城市轨道交通工程变形监测测量方式研究董书健

城市轨道交通工程变形监测测量方式研究董书健

董书健

北京城建勘测设计研究院有限责任公司

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，利用测量机器人对隧道工程进行实时的自动监测可为隧道工程的建设和后期维护提供可靠的数据参考。本文主要以地铁隧道的变形监测为核心，围绕变形发生的原因、监测内容、监测技术、自动监测的应用、数据处理等内容展开相关讨论。

关键词：轨道工程；变形监测

1概述

经济的发展，社会的进步，离不开交通运输行业的支持，随着我国城市化进程的不断加快，社会对交通运输行业的要求越来越高，而在人均占地面积不断减小的情况下，发展交通运输业，只能依靠地下隧道交通运输的发展。地铁隧道工程在建设中和建设后，可能会由于自身结构、地质、水体、临近地区施工等因素的影响，发生隧道裂缝、变形等危及隧道安全的病害，因此对地铁隧道进行实时的、长期的变形监测以便及时发现险情，保障隧道运营的安全性是十分必要的；地铁隧道的变形监测不仅可为地铁的安全运营提供可靠保障，还能为今后地铁工程的修建及周边工程的施工提供重要的参考价值。

2地铁隧道变形监测

2.1地铁隧道变形原因

城市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，隧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。

2.1.2轨道结构变形

城市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。

2.2城市轨道变形监测内容

城市轨道变形不仅会影响列车运行的稳定性，还可能对整个工程及其临近工程的结构造成影响，因此做好城市轨道变形的监测工作，对于维护城市轨道工程的安全具有实际意义。在实际的监测过程中，不同阶段的监测任务不同，施工阶段主要监测的内容包括工程支护结构、结构自身的稳定性、变形区的地表情况、建筑物情况、管线及其他相关环境；隧道投入使用后监测的主要内容则为隧道运营情况和周边建设情况对隧道轨道、道床和建筑工程结构，同时还应对运营地区附近的地表、建筑、管线等相关情况进行实时监督。对工程施工阶段和投入使用后阶段的变形情况进行分析后，可知施工、使用后期间的轨道结构变形情况、施工阶段的支护结构变形情况、投入使用后轨道、道床的变形情况都属于被监测对象。

2.3城市变形监测技术

2.3.1传统监测技术

传统监测技术是利用水准测量仪的检测功能对轨道结构的变形情况进行监测，主要对轨道变形区域的断面进行监测。该法在实际使用过程中存在一系列不足：

首先，该法无法使用先进的远程测量技术，在监测过程中不得不打断监测区内的列车运行；

其次，城市道内可视性差，空间受到限制，运行环境复杂，给监测的安全性和监测质量造成了不利影响；

最后，监测点数量受限，若设置监测点过多，不仅会增大工作量，还会延长监测周期的长度，无法准确的反映出变形的真实情况；

若设置监测点过少，无法根据有限的数据得到较为精准的变形趋势，这对后期的隧道结构的变形负荷分析是极为不利的。传统的监测技术已经无法适应现代社会的需求，新型的监测技术急需被研发使用。

2.3.2三维变形监测技术

首先在被监测区域内沿着轨道中心线设置环形闭合测量控制网；

然后在轨道中心后设横断面，间距为3m，将反射标靶分别设置在墙壁垂线、穹拱、地铁路基上，以便于三维激光扫描收集点云；

最后，轨道的三维模型的确定则需要通过数据、连接、存储等数据处理方式实现，这一系列的操作是建立在曲线曲面的非均匀有理B样条曲线表面函数基础上的。

对于地铁隧道的变形监测来说，24h不间断监测是保障隧道结构和地铁安全原型的有效手段；但地铁运行的密度较为密集，若能在不打断地铁运行的情况下，保障测量人员的安全，同时还能保障测量结果的有效性则需要通过测量机器人的协助才能实现以上目标。测量机器人利用远程自动检测系统可对地铁隧道的结构、墙壁垂线、隧道路基等实施不间断监控，监控周期段，可在短时间内为工作人员提供地铁隧道运行的安全状态。

3城市变形监测分析及预报方法

3.3.1变形数据处理方法发展现状

城市轨道变形监测的主要目的是通过采集轨道结构的变形数据，了解隧道和轨道的运行情况，以便于及时发现问题，防止重大安全事故的发生，同时为后期的工程提供参考价值。因此，对监测数据的处理，并根据数据得出变形规律，进而做出科学的预报是监测工程的关键所在。由于现在的监测手段不断发生变化，已经由传统的单一监测模式发展至点、线、面结合的立体交叉多元监测模式，采集的数据也由离散型转向连续性，因此对数据的分析预报也应该由静态分析转向动态分析。在时间序列、回归分析、人工神经网络、灰色系统、卡尔曼滤波和小波分析等多种智能分析方法的应用，极大的推动了变形动态模型的发展和应用。

4结语

城市化进程的不断加快导致以人口超饱和、城市绿化减少、建筑空间拥挤、交通阻塞严重为代表的城市综合症越来越严重，尤其是交通阻塞问题，已经严重影响了各大中小型城市的发展。交通阻塞问题的主要原因是城市交通总容量不足，扩建道路是解决交通阻塞问题的有效途径，在城市建筑面积逐渐减少的今天，利用地下轨道扩展交通空间，可有效缓解交通阻塞问题。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参考。

参考文献：

[1]宁伟，周立，宁亚飞，等.隧道变形监测预测模型的建立与改正[J].东南大学学报（自然科学版），2013（z2）：279-282.

[2]陈欣，江瑞龄.三维激光扫描技术在高速公路现役隧道变形监测上的应用[J].科技创新导报，2013（35）：113-114，118.