地铁隧道施工变形监测技术及数据处理分析研究

地下铁道在建设中及建成后因地质、地下水、地面建筑开发及本身结构负荷所造成隧道结构的沉降、位移、裂缝和倾斜等变形, 某些地段可能会很严重, 如不及时连续的进行长期自动变形监测, 则难以即时发现和预报险情, 将会造成严重后果。因此, 地铁隧道的变形监测越来越成为地铁开发与运营的重要保障, 而且是长期的。

1 监测点的布设

目前地铁隧道施工中, 国内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。因此监测点的布设以垂直位移监测点为主, 特别地方需布设水平位移监测点的, 可以经甲方提出, 布设水平位移监测点。

监测点的布设, 在轴线方向上每隔10m布设一个监测点, 边线方向两侧30m的范围内如有建筑物或管线, 可在这些建筑物或管线上布设监测点, 监测点的密度基本上是每10m一个点, 建筑物承力的柱子或墙面上, 应布设监测点。

2 监测点的施放及高程监测工作点的布设

放样监测点前, 一般应在隧道贯通的区间内布设控制导线, 导线方向应大致与地铁隧道方向一致, 导线点的选择应便于施放监测点。导线精度采用城市一级导线, 高程监测工作点应布于轴线35m以外, 通视良好、稳定的地方, 工作点应定期检核。

3 垂直位移监测点的观测

3.1 监测的范围及周期

一般情况下, 在盾构施工点的前方大约10m以及后方25m的范围, 都属于每次观测的范围。当然, 在某些地方, 由于土层情况的影响, 变形特别大, 或者有变形大的建筑物及管线和重要建筑物, 监测的范围都要扩大, 由于盾构不断地向前施工, 盾构后方产生变形的监测点越来越多, 每次观测都对这些点进行监测, 不仅工作量大而且没有必要。随着盾构的向前施工, 每次观测点的选择都随着施工速度的快慢向盾构前方增加观测点, 而盾构后方一些趋于稳定的监测点则逐渐延长观测周期。在盾构不间断的施工中, 一般盾构前方10m及后方25m的监测点应该每天至少观测两次, 早晚各一次, 在变形异常的情况下, 应适当增加对变形异常点的观测, 盾构施工后方趋于稳定的观测点应视工作进展情况及变形情况确定观测周期。

3.2 垂直位移监测点的测量

由于水准测量每次观测的监测点都比较集中, 而且数量较多, 因此用散点法测量是合适的, 观测起来也比较方便。每站观测时, 后视读数应该在监测点观测结束后, 重新观测后视, 取两次观测的平均数作为后视读数, 以检核后视并削弱温度变化、仪器下沉等因素的影响。由于散点法观测时, 许多监测点的前后视距不等, 因此i角的影响会非常大, 如果每次监测时仪器的设站固定, 计算出的每次沉降量会抵消i角的影响, 所以每次仪器架设都尽可能固定在同一个地方。当然由于城市车流量大, 障碍物多, 经常会对监测造成干扰, 在时间要求很紧的情况下, 要求仪器每次固定架设地点是不可能的, 所以仪器的i角使用前必须精确的校正。为了配合盾构的施工, 应及时向施工方提供变形信息。观测不能在最适宜的条件下进行, 受温度及周围环境的影响往往很大, 因此当相邻两次观测条件相差很大时, 计算出的沉降量误差也会增大, 特别是中午和早上的观测成果, 这种误差在成果中反应很明显, 在变形特别异常的情况下, 有时施工方会要求即使在中午也进行监测, 这时的数据可以作为参考, 早上观测条件较好, 所测出的数据可以作为累计沉降量的数值。

4 垂直位移监测点的误差来源

用散点法进行高程测量时, 误差来源主要来自下列因素的影响。

4.1 角影响

设有一测站, 其前后视距分别为S前、S后, 由于i角存在, 并假设i角不变的情况下, 在前后视水准标尺的读数误差分别为, 对高差的影响为:

如果相邻两次监测的仪器架站在同一地点, 则该监测点的每次变形量为∆h=h1'-h'2, h 1', h'2分别为两次的高差, h1'=h1+δ1, 由于h1, h2 h1、h2中都包含有i角影响误差δ1, δ2并且δ1=δ2所以∆h中抵消了i角的影响。

当两次仪器架站不同时,

则i角对每次变形监测的误差影响为:

4.2 外界因素的影响

外界温度的变化会引起仪器i角的变化, 有实验结果表明, 仪器周围温度每变化1℃, i角将平均变化约0.5″, 有时甚至更大些。地铁隧道施工中的变形监测, 观测条件及时间是无法选择的, 则某一监测点受温度影响引起的变形∆h=h1'-h'2, h'1为本次高差, h'2为上次高差, h'1中包含受温度影响i角变化引起的误差:h'2中包含受温度影响i角变化引起的误差:

则△h中包含的误差为:

5 地铁隧道变形监测的数据处理

地铁隧道沉降观测工作中, 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, 所以在深圳某地铁隧道盾构施工监测工作现场, 根据地铁隧道监测工作的特点, 利用计算机专门编写了地铁隧道沉降观测记录, 计算程序, 现场采集数据, 内业处理时会自动打印每次的变形值及累计变形值, 并打印轴线监测点的变形曲线图, 便于直观的了解变形发展情况, 得到了施工单位的肯定, 为再次合作打下了良好的基础。

6 结语

随着国家经济的快速的发展, 城市建设的速度不断加快, 地铁在许多城市规划和建设中已被提到议事日程, 对地铁设计实施中的变形监测显得尤为重要。本文通过一些实践, 编写了地铁隧道实施中的监测计算程序, 方法简单, 工效高, 为同行能提供较好的参考和应用价值。

摘要：本文基于笔者多年从事隧道工程变形监测的相关工作经验, 以地铁隧道施工变形监测为研究对象, 全文阐述了变形监测的技术方法及数据处理分析方法, 全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：地铁隧道施工,变形监测,误差来源,垂直位移

参考文献

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