地铁结构监测.docx

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地铁结构监测

第二章地铁结构的监测

监测点精度要求

二、地铁结构长期监测

2.1监测方法

2.2垂直位移

高程系统与监测基准

长期沉降监测工作实施

2.2.2.1.监测控制网

2.2.2.2执行规范

2.2.2.3.外业观测

.1地面线路

.2地面地下水准联测

.3隧道线路

.监测频率

.内业数据处理

.1控制网平差计算

2.2.2.监测点高程和沉降量计算

隧道管径收敛监测

管径收敛监测方法

2.3.2精度要求

断面数据处理

监测目的

监测内容和方法

监测精度要求

监测范围

监测点埋设

监测工作的实施

定位监测

垂直位移监测

水平位移监测

固定直径测量法

一、监测工作概况

监测目的

上海城市轨道交通线路主体结构主要有车站、隧道、高架桥、U型结构等形式,在建设过程中主体结构主要随工况及地层隆沉而变化。

在运营期间其主体结构除随地层的隆沉引起结构变形及内部应力变化外,外部非地铁施工产生的荷载变化、地铁内部运营和养护治理均会产生结构变形和沉降。

图为地铁一号线隧道产生变形后渗水、流砂、管片破裂现场照片。

图1.1.1上海市地铁一号线隧道管片破损照片

为减少地面沉降和外部非地铁施工对轨道交通结构产生的严重后果，以便及时采取有效的预防和补救措施，确保安全运营，轨道交通从建成投入运营开始，便组织了长期的、持续的全线结构安全监测。

结构安全监测按监测周期可分为长期监测和监护监测二大类：

长期监测主要采用“定期体检”的方式，监测主体结构随所在的地层变化而引起的隆沉和地铁运营而引起的结构变形；

监护监测是在地铁保护区范围内（隧道段范围为50米，高架段范围为30米）进行各种工程施工时，为了及时了解施工对轨道交通结构的影响程度、确保地铁结构安全，而依法进行的轨道交通结构的监护监测。

监测流程

长期监测工作根据轨道交通线路结构差异，在收集设计及前期控制测量资料、现场踏勘后确定监测项目，编写监测作业方案、外业观测实施、定期提交监测成果。

具体监测工作流程如下：

收集资料—→现场踏勘―→编审监测方案―→监测点埋设―→外业测量―→内、外业检查―→平差计算―→资料整理―→提交成果

监护监测工作根据保护区范围内各种工程施工情况确定,一般流程如下：

工程施工方案审检―→确定施工影响范围和监测范围―→现场踏勘―→实地确定监测范围―→编制施测方案―→外业测量―→检查计算―→提交日报―→总结资料整理提交监测报告。

监测点布设

监测点为永久设施,监测点选用优质的不锈钢材料制作。

其位置结合结构特点布置：

道床部分按每幅道床结构块两端各埋设一个监测点（间隔60cm），幅内按6m左右布设一个监测点，监测点布设于轨道枕木中间,在枕木上钻孔后埋入不锈钢标志，用环氧树脂封固，监测点顶部圆帽略高于道床面（见图1.3.1和图）。

浮置板道床区段的监测点宜布置于隧道管片结构上。

图1.3.1道床沉降监测点埋设示意图

地面高架段除在道床上按上述要求埋设观测点外，在每个桥墩立柱上设一对监测点，埋设于离地面0.5m左右高度的柱身上，采用顶部呈半球形不锈钢标志（见下图所示）；

图1.3.2高架立柱沉降监测点埋设示意图

地面车站仿照地面高架段布设监测点

尽可能利用建设期间布设的符合监测要求的监测点，以便与前期监测数据的利用和接续

监测点精度要求

按《城市轨道交通工程测量规范》18.1.8条规定＂隧道拱下沉、结构收敛和运营中结构、线路变形变形测量等级为Ⅱ级

变形点的高程中误差为±0.5mm

相邻变形点的高差中误差为±0.3mm

变形点的点位中误差为±3.0mm,（横向中误差为±2.1mm）

应用物理仪器进行变形监测时精度要求不低于上述标准

根据地铁结构具体要求，沉降监测以二等水准操作的实际，确定沉降观测精度为：

单程观测每测站高差中误差≤±0.45mm

往返观测每测站高差中数中误差≤±0.3mm

沉降点精度

沉降点的高程中误差≤±0.5mm（相对基准点而言）

沉降点沉降量中误差≤±0.7mm

相邻沉降点的高差中误差为±0.3mm

以二倍中误差为极限误差

二、地铁结构长期监测

上海地铁主体结构长期监测进行垂直位位移监测和区间隧道管径收敛监测。

2.1监测方法

垂直位移采用水准测量方法

隧道管径收敛监测采用全站仪全断面扫描法

垂直位移

2.2.1高程系统与监测基准

垂直变形采用吴淞高程系（上海市城市高程系统）。

鉴于轨道交通线路轨道交通线路的网络化和上海市存在不均匀地面沉降的原因，目前上海市所有的深、浅埋水准点均不宜作为沉降监测控制网的高程起算点，从已有的测量成果资料反映，近10年间地面80%同名深、浅埋水准点沉降量达10mm-99mm，10%同名深、浅埋水准点沉降量达100mm-197mm，因此监测控制网选用城市基岩标作为高程起算点

