广东省重工建筑设计院有限公司 广东广州 510670
摘要：随着地铁线路的逐步成网和城市化进程的加快，地铁沿线的深基坑越来越多，影响的范围和规模也越来越大，需要更多仪器和软件的投入。以人工为主的传统监测方法解决不了狭长隧道变形自动化监测的问题。本文主要介绍我院自主研发的WebMos自动化监测云平台多台智能全站仪联合组网监测方法，并以某基坑开挖影响地铁隧道为例，阐述基坑影响狭长隧道变形区域的自动化监测方案，通过采集数据对地铁隧道的变形进行分析判断。
关键词：狭长隧道；多全站仪；联合组网
1.引言（背景）：
随着地铁线路的逐步成网和城市化进程的加快，地铁沿线的深基坑越来越多，影响的范围和规模也越来越大，需要更多仪器和软件的投入[1]。以人工作业为主的传统监测方法已无法满足信息化施工的需要，解决不了长大隧道变形自动化监测的问题。针对以上问题，我院组织的“WebMos自动化监测系统研发”项目以地铁隧道结构的安全监测为突破口，通过多型号智能全站仪的远程联合控制技术、新型组网技术和解算模型的研发，设计开发了“WebMos自动化监测云平台”，以实现地铁隧道大变形区域多台全站仪的联合组网自动化监测，解决了狭长地铁隧道内变形区域自动化变形监测基准网布设困难、网形强度低、可靠性差等问题，提高了变形观测精度[2]。
2.多站联测组网方法
2.1联测网形选择
我院组织的“WebMos自动化监测系统研发”项目，将高铁CPIII技术[3-4]成功应用于地铁隧道大变形区域的自动化监测。因地铁隧道内空间狭小，视线特殊，单台仪器的有效监测范围一般在200米以内（前后各100米），当变形区范围超过200米，则需要多台仪器组成的自动化变形监测系统[2]。
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多站联合组网方法示意图
在狭长地铁隧道内，两站间距以150米左右为宜，两站之间公共点分布的范围要尽量长一些，便于提高基准网的横向精度。多站监测网基准点、公共点布设要求如下[2]：
（1）布设在变形区两端的基准点一定要选择在变形区外稳定的隧道结构上；
（2）每端的基准点不得少于2对，在条件允许时，基准点对之间的距离尽量拉开，以20~30米为宜；
（3）两站之间的公共点不得少于两对，公共点对之间的距离尽量长一些；
（4）在保证通视的条件下，基准点对及公共点对的平面距离尽量拉大；
（5）确保后续布设的变形监测点不影响基准点、公共点的观测；
2.2变形监测基准网解算模型研究
多站联测组网应用多种变形监测网解算模型，包括经典三维监测网间接平差模型、三维监测网自由网平差模型、三维监测网拟稳平差模型，具体监测项目可根据需要选用相应的解算模型。同时，在拟稳平差的基础上引入抗差估计概念[4]，构建了如下相关观测等价权函数：
平差迭代过程中被剔除的点（=0）可判定为不稳定点。
三维变形监测网拟稳平差抗差估计模型成功应用于狭长地铁隧道大变形区域的三维变形监测，可自动探测观测值粗差和不稳定点。采用对标准化残差较大的观测值进行降权处理方法，通过迭代计算逐步消除不稳定点对平差结果的影响，提高了地铁隧道三维变形监测精度[2]。
3.工程应用实例
3.1工程概况
广州某商住楼项目基坑采取明挖法施工，基坑周长约为730m，开挖深度为14～15.2m，采用“地下连续墙”+“两道钢筋砼内支撑”的支护方案。结构外边线与六号线海珠广场站～北京路站区间地铁隧道结构外边线相连接，项目施工影响六号线海北区间隧道里程分别为：左线ZDK11+251～ZDK11+651，右线YDK11+271～YDK11+671，该范围区间处于强风化粗砂岩、全风化粉细砂岩以及强风化粉细砂岩。
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基坑与六号线隧道位置关系图
3.2监测范围及测点布设
六号线海北区间隧道受基坑影响范围大约310米。区间隧道部分弯曲，单测站不能覆盖监测范围要求，通视条件较差，因此采用两个测站进行联测。在该区域左右线隧道各设置32个自动化监测断面，断面间距为10米，每个断面设置6个监测点（隧道道床2点、隧道中腰2点、隧道顶板2点），断面编号分别为Z01～Z32和Y01～Y32。
3.3监测控制网的布设及稳定性检核
3.3.1监测控制网的布设
根据本监测项目的监测范围，为保证基准点传递的稳定性与可靠性，每条隧道布设8个基准点（JZ01～JZ08），分别分布在监测区域两端，每端4个（施工影响范围外，且基准点距最外侧监测断面的距离不小于30m）。中间区域布设6个共用联测点（GY01-GY06，共用联测点安装360度棱镜）。在监测控制网的外侧布设3个控制网检核点（JH01～JH03），其中JZ04，CZ01，GY04，CZ02及JZ08点上安置强制对中装置，如下图所示：
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3.3.2基准网检核方法
本项目基准点稳定性检核一般分为竖直方向与水平方向稳定性检核，水平方向稳定性检核时采用后方交会法及极坐标法进行，竖直方向稳定性检核采用二等水准测量的方向进行。具体做法如下：
a.基准点水平方向稳定性检核
首先在JZ04（安装强制对中装置）安置全站仪，利用后方交会法观测3个已知检核点（基准网检核点JH01～JH03），即可计算出测站点（JZ04）的坐标。再根据测站点的坐标及其定向角采用极坐标法测量控制网的基准点（JZ01～JZ03）。然后再在CZ01站点安置仪器，通过观测JZ01、JZ02、JZ03、JZ04基准点，利用后方交会确定CZ01坐标，再利用极坐标法对GY01-GY06进行观测；再在CZ02点安置仪器，利用后方交会观测GY01、GY02、GY03、GY04、GY05、GY06，从而确定CZ02坐标，采用极坐标法进行观测监测控制网的其他基准点（JZ05～JZ08）。为确保监测数据的可靠性，应每月对基准点数据进行检核。
b.基准点竖直方向稳定性检核
基准点竖向稳定性检核采用水准测量（二等）的方法进行，同时采用独立高程坐标系统。首先在施工影响范围区之外、稳定的区域布设高程检核起算点，然后与其他基准点进行联测形成一条闭合的水准路线，进而推算出其他基准点的高程值，联测不少于两次，取平均值作为其最终的高程值。基准点竖直方向稳定性的检核频率为一月一次，若发现异常则随时对基准点进行改正。
3.4监测方案实施
隧道监测实施主要分为以下4个流程：
（1）监测控制网建立：在隧道内建立坐标系统，确定各基准点的平面坐标和高程，作为监测的坐标系统。
（2）监测点学习：在测站安置好仪器及通讯模块，建立统一的坐标系统，对基准点、监测点进行学习测量并将各点的角度、距离记录到数据库中，作为进行监测所必须的自动定位数据。
（3）系统调试：学习完成后，在系统设置好基准点原始数据，根据基准点原始数据对测站坐标进行平差，取各监测点的平均值作为其初始值。
（4）日常监测：通过自动化监测软件及CDMA 控制及通讯模块，设置差分基准点的联测方案及每台仪器监测的变形监测点，由自动化监测软件及CDMA 控制及通讯模块自动完成常规监测。
3.5监测频率
基坑支护结构施工期间，1次/1天；土方开挖施工期间3次/1天；地下室回筑（地下工程实施）期间，3次/1天；基坑主体施工完成至基坑回填后，1次/3天；基坑回填后至监测数据稳定停止监测期间，1次/1周。
