地铁隧道结构变形监测方案

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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”

1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)，

2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。

33.2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。

44.1.2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

5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

6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

7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

8GeoMos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5

94.1.2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2GPR112徕卡瑞士8个

10徕卡大棱镜后视控制点用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

11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徕卡国产1项

12系统主设备安装及调试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。

134)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。

14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

15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2mm时也应注意，并加强观测，若连续三天位移均超过2mm则启动报警模式。当地铁隧道结构突然发生较大量的变形和不均匀变形，我中心将立即电话通知地铁运营主管部门、建设单位、地保办相关负责人，并将组织技术人员加密监测，采取措施，防止地铁隧道结构损坏，严重影响正在运营的地铁安全。

164.5监测数据处理4.6.1数据采集、整理通过现场监测取得的数据和与之相关的其它资料的搜集、记录等。本监测项目采用的仪器设备种类繁多，仪器自动读数、记录，然后将实测数据输入计算机，有的仪器(如全站仪)则自动数据采集，并将量测值自动传输到数据库管理系统。每次观测后应立即对原始观测数据进行校核和整理，包括原始观测值的检验、物理量的计算、填表制图，异常值的剔除、初步分析和整编等，并将检验过的数据输入计算机的数据库管理系统。4.6.2数据分析采用比较法、作图法和数学、物理模型，分析各监测物理量值大小、变化规律、发展趋势，以便对工程的安全状态和应采取的措施进行评估决策。绘制测点时间位移曲线散点图和距离位移曲线散点图。如果位移的变化随时间而渐趋稳定，说明围岩处于稳定状态，支护系统是有效、可靠的，如图中的正常曲线。下图中的反常曲线中，出现了反弯点，这说明位移出现反常的急骤增长现象，表明支护体系已呈不稳定状态，应立即采取措施进行处理。在取得足够的数据后，还应根据散点图的数据分布状况，选择合适的函数，对监测结果进行回归分析，以预测该测点可能出现的最大位移值，预测结构的安全状况。

17在取得足够的数据后，还应根据散点图的数据分布状况，选择合适的函数，对监测结果进行回归分析，以预测该测点可能出现的最大位移值或应力值，预测结构的安全状况。图7时间-位移曲线和距离-位移曲线五裂缝监测部分5.1监测内容裂缝作为地铁隧道结构中最为常见的病理表现，对它的测量和危害性分析是有效维修的前提。包括：原有裂缝编录及裂缝发展监测，包括裂缝的位置、走向、长度、宽度、深度监测，以及裂缝主要特征随盾构和列车运行变化的发展状况，新出现裂缝检测应注明裂缝的出现时间。隧道中重要构件上的新老裂缝应是监测重点。5.2监测步骤1）对支护管片中的裂缝进行首次普查，选取并记录较大裂缝的相关参数1）对原有裂缝和新裂缝安装裂缝监测仪

182）设定测量时间间隔3）设定测量时段4）设定测量启动时间5）下载测量数据6）生成趋势图表5.3技术手段通过智能裂缝监测仪对新老裂缝进行连续测量并记录裂缝在一段时间内的变化，从而清晰地反映裂缝的演变趋势，帮助确定其病理特征。智能裂缝监测仪对重点裂缝的长期定点监测记录，按要求设定采集时间和频率，并接入无线传输设备，随时下载存储的裂缝宽度值和温度值到电脑终端上并绘制出该裂缝发展曲线。5.4仪器设备序号仪器设备精度用途数量备注1振弦式应变计≤1/100(F·S)裂缝宽度监测若干2数据采集盒2套

19应变值数据采集3数据采集系统无线远程数据采集1套4智能裂缝监测仪±0.03mm裂缝宽度测量2套5钢卷尺1.0mm裂缝宽度测量若干六监测结果的反馈1、在上部施工过程中每天用电子邮件发送或简报的形式向地铁运营主管部门、建设单位、广州市地铁设施保护办公室、监理、施工单位提供24小时观测结果；2、每周提供周报；3、数据出现异常，结构出现险情时，应加大监测频率，自动完成后2个小时内即可将自动监测分析结果和简报报告地铁运营主管部门、建设相关各方及地铁相关各部门（见下图监测反馈程序框图）；4、全部监测完成后一个月内在收齐相关资料后提交监测最终报告；

