CN115164833B - 用于地铁隧道结构保护的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于地铁隧道结构保护的监测方法，包括如下步骤：1)在地铁隧道结构内选取多个监测断面；2)在监测断面的道床上、隧道中腰线以及拱顶分别设置监测棱镜；3)在地铁隧道结构内设置全站仪并形成监测区域；4)地铁隧道结构内布设多个基准棱镜；5)全站仪与供电系统电连接，全站仪与监测计算机通信连接；6)监测计算机向全站仪的控制单元发送测量指令返回到监测服务器。工前、工后三维激光扫描，对地铁隧道结构全面的鉴定，对地铁隧道变形实时进行系统的监测，出现异常时可及时反馈，授权人员可以随时查询隧道变形的状况、预警变形值的具体情况，快速采取工程应急措施，既保证了地铁隧道结构的安全，又保证了工程顺利推进。

Description

用于地铁隧道结构保护的监测方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，特别是涉及用于地铁隧道结构保护的监测方法。

背景技术

地铁作为公共交通工具，在我国得到了飞速的发展，每年都有很多新增的地铁线。地铁在我国我城市发展的基础，很多地区的发展是先建设地铁，后在地铁沿线建设其他建筑。当在已建成的地铁沿线旁边开挖动工建建筑，在开挖建设过程中，会对正在已经运行的地铁隧道结构产生一定的影响。在施工过程中怎么保证施工的有序进行，又不对地铁隧道结构造成影响破坏是目前需要攻克的难关。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种用于地铁隧道结构保护的监测方法，具有保障施工工程的顺利进行的同时，减少对地铁隧道结构的影响破坏。

根据本发明一些实施例的用于地铁隧道结构保护的监测方法，设置至少一个施工区域，施工区域与地铁隧道之间设有间距，包括如下步骤：

1)在地铁隧道结构内选取多个监测断面，监测断面靠近施工区域设置；

2)在监测断面的隧道道床上间隔地设置第一监测棱镜和第二监测棱镜，在监测断面的左右两侧的隧道中腰线分别设置第三监测棱镜和第四监测棱镜，在监测断面的隧道拱顶设置第五监测棱镜；

3)在地铁隧道结构内设置用于监测各棱镜的全站仪，全站仪的监测范围形成监测区域；

4)在地铁隧道结构内布设8个基准棱镜且分别分布在监测区域的两侧，每侧间隔地布设4个基准棱镜；

5)设置供电系统和监测计算机，供电系统与全站仪电连接，全站仪与监测计算机通信连接，全站仪具有控制单元，监测计算机具有监测软件系统和监测服务器；

6)监测计算机通过监测软件系统远程向全站仪的控制单元发送测量指令，全站仪测量监测的数据返回到监测服务器，监测软件系统分析、计算、记录测量的数据。

上述用于地铁隧道结构保护的监测方法至少具有以下有益效果：通过在监测断面设置监测棱镜以及基准棱镜，在地铁隧道结构内设置全站仪，全站仪通信连接监测系统，实现了对地铁隧道结构全面且系统的监测，出现异常时可及时反馈，能快速才去工程应急措施，保证了施工工程的安全且顺利进行时又减少对地铁隧道工程造成的影响。