运营期地铁以地铁竣工日期为监测时间基准

2.2.2长期沉降监测工作实施

2.2.2.1.监测控制网

垂直变形高程控制网采用逐级控制方案：

城市基岩标→基岩标间地面一等线路→地面地下水准联测→地铁站台基准点→地铁站台基准间通过地下区间隧道的二等水准线路→沉降监测点

地铁一号线高程控制网如下图所示

图1.4.1地铁一号线沉降监测高程控制网示意图

2.2.2.2执行规范

执行《国家一、二等水准测量规范》，

其主要技术要求见表1.5.1、、。

表1.5.1单位：

m

项

目

等

级

仪器类型

视线长度

前后视距差

任一测站

前后视距差累积

视线高度

（下丝读数）

一等

DS05

≤30

≤

≤

≥

二等

DS1

≤50

≤

≤

≥

测站观测限差表1.5.2单位：

mm

项

目

等

级

基辅分划读数差

基辅分划所测

高差之差

上下丝读数平均值与中丝之差

检测间歇点高差之差

一等

二等

往返高差不符值、环线及附合路线闭合差的限差表1.5.3单位：

mm

项

目

等

级

检测已测测段

高差之差

测段、路线、往返测

高差不符值

环闭合差及

附合路线闭合差

一等

二等

注：

表中R、F、K分别为检测测段、环线或附合路线、测段、路线长度，以公里为单位

2.2.2.3.外业观测

外业观测应使用上表精度要求自动安平水准仪或电子水准仪及配套的铟瓦水准尺，水准仪及水准尺均应鉴定合格并在有效期内，性能良好。

使用期间应按规范要求定期检测仪器i角。

2.2.2.地面线路

地面水准线路从轨道交通线一端附近的基岩标开测，按一等水准测量精度施测，并闭合到轨道交通线另一端附近的基岩标。

2.2.2.地面地下水准联测

为工作方便，将地铁车站出入口附近的一等水准测量线路点与地铁站台基准点进行联测，并与地上水准测量控制线路和隧道水准测量线路形成水准测量闭合环，施测精度按二等水准要求进行。

2.2.2.隧道线路

地下水准测量按二等水准测量要求进行。

为缩短观测时间，提高观测精度，测量采用2台电子水准仪分别在上、下行线同时进行观测，在进行路线测量同时按插入中间点的方式联测道床上的监测点。

限于现场条件，除线路点外各沉降点观测允许采用前后视不等距的方法观测，但必须提高对仪器i角的要求。

建议仪器i角调校至小于±5″。

隧道线路测量路线采取单程观测，上下行线线路均起讫于两端的地铁车站站台基准点，分别组成附合线路。

上、下行线形成一个闭合环，整条地铁隧道水准路线组成水准网。

地下水准测量在地铁停止运营半小时后后进行，以减少地铁运营震动影响。

2.2.2.4.监测频率

正常状况下2次/年，局部差异沉降大的区段加密监测。

2.2.2.5.内业数据处理

2.2.2.控制网平差计算

1.外业观测资料验收与质量评定

平差计算前应先对外业观测资料进行检查与质量评定。

计算环线闭合差和附合线路闭合差，两者均应小于规范的限差规定。

按环线闭合差计算每千米水准测量高差中数的全中误差Mw

（式2.3.1）

式中：

W为环闭合差；F为环线周长；N为环数。

在各项指标均满足二等水准精度测量要求的情况下，进行沉降监测高程控制网整体平差，计算网中各水准线路结点的高程并计算控制网的每公里高差中数全中误差（单位权中误差）Mo

2.2.2.监测点高程和资料整理

监测点高程计算按测线进行

计算时以经平差后的控制网结点成果进行。

W=

-（HB-HA）（式2.3.2）

HE（A）=HA+

-

W（式2.3.3）

式中：

HA、HB为控制网结点A、B高程平差高程值

W为测线闭合差或附合差，

h为测段高差，

k为A点到待求点E的测段数，

n为测线总测站数，

HE（A）为由A点起算的待求点E的高程。

由同名点的两次高程差得到各监测点的沉降量。

计算公式为：

BCi=Hi-Hi-1（式2.3.4）

LJi=Hi-H0（式2.3.5）

式中:

BC为本次沉降量,LJ为累计沉降量,H0为首次高程,H为各次平差高程,i为第某次观测。

根据各连续监测点的沉降量和里程计算隧道变形曲率半径，绘制各种图件

隧道管径收敛监测

2.3.1管径收敛监测方法

长期监测的隧道管径收敛监测沿用了隧道竣工资料编制时使用的全站仪全断面自动扫描采集数据,拟合计算半径方法进行。

必须指出，此方法计算得到的半径值并非是实际值而与变形模型有关，存在一定的模型误差，但对结构的长期监测而言是有相当的参考价值的。

2.3.2精度要求

有关规范未提出明确的隧道收敛变形允许值指标，现根据上海地铁严格限制荷载作用下结构变形小于1‰D设计要求,取其1/2作为管径收敛测量精度指标,按地铁隧道内径D=5500mm计算管径测量的中误差≤±3mm。

2.3.3横断面设置与外业观测

隧道横断面应为隧道轴线的法线方向，实际工作中以管片环的前（后）端边作为隧道横断面方向,右图中m,n点位置设置两个固定断面方向标记，两标记间的垂面上各测点组成隧道横断面。

外业观测时设仪器于两断面方向标记连线A点上,按设定的测点密度自动测定并记录断面方向上各点的三维坐标。

按需人工增补测点。

图2.4.3：

隧道断面测量测量示意图

2.3.3断面数据处理

外业观测得到的管片内管壁点坐标值经剔粗处理,利用这些数据可描绘出管片环形状。

根据对管片环变形的认识与理解,可对管片环形状进行量化。

目前采用椭圆方程按最小二乘原理进行拟合计算,计算出该断面的长短直径（即竖向直径和水平直径）。

管径收敛量根据前后期两期断面数据比较得到。

三、地铁监护监测

监测目的

地铁建成之后，在保护区范围内（隧道段保护区范围为50米，高架段保护区范围为30米）进行各种工程施工以及地铁的治理工程施工时，需对地铁进行监护监测，以及时了解施工对地铁的影响程度，以确保地铁安全。

监测内容和方法

监护监测是地铁监护工作的一个重要部分,与长期监测相比，监护监测监测范围有限；数据实时和精度要求高；变形及过程不可复现；作业环境困难；隧道内无稳定的基准点；工程多样性及对地铁影响程度的不同等等特点。

