南京地铁资源开发有限责任公司江苏南京210012
摘要：随着城市地下轨道交通网的建设和发展，建设运营中的隧道可能会在多种因素的影响下发生不同程度的变形，传统的人工变形监测技术无法满足工程的实际需求，通过自动监测系统能够有效提高对地铁隧道的监测效果，保证隧道的运行安全。
关键词：地铁隧道；变形；自动监测系统
1前言
随着社会的快速进步，地铁已经成为城市交通的重要交通方式，为人们的出现提供了便利。
2地铁隧道变形原因
2.1轨道结构变形
地铁隧道变形包括轨道结构变形和隧道结构变形两种形式。其中轨道结构变形的主要原因是列车荷载长期对轨道产生反复作用，使轨道发生几何偏差进而影响轨道的平整性和顺畅性。除列车荷载作用外，轨道周边建设施工的卸载、负荷、加载也会引起道床的不均匀沉降。这种沉降同样会影响轨道的平整度及顺畅性。对于铁路来说，地铁运行车辆重量较轻、速度低轨道和车辆行走部分的变形一般不会引起地铁事故，但轨道变形造成的不平顺可能会导致列车发生不正常振动，这会降低列车运行的稳定性，减少用户的舒适度，更重要的是会加快轨道结构部件的损坏速度，从而间接影响列车的行车安全。
2.2隧道结构变形
地铁隧道结构变形发生在施工阶段和运营阶段，在施工阶段，地铁暗挖隧道工程是在岩土体内部进行的。在开挖过程中对地下岩土的扰动是不可避免的，这就破坏了地下岩土体原有的平衡条件。隧道开挖时地层初期受到的影响较小，发生的形变也是微型形变。随着开挖的不断深入，变形会极具增大然后又趋于缓慢。因此，在隧道开挖过程中应对隧道的拱顶下沉量和地表的下沉量进行检测，以便于对隧道结构的稳定性和开挖工程的安全性提供分析依据。地铁隧道开挖引起的地层变形是一个漫长而缓慢的过程，无论是浅埋暗挖法还是盾构法在工程完工投入使用后都会不同程度的发生整体下沉的现象，尤其是工程处于软土层中时下沉现象更加明显。交通对于经济发展具有促进作用。地铁隧道的建设同样也会促进周边地区建筑行业的发展。地铁隧道附近和隧道上方基坑施工逐渐增多，大规模的交通线网也不断得以建设。在交通网线相互交叉穿越时，新工程的开挖会对既有地铁隧道的受力状况产生影响原有的受力平衡被破坏，地应力不得不重新分布，由此也引发了地铁隧道的变形。
3自动监测应遵循的基本原则
3.1注重地铁隧道结构安全监测
在受施工影响范围内的隧道中，科学地选取能反映结构局部或整体变形，以及结构形式变化的部位设置监测点，建立自动监测系统，测量隧道结构在三维方向一X，Y，Z方向的变形变位值，其中X，Y为平行和垂直隧道的水平方向值，Z为隧道垂直沉降方向值。
3.2注意监测系统人、机和工作程序协调一体
除监测设备外，必须配备系统维护、结构分析工程人员，保证系统正常运作和及时提供监测信息。
3.3监测技术必须控制到位
严格把握监测数据信息的测量精度，如监测点在三维方向的数据精度都要优于1mm。为保证此精度，除注意监测图形强度外，基准点尽可能有3个点以上的冗余。每一个监测点每次测量不少于2个测回，原则上按每天至少3次设置监测频率，可根据隧道受影响的程度增加或减少测量频度，根据需要随时增加监测点。每周期观测后，自动计算当时测量值和累计变化值，及时分析整理监测资料。
3.4及时提出可行性措施保障地铁安全运行
当地铁隧道结构突然发生较大量变形和不均匀（差异）变形时，增加监测频度，采取针对性措施，信息化指导非地铁施工，防止隧道变形损坏。
4监测方法
4.1测点布设
测点分为测站点、基准点以及观测点三类，根据某地铁设施保护办公室提供的地铁地面地物以及地铁里程的对照图，观测区域位于地铁一号线下行线“农讲所—公园前”区间隧道K9+920～K10+070约150m的范围之内，仪器设置在施工影响区域的中央。为避免仪器对中误差，仪器采用强制对中方式固定在观测台上；基准点选择位于基坑影响区域外的东、西两点，用来检验测站是否产生位移；沿隧道走向上每隔约10m布设一个观测点，共布设观测点12个。为了更好地掌控隧道受基坑施工的影响和地铁运营状况，在不同位置设置典型观测断面，断面具体数目结合基坑开挖深度及影响范围设定。坐标系设置为自定义坐标系。
4.2测点的安装
观测点和基准点都采用棱镜作为观测标志固定在支座上，支座采用膨胀螺丝固定在隧道管片上，安装高度低于2m，以确保安装不需要停电作业，并不对行车造成影响。目标均可实现在水平方向上和垂直方向上的旋转，以方便仪器精确瞄准。仪器采用固定观测台固定在隧道的南侧，并在旁边放置稳压电源。
4.3观测方法
观测采用TCA2003全站仪以ATR模式观测，每个观测周期开始前，利用东西两个基准点4测回推算出测站点的坐标，然后四测回对所有的点进行自动观测，得到观测点的坐标。基坑开挖深度较浅时，可以减少观测频率。随着基坑开挖深度的不断增加，24h实时观测，并加大重点部位的观测频率。这些都可以通过控制软件来实现。
4.4测量误差分析
本次测量的误差来源主要包括以下来源：
（1）仪器的系统误差
主要是由仪器本身构造引起的，为保证精度，需在测量前对仪器进行检校，即使在检校后仪器还有残余的系统误差，但由于监测需要得到的是两次测量之间的位移值，因此系统误差可以基本消除；
（2）测站、目标的对中误差
由于测站点、观测点均采用强制对中措施，而且标志埋设后在整个观测过程中不再重新安置，因此对中误差可忽略不计。
（3）外界环境的影响
由于本次监测需要实时监测，而地铁隧道的湿度较大，对测距的精度会有影响，但地铁隧道内的温度、气压、湿度均比较稳定，因此可不考虑这些因素对观测结果的影响，在观测过程中可以利用数学模型进行改正。列车运行带来的震动对观测结果的影响较大，观测时应尽量避免在这一时段进行观测。
（4）测量误差的影响
本次测量采用TCA2003全站仪观测，其测角精度0.5″，测距精度1mm±1μm；是主要的误差源。根据以上对误差来源及其特点分析可知，此次监测主要的误差来源是仪器测量误差的影响，包括测角误差和测距误差:仪器测角精度为1″，100m的监测范围内由测角所引起的最大误差为±0.12mm；仪器测距精度为1mm±1μm，其中1mm为固定误差，±1μm（1mm/km）为比例误差，即100m的距离由测距所引起的误差为±0.1mm，距离测量采用四测回观测仪器引起的误差为±0.5mm；根据各点给定的初始坐标估算，点位的平面精度约±0.5mm，，Z方向的精度与竖直角的大小有关，精度略低，但仍可以保证±1mm的精度。
5结束语
总之，在地下隧道工程施工过程中和投入使用后工程结构变形问题不可避免，利用先进的三维监测技术，对地下隧道工程实施快速、高效、准确的变形监测，不仅可为地铁的运营提供安全保障还可为后期的工程建设提供科学的依据。
参考文献
[1]李金蕾.地铁地下隧道形变智能实时监测系统设计[D].青岛:中国海洋大学，2015.
[2]张志刚.穿越施工过程中已建隧道的管线形变监控方法[D].青岛:中国海洋大学，2015.