205、监测报告及方案等相关资料的著作权属于委托方所有，未经委托方同意，不得将监测报告及方案相关资料对外使用或透漏yesno现场施工监控量测监测设计资料调研量测结果的微机信息处理系统量测结果的综合处理及反分析监测结果的综合评价报送设计、监理单位量测结果的形象化、具体化经验类比理论分析甲方、规范要求等结构稳定、安全性判隧道结构等动态及现状分析说明、提交修正设计、施工建议反馈设计施工调整设计参数、改变施工方法或辅助施工措施新设计施工方法是否改变设计、施工方法，监测反馈程序见下图9图9监测反馈程序框图七预警与应急措施地下隧道受到上部桩施工的影响，监测时必须考虑诸多不利因素，对发生的异常情况采取有效的应急方案：当测点位移周期变化或累计较大时，将进行加密观测，从TCA2003自动采集到的数据通过网络传输给GeoMoS

21软件，并由此计算出所有监测点的坐标及高程。随后与起始位置的坐标进行比对后、偏差以及位置变化的趋势每两小时便可获得更新并可以数值或者图形的方式供工程师进行查看分析，在加密监测过程中发现变形未有收敛趋势，各监测点变化继续增大，将征求委托方及地铁相关单位扩大监测范围，增加监测点数量，更广泛的了解实际情况在紧急情况下接受相关主管单位的指令配合各种应急处理方案八监测相关保证措施8.1监测数据真实可靠保证措施(1)不断向工作人员提供监测领域的新技术、新工艺、新仪器，不断提高监测队伍的素质(2)定期对监测控制点进行复测,从而确保其稳定(3)加强对监测点的保护(4)监测组内建立二级检查制度(5)监测仪器按规定时间进行核准，以确保测量数据的准确性，固定专人管理仪器，进行保养和维修(6)监测资料的存储、计算、管理均采用计算机进行8.2监测小组的管理

221、工程开工前，根据现场的实际情况及工程的施工进度安排，编制详细的监测实施作业计划及相应的保证措施，将监控量测纳入施工生产计划的一项重要内容。2、成立监测小组，确保监测人员、监测仪器、工具满足监测工作需要，并相对固定。为监测人员提供良好的实测、办公环境，确保监测成果及时、准确。3、施工监测要紧密结合施工进度，测出每一施工步骤对变形的影响。在变形观测过程中变形体发生显著变化时，应及时调整变形监测频率，实时进行变形监测，并将结果及时反馈，以修改设计参数，调整施工工艺并采取措施。4、监测人员及时整理分析监测数据，预测变形发展趋势，指导现场施工。若发生异常情况，随时与监理工程师、业主、设计联系，采取有效措施，做好预防，确保安全施工8.3工期及其保证措施1、认真作好各监测项目的任务分析及计划，明确监测的工作目的及要求。2、投入充足的人力资源（监测人员）、物力（仪器设备），确保监测工作能按进度要求进行。3、本项目监测工作贯穿于整个基坑施工过程，根据施工进度及工期的变化而相应调整，保证在施工过程对地铁各监测断面进行全方位监测，确保地铁隧道安全。4、

23保证监测工作质量不受工期延误的影响，圆满完成监测任务。5、检测中心配备4套瑞士徕卡TCA2003、TCA1800精密全站仪，2套裂缝观测仪，保证满足监测现场的监测需要。6、检测中心配备专用检测车1～2辆，保证能满足监测现场的交通需要。8.4安全保证措施1、在接触网区域作业时，离接触网1～2米内，必须申请接触网停电，离接触网1米内，必须申请接触网停电挂地线；因本监测项目要在隧道顶部安装棱镜，所以必须首先申请停电挂地线后方可允许本单位工作人员做业。2、站内线路施工时，如果要封闭施工区段，应在封闭两端轨道上设置红闪灯防护。3、凡进入线路施工的施工作业人员必须按要求穿荧光衣，并根据作业性质及作业要求使用其他安全防护用品，比如佩戴安全帽等。4、施工过程中，发现其他安全问题、隐患，应及时向现场人员或控制中心报告。5、严格按照《施工进场作业令》或《外单位施工作业许可单》的作业地点、作业时间和作业内容进行施工，作业人员不得超出作业区作业，严禁超出所挂地线的保护区域。