长距离地铁隧道自动化监测技术工程实践与应用.pdf
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1、文章编号:1007-2993(2024)02-0187-09长距离地铁隧道自动化监测技术工程实践与应用长距离地铁隧道自动化监测技术工程实践与应用张磊1徐敏2毕爽爽2葛民辉3章勤2成国华2(1.杭州市城市建设投资集团有限公司,浙江杭州310000;2.杭州市勘测设计研究院有限公司,浙江杭州310000;3.浙江恒辉勘测设计有限公司,浙江杭州310000)【摘要】随着地铁保护工程的监测范围越来越长,工况越来越复杂,难度越来越高。长距离(400 m)的监测范围,多台(3)仪器串联的项目也屡见不鲜,对自动化监测技术的要求也越来越高。通过某项目涉及杭州地铁 1 号线保护监测的工程实践,阐述了 5+2 台
2、测量机器人串联系统的监测技术实施及数据分析,证明了多台测量机器人串联自动化监测技术的准确性及可靠性,为后续同类型项目提供借鉴。【关键词】长距离隧道;测量机器人;自动化监测技术;串联系统【中图分类号】U456 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2024.02.011Engineering Practice and Application of Automatic Monitoring Technology forLong-distance Subway TunnelZhang Lei1Xu Min2Bi Shuangshuang2Ge Minhui3Zha
3、ng Qin2Cheng Guohua2(1.Hangzhou City Construction Investment Group Limited,Hangzhou 310000,Zhejiang,China;2.Hangzhou Survey,Design and Re-search Institute Co.,Ltd.,Hangzhou 310000,Zhejiang,China;3.Zhejiang Henghui Survey and Design Co.,Ltd.,Hangzhou 310000,Zhejiang,China)【Abstract】The monitoring ran
4、ge of subway protection engineering is longer and the working conditions are more complex andmore difficult.Long-distance(400 m)monitoring range,and multiple(3)instrument series projects are also common,and the re-quirements for automatic monitoring technology are increasingly high.Based on the prot
5、ection monitoring of Hangzhou Metro Line 1,the monitoring technology and data analysis of the series system of 5+2 measuring robots were conducted,and the accuracy and reliab-ility of the series automatic monitoring technology of multiple measuring robots were proved,which provides references for si
6、milarprojects in the future.【Key words】long distance tunnel;measuring robot;automatic monitoring technology;series system 0 引言地铁运营具有封闭性,传统人工测量无法满足实时测量的要求,因此采用自动化监测系统以保证监测的频率和效率1。目前已经有许多城市的地铁在使用自动化监测,随着自动化监测技术的不断推广,监测的准确性、及时性得到了保证2。但由于运营地铁隧道空间狭长,高差变化较大,通视条件一般,导致一台测量机器人的视距有限。随着大体量的项目开发,一台全站仪的自动化监测系统无法
7、满足需求。在此基础上,本文通过多台测量机器人串联的形式来增大监测范围,以监测区域两端一定距离的稳定点(假定)作为工作基点,通过自由设站,采用无定向导线的计算方式,利用测站设置偏置棱镜传递,测站间公共区域设置背靠背棱镜(公共点观测)增加约束组成监测网,进行多测站转换参数的整体平差方法来获取监测点的三维坐标信息来计算监测点的变形数据,同时增加人工监测的方式来复核自动化监测点数据准确性及后视基准棱镜的稳定性,验证了多台全站仪串联系统的可靠性,为后续长距离的自动化监测项目提供依据。1 工程概况某工程位于杭州市萧山区,项目设南、北区地下室和中央廊道,中央廊道位于南、北区地下室之间,下设一个地下室连通道、
