 现场采集数据，内业处理时会自动计算出每次的变形值及累计变形值，由此减少了可能人工计算错误，保证了测值的准确性。
6 结 语
本文介绍了运营隧道中水平位移测量一般特点，并介绍了水平位移测量的常规测量方法，在不同监护测量项目中，只要选择适当的测量方法与测量设备进行作业，即能保证精度符合要求，准确把握施工项目对隧道的水平位移影响，提前预估轨交设施健康状况，从而及时的采取措施确保运营的安全。
随着测量技术的发展和仪器的不断更新，而新型高科技的测量机器人在水平位移监测中也将得到越来越广泛的应用，利用机器与程序有效提高了测量的精度，减少了人工操作并成更好的服务于工程项目 。
参考文献
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