3.5数据处理及分析
截至项目即将完工阶段，本项目隧道左线竖向位移累计变形最大点为Z25-5，完工时累计变形3.18mm；横向水平位移累计变形最大点为Z06-4，完工时累计变形3.18mm；纵向水平位移累计变形最大点为Z21-6，完工时累计变形4.69mm；道床沉降差累计最大为Z32断面，完工时累计变形1.77mm；隧道径向收敛累计最大为Z15断面，完工时累计变形-3.00mm。本项目隧道右线竖向位移累计变形最大点为Y19-4，完工时累计变形4.83mm；横向水平位移累计变形最大点为Y19-1，完工时累计变形5.71mm；纵向水平位移累计变形最大点为Y18-1，完工时累计变形5.19mm；道床沉降差累计最大为Y24断面，完工时累计变形1.67mm；隧道径向收敛累计最大为Y19断面，完工时累计变形-3.74mm。
在整个项目隧道自动化监测期间，监测数据变形较小，监测指标均符合规范和设计的要求。
下表列举本项目左右线测站变形监测精度如下：
表1 左线测站监测精度成果表
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周期
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测站1 中误差（mm）
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测站2 中误差（mm）
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mp
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mx
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my
|
mz
|
mp
|
mx
|
my
|
mz
|
|
1
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1.4
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0.9
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1.0
|
0.3
|
1.7
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0.9
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1.3
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0.4
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|
2
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1.4
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0.9
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1.0
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0.3
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1.6
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0.9
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1.2
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0.3
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3
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1.4
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0.9
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1.0
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0.3
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1.7
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0.9
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1.3
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0.4
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4
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1.4
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0.9
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1.0
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0.3
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1.6
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0.9
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1.3
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0.3
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表2 右线测站监测精度成果表
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周期
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测站1 中误差（mm）
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测站2 中误差（mm）
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mp
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mx