8、工程桩和上部结构(见图 1)。作者简介:张磊,男,1981 年生,汉族,浙江杭州人,高级工程师,主要从事市政道路桥梁隧道等工程管理。E-mail: 第 38 卷第 2 期岩土工程技术Vol.38 No.22024 年4 月Geotechnical Engineering TechniqueApr,2024西侧有配套赭美路隧道,市政隧道以 74上跨已运营杭州地铁 1 号线大会展中心站港城大道站盾构区间,工况见表 1。北侧地下室南侧地下室中央廊道地下连通道赭美路隧道 图 1 项目总平面示意图 表 1 主要工况汇总表序号主要工况工程分项一南北地下室基坑TRD、钻孔桩、旁侧开挖二地下连通道MJS门式加
9、固、TRD加固、正上方基坑开挖三中央廊道工程桩(2.5 m、5 m、5 m外)上部结构四赭美路隧道MJS加固正上方开挖 南、北两侧地下室基坑:北区基坑东西向长约485 m,南北向长约 260 m;南区基坑东西向长约 530m,南北向长约 235 m。2 多台测量机器人串联自动化监测系统布置 2.1 监测范围本项目监测范围为:杭州大会展中心站港城大道站上、下行里程 K44+798(750 环)K45+410(240 环),单线约 612 m(包含联络通道)。监测断面布设按照隧道正上方加固区域 2 个/5 环,其它施工正对区域 1 个/5 环(6 m),两端外扩 50 m 范围 1 个/10 环(
10、见图 2)。2.2 多台串联监测系统的建立 2.2.1 监测主网的设计思路本项目监测区域全长约为 612 m,根据保护区内监测范围、通视条件,设计采用单线布设 5 台全站仪串联,相邻测站间距小于 120 m;两端各布设 6 个基准点,基准点与最近测站距离约 120 m。每个测站布设偏置棱镜用于导线传递,每两测站1/4、2/4 及 3/4 处布设背靠背棱镜用于增加约束(见图 3)。监测范围两端外 10 环位置各布设一个复核支架,复核支架外 100 m 布设 2 个复核基准点,用于后期复核基准点稳定性。通过相邻测站观测公共点将两端稳定的基准点、连接点、测站点连成控制网,通过系统动态实时平差解算得测
11、站点精密三维坐标3。777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777712.971333.644536.301641.963936.32816.2000 图 2 监测平面布置示意图 2.2.2 主辅站设置地下连通道及赭美路隧道需进行地铁正上方加固及门式框架加固,施工风险高,固确定监测频率高达 20 min/次。针对此
12、两处加密节点单独设置辅站系统,专门用于实时加密监测。加密监测系统利用整体监测系统的监测点作为基准点进行定向。两套数据相互检核,互有分工,其中整体监测系统用于整体累计变形的控制,加密监测系统用于高风险施工阶段变形的控制(见图 4)。188岩土工程技术2024 年第 2 期 进口后视棱镜进口后视棱镜背靠背棱镜背靠背棱镜背靠背棱镜背靠背棱镜带偏置的全站仪带偏置的全站仪带偏置的全站仪带偏置的全站仪带偏置的全站仪 图 3 监测系统主网布设示意图 主站北坑辅站 图 4 监测系统加密辅站布设示意图 2.2.3 监测方法(1)自动化监测:在地铁隧道内安装全站仪,通过 GeoMos 软件利用基准点建立坐标系,通
13、过测量监测棱镜的坐标变动(见图 5),计算隧道结构变形,绘制监测点变形过程曲线,可以实时了解监测效果或变形情况4。具体流程如下(见图 6):收敛测点水平位移测点竖向位移测点收敛测点行车轨道 图 5 自动化监测布点示意图 全站仪地铁隧道数据采集GeoMos Analyzer数据输入、备份、分析及报告通讯网络通讯网络超限报警GeoMos Monitor监测计划、计算、限差检核 图 6 自动化监测系统组成示意图测量平差点组里面的基准点和偏置点。从 SQL 数据库中获取平差点组数据并发送到“GeoMos 监测自动平差助手”软件中。“GeoMos 监测自动平差助手”软件附合导线平差。将平差后准确的坐标数
14、据返还到 SQL 数据库中。测站定向:两边全站仪选择一侧任一基准点进行定向,中间全站仪选择任一相邻的偏置点进行定向。开始监测:定向完成后,即可开始监测点组的测量。(2)人工监测复核:常规按照图 7 形式布设点位。竖向位移采用二等水准方法测量;水平收敛通过测量水平测线长度计算;水平位移通过全站仪测量棱镜坐标变动计算。通过同一部位、同一时间段的自动化成果与人工复核数据进行比对检核,验证监测成果的准确性5。道床竖向位移测点收敛测点放测距仪处收敛测点测距仪参照点水平位移测点徕卡测距仪道床水平位移测点道床竖向位移测点天宝电子水准仪徕卡 TMSO 全站仪基准点二等水准测点行车轨道 图 7 人工监测复核系统
15、组成示意图 张磊等:长距离地铁隧道自动化监测技术工程实践与应用1892.2.4 自动化监测复核通过定期对自动化沉降数据进行二等水准复核,以确保自动化沉降数据的准确性(见图 8、图 9)。1210864202468SCJ1(645)SCJ4(630)SCJ7(615)SCJ10(600)SCJ13(585)SCJ16(570)SCJ19(555)SCJ22(540)SCJ25(525)SCJ28(510)SCJ31(495)SCJ34(480)SCJ475BSCJ39(455)SCJ42(440)SCJ45(425)SCJ48(410)SCJ51(395)SCJ54(380)SCJ57(365)
