地铁运营期长期监测技术方法调研分析
摘要：地铁运营之后，工后沉降不可避免，结构不均匀沉降及过大变形会导致轨道变形，严重时会直接导致安全事故的发生，国内外不乏有类似报道。运营期长期监测作为保证运营安全的“眼睛”显得尤为重要，也是地铁长期健康检测的重要内容和基础工作，可为运营安全、研究结构变形规律、及时发现重大结构变形隐患提供可靠的数据。本文主要通过调研国内外地铁运营期长期监测技术方法，针对无锡地铁一、二号线自身的工程地质、线路走向、工程施工技术水平等特征，提出了无锡地铁宜采用的长期监测技术方法，可为类似工程监测方法的选择提供借鉴。
关键词：地铁；运营期；长期监测；技术方法；调研分析
1 概述
随着我国城市交通拥堵的日益严重，地铁作为舒缓交通拥堵的重要途径显得尤为重要。2012年9月，国家发改委批准了25个轨道交通、城际铁路类项目，投资总金额超过8000亿元。国内外地铁运营经验表明，不同地铁结构间因施工扰动程度差异、结构刚度差异、结构基底应力差异及结构连接部位的渗漏水等将影响线路的不均匀沉降，导致结构内力变化，严重时结构开裂、破损，进而加剧行车过程中的振动、结构渗漏水发生等，最终形成恶性循环，影响地铁行车的安全性、舒适性。在变形严重的情况下，甚至会颠覆高速运行的列车，引发严重的交通安全事故。由于变形具有长期缓变、瞬时突变、难补救、危害大等灾害性特点，所以对易发生不均匀沉降的区段进行长期监测，可以判断结构是否满足保护技术标准和运营安全要求，同时也是运营管理部门决定是否需要修复及治理的重要依据。
《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》( GB50308-1999)和《城市轨道交通工程监测技术规范》（以下简称“监测规范”）对运营期监测均有要求。其中监测规范第10.1.1条规定：城市轨道交通工程施工及运营期间，应对其线路中的隧道、高架桥梁、路基和轨道结构及重要的附属结构等进行竖向位移监测，必要时还应对隧道结构进行净空收敛监测。由于地铁三分之二以上的时间是处于全封闭的运营状态，不允许监测人员进入隧道内工作；因此，合理的监测方案、合适监测方法不仅可以及时发现安全隐患，而且可以节约监测费用，为确保运营安全起到事半功倍的作用。
2 监测方法调研
2.1 监测方法现状
从上世纪70年代末，国内外安全监测技术迅速发展并广泛应用，发展到近阶段，除常规大地测量方法外，先进的技术方法主要有：自动化监测、GPS技术、合成孔径雷达干涉测量（INSAR）技术等。在几何学、物理学、计算机仿真学等多学科、多领域的融合、渗透下，变形监测技术向一体化、自动化、数字化、智能化等方向发展。目前国内外远程自动化监测系统主要有对近景摄像测量系统、多通道无线遥测系统、分布式光纤监测系统、全站仪（测量机器人）自动量测系统、静力水准仪系统、巴赛特结构收敛系统。
2.2 常规大地测量方法
常规大地测量方法是采用全站仪、水准仪、经纬仪、测距仪等常规仪器进行监测。其主要优点是：技术成熟，监测测点布设简便；在监测断面多，监测频率要求不高的情况下，监测成本低；能够以网的形式进行测量并对测量结果进行精度评定。但其仍有以下不足：监测频率高时，监测时间长，工作强度大；监测场地要求高，通视要求严格；监测时段和频率受运营影响大；监测成果有一定滞后性，不能实时反馈。图1和图2分别为采用精密水准仪进行沉降监测和采用全站仪进行收敛监测。
2.3 自动化监测方法
常规的大地测量方法由于其观测时间长，观测时段和频率受限制，测量结束后出监测报告周期长等局限，而无法满足日益增长的快速施工和不断提高运营维护效率的要求，随着现代光电测量技术、网络通讯技术、自动化控制技术、现代数据库技术的发展，全自动监测系统无论从软、硬件上，还是从系统集成、维护和管理等服务上，都已成为解决现代化地铁建设和运营期间变形监测需求的成熟方案。
自动化监测技术是在集成多种监测方法、多学科专业技术的基础上，迅速发展的新兴技术，基本原理是：根据自动控制原理，把几何变形量（长度、角度）转换成电量（测量机器人采用自动跟踪测量），再与一些必要的测量电路、附件装置相配合，组成自动测量装置，实现了变形量的实时数据采集与传输、数据管理、在线分析、综合成图、成果预警的计算机控制网络化。