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my
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mz
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mp
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mx
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my
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mz
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1
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0.8
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0.6
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0.5
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0.2
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0.9
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0.6
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0.5
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0.2
|
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2
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0.9
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0.7
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0.6
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0.2
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1.0
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0.7
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0.5
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0.3
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3
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0.8
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0.6
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0.5
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0.2
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0.9
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0.6
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0.5
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0.2
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4
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1.0
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0.7
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0.6
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0.2
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1.0
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0.7
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0.6
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0.3
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通过本项目监测数据变化分析，左线测站变形监测网平面和高程中误差在1～2mm，测站中误差在2mm以内，右线测站变形监测网平面和高程中误差在1mm以内，完全满足地铁隧道变形监测的精度要求。
4.结论
通过本项目的监测数据分析结果，地铁隧道中列车运行和停车之后这两种情况测得的数据之间存在差别，主要受大气折射和隧道内光线的影响，布设测点时应避免强光的影响，保证视线方向环境要好。
本文中阐述的多全站仪联合组网自动化监测方法，不仅可以用于地铁隧道的变形监测，也可在水库大坝、大型桥梁、公路铁路隧道、高边坡、尾矿库及其他监测领域推广应用，可为建构筑物高精度、自动化、网络化的监测与预警提供一体化解决方案。
参考文献：
[1]刘哲强.测量机器人在地铁隧道自动化变形监测中的应用[D].西安科技大学，2020.
[2]文选跃，喻崇湖.WebMos自动化监测云平台设计与应用[A].中国土木工程学会轨道交通分会、中国交通运输协会新技术促进分会.大交通工程勘测与风险管控学术研讨会暨第六届中国土木工程学会轨道交通分会勘测专业技术交流大会论文集[C].中国土木工程学会轨道交通分会、中国交通运输协会新技术促进分会：北京城建勘测设计研究院有限责任公司，2018：11.
[3]徐文星.CPIII测量技术在高铁精密控制网中的应用[J].黑龙江科技信息，2016（13）：246-247.
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[5]武汉大学测绘学院测量平差学科组.误差理论与测量平差基础.第3版[M].武汉大学出版社，2014.