16、SCJ60(350)SCJ63(335)SCJ66(320)SCJ69(305)SCJ72(290)SCJ75(275)SCJ78(260)人工累计/mm自动化累计/mm自动化与人工较差/mm累计值/mm 图 8 上行线道床沉降自动化与人工对比 14121086420246810XCJ1(645)XCJ4(630)XCJ7(615)XCJ10(600)XCJ13(585)XCJ16(570)XCJ19(555)XCJ22(540)XCJ25(525)XCJ28(510)XCJ31(495)XCJ34(480)XCJ36(470)XCJ39(455)XCJ42(440)XCJ45(425)XCJ
17、48(410)XCJ51(395)XCJ54(380)XCJ57(365)XCJ60(350)XCJ63(335)XCJ66(320)XCJ69(305)XCJ72(290)XCJ75(275)XCJ78(260)人工累计/mm自动化累计/mm自动化与人工较差/mm累计值/mm 图 9 下行线道床沉降自动化与人工对比 2.2.5 超限报警系统经过一段时间的运行,通过 GeoMos 全站仪变形监测软件生成这段时间的监测点的位移表,当监测点出现超限情况,系统会自动进行短消息或者电邮形式发送报警信息(见图 10、图 11)。图 10 各级限差设置 2.2.6 精度分析按照不利情况下保守估算仪器精度如
18、下:仪器测角精度 0.5”,测距精度 0.6 mm1 ppm。实际因隧道中基本恒温,测距精度更高,根据以往经验高差测量误差基本在 0.5 mm 之内。图 11 报警电子邮件设置 采用 Starnet 进行预分析,假设不受任何环境影响,所有点的精度都能达到 0.5”,测距精度 0.6mm+1 ppm,平差结果(标准差和误差椭圆)见图 12、图 13。3 监测控制网的维护 3.1 剔除不稳定基准点自动化监测基准点一般布设在距离变形区域3050 m 的范围,但外部施工影响地铁隧道的变形较为复杂,自动化监测基准点布设区域亦有可能发生190岩土工程技术2024 年第 2 期变形,导致监测数据失真,无法真
19、实反映变形情况6。需定期观察基准点的稳定情况,剔除不稳定基准点。3.2 坐标更新偏移限差的设定如图 14 所示,在无施工的情况下,当限差设置过小时,监测数据会朝一个方向持续偏移,造成数据失真。当限差调整为合适时,监测数据回归正常,且能正常反映施工引起的变形。3.3 人工监测复核及修正通过定期对基准点位置的人工复核,发现上下行基准点位置均存在较大的下沉(见表 2),导致自动化监测沉降数据偏小。无施工2022-04-232022-04-242022-04-252022-04-262022-04-272022-04-282022-04-292022-04-302022-05-012022-05-02
20、2022-05-032022-05-042022-05-052022-05-062022-05-072022-05-082022-05-092022-05-102022-05-112022-05-122022-05-132022-05-14平差限差 0.5 mm 00.51.01.52.02.5平差限差 3.0 mm开始施工1SWY12(465)1SWY13(460)1SWY14(455)1SWY15(450)1SWY16(445)日期(年-月-日)图 14 不同限差下水平位移变形时程曲线后续根据人工复核数据修正自动化基准点后视点高程坐标(见表 3)。4 实测数据分析 4.1 正上方基坑开挖地
21、铁隧道变形如图 15 所示,基坑坑底 MJS 短桩及长桩门式加固施工,引起运营隧道典型断面道床沉降下沉量达5.2 mm。地铁旁侧区基坑开挖基本无变形,影响较小。随着地铁正上方核心区 A 坑的分区分块开挖,卸荷比增大,引起对应断面的道床沉降明显上浮,最大上浮量达 6.0 mm。核心 A 区基坑开挖后,土体应力重分布,导致隧道上浮,引起运营隧道管片收敛变形由原先的“横鸭蛋”状向“竖鸭蛋”状改变,最大缩径量达 2.8 mm(见图 16)。开挖区正下方对应隧道较外扩区域上浮(见图 17)及缩径(见图 18)更明显。4.2 MJS 长桩群桩施工地铁隧道变形如图 19 和图 20 所示,地铁正上方 MJS
22、 短桩加固施工,对运营隧道典型断面的水平位移及水平收敛变形影响较小,累计变形均在 1 mm 左右。MJS 长桩施工对运营隧道典型断面的水平位移及水平收敛变形有一定影响,随着群桩效应的叠加影响,运营隧道典型断面的水平位移最大达 3 mm,水平收敛扩径量最大达 6 mm。MJS 长桩暂停施工后,受长桩的工后及短桩施工影响,运营隧道水平位移持续增大,水平收敛持续扩径,增量最大 3 mm。4.3 MJS 长桩单桩施工加密监测数据情况如图 21 和图 22 所示,MJS 长桩单桩施工期间,隧道变形较明显。从开始喷浆至地铁隧道底部,隧道水平收敛无明显变形,受侧下方土体扰动影响,隧道存在 1.5 mm 下沉
23、。喷浆至隧道底部后,随着喷浆位置持续提升隧道持续变形,其中浆液对侧下管片的压力导致隧道有 1.2 mm 上抬,继续提升至隧道腰部,由于旁侧土体被扰动,应力场改变,隧道侧壁持续位移,导致水平收敛持续扩径 1.5 mm。喷浆位置离开 图 12 各测站标准差计算结果 图 13 各测站误差椭圆计算结果张磊等:长距离地铁隧道自动化监测技术工程实践与应用191隧道深度后,隧道变形速率变缓,其中水平收敛略有0.5 mm 缩径回弹,同时伴有 0.5 mm 上抬。4.4 工程桩施工地铁隧道变形如图 23 所示,工程桩施工期间,隧道变形较明 表 2 后视基准点累计变形统计上下行线后视点累计值对比线别点号初始高程/
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