监护监测目前主要进行定位监测、沉降位移监测、水平位移监测、隧道收敛监测。

各监测项目依工程对地铁的影响分别采用人工监测和自动化监测进行。

人工监测是采用人工的方式低频度进行数据采集。

其中沉降位移监测采用水准测量方法，水平位移监测采用经纬仪测量或投影方法，隧道收敛监测采用固定直径测量法

自动化监测是将自动化监测的仪器设备安装在监测区域范围内进行无人值守的高频度自动数据采集。

通过有线或者无线的方式传输到控制中心，从而达到实时监测的目的。

其中沉降位移监测采用静力水准仪或电子水平尺，水平位移监测采用全站仪极坐标自动化监测

监测精度要求

一般工程按条规定进行，穿越工程按《城市轨道交通工程测量规范》18.1.8条规定，变形监测精度按Ⅰ等要求进行,其各项指标为

变形点的高程中误差为±0.3mm

相邻变形点的高差中误差为±0.1mm

变形点的点位中误差为±1.5mm,（横向中误差为±1.0mm）

监测范围

地铁周边施工的基坑与地铁的垂直投影位置外延伸三倍施工深度的区域为地铁监护监测的范围。

监测点埋设

（1）沉降位移监测点：

在投影范围内按间距5米、投影范围外按间距10米布设。

原则上应可利用原有隧道长期沉降测点。

当不足或无法利用时按照节的要求另行布设。

（2）水平位移监测点：

位置与密度按工程特点布设,道床上监测点可利用沉降监测点刻画清晰的标记，以此作为水平位移监测的位置。

（3）隧道收敛监测点埋设

监护监测时隧道收敛监测采三固定对径测量法。

对径点位置：

大直径：

按设计通缝拼装的隧道其横向水平直径位于标准块与邻接块接缝（腰缝）下弧长0.803m处

小直径：

腰缝上弧长约0.02m无障碍物处

竖向直径（净空）：

隧道竖向中心线

三固定对径两端均设置固定标志或粘贴全站仪反射棱镜片。

两端位置可借助有机玻璃材质加工的专用辅助工具标定。

3.6.1定位监测

定位监测分二阶段进行

施工方案技审阶段依据轨道交通竣工资料（或现状资料）和施工总平面资料进行，取得施工工程最外侧结构与轨道交通线结构间相对关系数据，作为监护技审工作的依据之一。

现状资料需进行实测，实测时应使用同一平面坐标和高程系，应用二级导线和图根水准进行实测

施工实施阶段

依据现状资料和施工资料计算施工区域在轨道交通线的投影位置及相应的坐标、里程、环号，由此确定监护监测的范围和确定相对稳定区域，仅有坐标时应在轨道交通线内实地放样投影位置

施工位置实地确定后应对施工区域的轨道交通线侧桩位进行监护复核确认，对于穿越、骑跨轨道交通线的工程还需进行施工高程基点的复核

监护复核平面以二级导线、垂直以图根水准要求进行

3.6.2垂直位移监测

监护监测范围相对有限，因而与长期监测相比，监护监测的垂直位移监测有其特点

A.基准点选取困难，尽量选择相对稳定之处，基准点一般布设在影响范围外大于50米或车站等相对稳定位置。

B．水准线路大部不足1km,观测精度要求宜以测站为单位衡量,按规范规定的二等水准测量每公里往返测高差中数偶然中误差为±1.0mm（S≤50m）换算得单程观测测站高差中误差m站=±0.45mm

1.水准测量方法

一般情况下基准点应在监测范围的二端分别布设，每端不少于2个点,点间距应不小于50米，确因现场条件不可能时基准点可布设在监测范围的一端，数量不得少于3个。

采用二等水准测量的方法进行沉降位移监测，水准路线应闭合或附合，技术要求参照本文的第一章第5节。

2.静力水准沉降位移监测

静力水准测量的工作原理，是利用液体通过连通管,使多个容器实现液面平衡,测定基准点、观测点到液面的垂直距离,这两个垂直距离之差,就是两点间的高差。

用传感器测量各观测点容器内液面的高差变化量，计算求得各测点相对于基点的相对沉降量

图2.5.1：

静力水准仪工作原理示意图

如图2.5.1所示，设共布设有n个测点，1号点为相对基准点，初始状态时各测量安装高程相对与（基准）参考高程▽H0间的距离则为：

Y01、Y02……Y0i…Y0n（i为测点代号,i=0，1……n）。

各测点安装高程与液面间的距离则为h01、h02……h0i…h0n，则有：

Y01+h01=Y02+h02=…Y0i+h0i=…Y0n+h0n

当发生不均匀沉降后，设各测点安装高程相对于基准参考高程面▽H0的变化量为：

Δhj1、Δhj2……Δhji…Δhjn（j为测次代号，j=1，2，3……）。

各测点容器内液面相对于安装高程的距离为hj1、hj2、…hji、…、hjn。

由图可见：

（Y01+Δhj1）+hj1=（Y02+Δhj2）+hj2=（Y0i+Δhji）+hji

=（Y0n+Δhjn）+hjn

则j次测量i点相对于基准点1的相对沉降量Hil：

Hil=Δhji-Δhj1

由（式2.5.2.2）式可得：

Δhj1-hji=（Y0i+hji）-（H01+hj1）

=（Y0i-Y01）+（hji–hj1）

由（式2.5.2.1）式可得：

（Y0i-Y01）=h01-h0i

将（式2.5.2.5）式代入（4）得：

Hil=（hji-hj1）-（h0i-h01）

即只要用传感器测得得任意时刻各测点容器内液面相对与该测点安装高程的距离hji（含hji及首次的h0i），则可求得该时刻各点相对于基准点1的相对高程差。

如把任意点g（1，2…I,n）做为相对基准点，将f测次做为参考测次,则同样可求出任意测点相对g测点（以f测次为基准值）的相对高程差Hig：

Hig=（hij-hig）-（hfj-hfg）

式静力水准仪由主体容器、连通管、传感器等部分组成。

当仪器主体安装墩发生变化时，主体容体相对于位置产生液面变化，引起装有中间极的浮子与固定在容器顶的弦的相对位置发生变化，并通过自动测量装置采集到产业化信息，计算得测点的相对沉降。