目前地铁自动化监测项目可分为以下几类: 沉降类 (主要采用静力水准、梁式倾斜仪、 光纤等监测设备 )、水平位移类 (主要采用测量机器人等监测设备 )、微距离变化类 (主要有裂缝计、 变位计等监测设备)。
2.3.1 测量机器人
测量机器人（自动全站仪）是一种代替人进行自动搜索、跟踪、识别和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型仪器。自动全站仪通过发射红外光束，并利用自照准原理和 LCD图像处理功能，无论在白天还是黑夜，都能实现目标的自动识别、照准与跟踪，保证了监测工程能够24h连续运行，如图3。全自动化三维监测系统具有高精度、高效率的优点，并成功应用于北京、上海、广州和深圳等城市的地铁监测中，并积累了丰富的监测经验。由于测量机器人非常适用于监测频率高、监测周期短的情况，所以主要用于地铁施工期变形监测、短期内非地铁施工影响地铁的保护监测及运营期需要高频率监测的重点地段（局部变形超限）。其中，南京地铁一号、二号线保护区中的建设项目采用了监测机器人进行24小时连续监测。
2.3.2 静力水准自动化监测
依据连通管原理的方法，用传感器（振弦式、电容式、光电式、差动变压器式、磁致伸缩液位计等），测量每个测点容器内液面的相对变化，再通过计算求得各点相对于基点的相对沉陷量。
静力水准仪用于沉降的精密监测，灵敏度高，精度高，与传统水准测量相比，不需要通视，能够满足高频次、高精度的需要。其缺点是易受外界影响，如列车振动、温度变化幅度大引起数据漂移等；安装调试复杂（整个系统内液体不能有气泡现象；整个系统各传感器需要大致处于一个水平面，系统距离愈长调试愈复杂）。
由于静力水准监测可以满足高频次、高精度测量的需要，故其主要适用于自动化监测和长期连续监测。并成功应用于上海、天津、南京、苏州、杭州、沈阳和南宁等城市的地铁监测中，并积累了丰富的监测经验。
5 结论及建议
引起隧道长期沉降的因素主要有施工过程中的扰动导致周围土体结构破坏、土体的蠕变、开挖卸载回弹及再压缩、结构渗漏水导致的固结、正常行车导致的振动以及轨道不平顺导致加剧振动、周围开发建设影响等。长期不均匀沉降可能会降低列车的运营性能和效率，增大列车车轮与轮轨之间的摩擦，从而加快列车车轮和轮轨的损耗，严重时会导致安全事故，因此，采用高效、合理、经济的监测方案及方法尤为重要。针对地铁运营期长期沉降监测技术及方法，有以下建议：
（1）根据运营期线路沉降发展规律及结构间差异沉降发展特点，应对线路进行监测分区并在不同运营期实施不同的监测频率，以节约费用、提高效率，做到事半功倍。
（2）应建立有效的监测信息反馈机制，以便及时对线路的平顺性进行调整，并对沉降原因进行分析，同时采取控制措施。在沉降监测过程中，当沉降量达到一定值后，应对盾构隧道的收敛值进行监测。
（3）运营期监测应分为地铁自身工后变形和非地铁施工影响的地铁变形。地铁自身工后变形监测可分为重点区、次重点区（可采用自动化监测系统，以满足及时反馈过大变形）和普通区（可采用常规大地测量以减少费用）。非地铁施工影响的地铁变形通常采用自动化监测系统，以满足高频率、及时性的要求。
（4）选择监测方法应充分考虑车站环境的影响，如采用测量机器人自动监测应考虑车挡目标、大气湍流、地基振动等因素，物联网自动化监测应考虑无线传感网络技术协议对地铁系统通信信号的影响，分布式光纤监测应考虑其监测沉降的精度适用性及成本，静力水准自动化监测应考虑自身误差的消除等。
（5）常规大地测量针对普通监测区有费用小的优势，应采用固定设备、固定人员、固定线路、相同的处理软件，相同的观测条件来提高监测精度。
（6）对于道床设计厚度较小的地段，由于列车运行可能会造成道床结构与车站底板的脱离。若发生脱离，此时道床的变形已不能正确反映结构的变形。为了能够真实反映车站结构的变形，应在车站侧墙结构上设置位移监测点，对车站结构进行监测。
（7）已运营地铁对变形的要求相当严格，关于基坑开挖引起运营地铁隧道变形的控制标准及相应保护措施，国内尚无系统编制的相关规程，上海和深圳有制定的相应监测控制标准，各城市应根据自身工程特征制定适宜的标准。