i测点第j测次相对于首次基准点的相对高程变化：

Hil=（hij-hi0）-（h1j-h10）

Hij=（Zij-Zi1）×Kfi-（Z1j-Z10）×Kf1

式中：

Zij、Zi1为第i测点仪器的第j次和首次读数；Kfi为第i测点仪器的灵敏度系数；Z1j、Z10为基准点仪器第j次和首次读数；Kf1为基准点仪器的灵敏度系数。

计算结果为正，则测点相对基准点下沉了Hij。

（3）电子水平尺沉降位移监测

电子水平尺，核心是一种电解液式传感器，在经过适当的设计及校正后，用来监测结构物的变形情况。

传感器的电解液装入圆筒形容器内，不论容器或载体位置如何，电解液液面始终位于水平位置，可以将容器的某一需要选取的方向与水平方向（即液面）的夹角转换为电信号输出。

利用电子水平尺电解液界面的变化可测量结构的角位移量的原理来进行沉降位移监测。

具体操作是将倾斜传感器固定在一长度为L的支架上形成一个电水平尺，电水平尺安置后可由倾斜传感器测出角位移量θ，则该电水平尺尾端相对前端的沉降量为：

Δh=θ*L

当若干根电子水平尺依次首尾相连组成尺链时，第n根电水平尺尾端相对尺链首端的沉降量为

Hn=Δh1+Δh2+…………+Δhn

Δhn为第n根电水平尺尾端相对于前端的沉降量。

尺链首、尾两端应设置在相对稳定区域，视作基准点，日常尺链测值需依两端为基准进行平差计算以提高沉降位移测量精度。

应定期使用水准测量方法检测首、尾两端相对相对沉降情况，视相对沉降量大小更新基准数据

3.6.3水平位移监测

虽有多种水平位移的测量方法可供选用.但在地铁隧道的现场环境和运营条件下唯有投影法和坐标法比较适宜和常用

1）视准线投影法

2）

视准线投影法基本工作原理是用经纬仪建立基准线，测定各观测点到基准线的距离。

在监测区域两端架设经纬仪或全站仪，在监测区域反方向的延长线上照准一定向点，旋转一固定角度β（尽可能多的与监测点通视），建立起一条基准线。

在轨道上划上清晰且细的“＋”字，以此作为该点平面位移监测的初始位置。

在日常监测中，采用同样方法观测，旋转一固定角度β后，照准位置与“＋”字之间的距离为该点水平位移的累计值D。

D可以通过游标卡尺量测。

图2.4.1：

投影法水平位移测量示意图

2）小角度法

架站和定向方法同投影法，对每个监测点进行角度观测，通过角度的变化计算监测点水平位移变化。

D=（α/206265）*L

其中：

D——监测点水平位移累计值

α——偏角（＇＇）

L——架站点到监测点的距离（mm）

3）方向线偏移法

如果监测线路过长，或线路弯道过大，通过两端架站无法测量所有监测点时，可采用方向线偏移法进行监测。

采用方向线偏移法对水平位移监测点进行变形观测。

如图所示，A点和B点为水平位移监测控制点。

地铁

图2.4.2：

方向线偏移法水平位移测量示意图

每次监测时，先要测量∠APB角的变化量，求得P点的横向位移量，再测量∠APi角的变化量，从而求得诸观测点i的横向位移量。

其各点的横向水平位移计算按公式。

………

对于每一个施工区，在测站和位移点设定后，就可求得各点之间的距离，从而可事先算得各点系数，以后只要测得角度变化

，即可算得位移量（下式为某工程直接计算出的系数公式）；水平位移的符号相对周边基坑而言：

向内为正，向外为负。

4）单台全站仪位移监测系统

单台全站仪位移实质上是自动进行观测的极坐标测量系统。

以单台TCA型全站仪和配套硬软件组成的位移监测系统包括测点、仪器、通讯、数据处理四大部分。

下图即为该系统的基本组成：

图2.4.5：

全站仪监测原理示意图

测点包括工作基点（全站仪）、检核点（定向点）和变形点。

图2.3.7：

全站仪现场安装图

工作基点上架设全站仪，以定向点定向后测量变形区域内的变形点，得到各点的三维坐标值（或为方向值、距离），通过有线或者无线的方式将数据传到数据中心，进行数据的处理，得各变形点的坐标值，与前一观测周期坐标值相比较，得到各变形点的位移量，并生成报表。

3.6.4固定直径测量法

监护监测时隧道收敛监测采三固定对径测量法

中已述“变形点的点位中误差为±1.5mm（横向中误差为±1.0mm）”，

固定对径测量时，置全站仪于环中部、测定每一对径两端反射贴片在同一坐标系中的坐标Xa、Ya、Za、Xb、Yb、Zb，

反算得到两直径端点的平距D和高差h

。

将各次平距测量值与原始值进行比较，可以得到隧道的该对径变化情况。

将各次高差测量值与原始值进行比较，可以得到隧道的偏转变化情况