根据本发明的一些实施例，步骤4)中，每个基准棱镜布设在地铁隧道结构的不同环数的管片上。

根据本发明的一些实施例，步骤4)中，同侧的基准棱镜间隔10米。

根据本发明的一些实施例，步骤2)中，在监测断面设置棱镜前，采用地面测量放样法来定位各棱镜的位置，地面测量放样法包括如下步骤：

a)地面选择两个棱镜的理论位置作为控制点，全站仪进行定向，然后利用另外第三个棱镜的理论坐标点进行坐标复测，确认无误后进行坐标引测；

b)依次测定转点坐标，将全站仪架设在转点处，逐点引测入地铁隧道结构内；

c)利用放样点坐标，采用全站仪放样功能，按照全站仪指示进行距离和方位的调整，将各棱镜移动至正确的距离和方向，直至全站仪显示＜10厘米为止；

d)将转点和放样所测坐标点导入监测断面的理论图纸进行检查无误后确定监测断面位置；

e)利用外部作业的施工控制点，将监测断面的理论坐标在地铁隧道结构内的施工现场进行放样，对比监测区域与施工区域的一致性。

根据本发明的一些实施例，步骤6)中，监测方法为自动化监测方法，自动化监测方法包括如下实施步骤：

a)监测控制网建立，在地铁隧道结构内建立坐标系统，确定各基准棱镜的平面坐标和高程，作为监测的坐标系统；

b)监测学习，采用全站仪坐标，以隧道前进方向，建立统一的坐标系统，然后对各基准棱镜、监测棱镜进行学习测量并记录各棱镜的角度、距离记录到数据库中，作为进行监测所必须的自动定位数据；

c)系统调试，学习完成后，按照设定观测测回数对基准棱镜进行3次测量，取平均值作为系统中的基准棱镜原始数据，在系统设置好基准棱镜原始数据后，按照设定的观测测回数对基准棱镜和监测棱镜进行3次测量，根据基准棱镜原始数据对全站仪坐标进行平差，当平差结果均满足规范要求时，取各监测棱镜的平均值作为初始值。

根据本发明的一些实施例，步骤6)中，包括监测水平位移的方法和监测沉降的方法，全站仪监测已知基准棱镜的方向和距离，通过后方交会计算出全站仪中心的坐标，再通过极坐标法观测并推算出各监测棱镜的坐标，根据各监测棱镜的三维坐标和各监测棱镜的初始三维坐标计算。

根据本发明的一些实施例，步骤6)中，采用公式计算水平位移和竖向位移的累计变化量，计算公式如下：

ΔX＝X_i-X₀；

ΔY＝Y_i-Y₀；

ΔZ＝Z_i-Z₀；

式中，ΔX为水平方向横向累计位移；

ΔY为水平累计位移；

ΔZ为竖向累计位移；

X₀、X₀、X₀为监测棱镜初始坐标；

X_i、X_i、X_i为监测棱镜第i次坐标。

根据本发明的一些实施例，步骤6)中，包括地铁隧道的道床横向高度差监测的方法，根据同一监测断面的隧道道床两侧的监测棱镜的高程变形值计算道床横向差异沉降量，根据不同监测断面的隧道道床同一侧的监测棱镜的高程变形值计算道床径向差异沉降量，计算公式如下：

ΔS＝S_A-S_B；

式中，ΔS为道床横向差异沉降量；

S_A、S_B分别为同一监测断面的隧道道床两侧的监测棱镜的高程变形值和不同监测断面的隧道道床同一侧的监测棱镜的高程变形值。

根据本发明的一些实施例，监测软件系统设置水平位移的预警值为9mm以及水平位移的控制值为15mm，监测软件系统设置竖向位移预警值为9mm以及竖向位移的控制值为15mm。

根据本发明的一些实施例，监测软件系统设置道床横向差异沉降的预警值为2.4mm以及道床横向差异沉降的控制值为4mm。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例地铁隧道结构与施工区域的位置关系示意图；

图2是本发明实施例地铁隧道结构监测的结构示意图；

图3是本发明实施例基准棱镜的布设示意图；

图4是本发明实施例其中一个监测断面布设监测棱镜的示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

需要理解的是，本文中，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“纵向”、“横向”、“轴向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中，若有术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本文中，如果有描述到“若干”、“多个”，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。

本文的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

地铁作为公共交通工具，在我国得到了飞速的发展，每年都有很多新增的地铁线。地铁在我国我城市发展的基础，很多地区的发展是先建设地铁，后在地铁沿线建设其他建筑。当在已建成的地铁沿线旁边开挖动工建建筑，在开挖建设过程中，会对正在已经运行的地铁隧道结构200产生一定的影响。在施工过程中怎么保证施工的有序进行，又不对地铁隧道结构200造成影响破坏是目前需要攻克的难关。

下面详细描述本发明的实施例，参照图1，本实施例中，施工工程与现有的地铁隧道结构200的相互关系为，拟建施工项目的基坑的施工区域100与地铁线区间隧道最小相对净距0.5H＜L＝14.9m≤1.0H(H为明挖法城市轨道交通结构的基坑开挖深度)，属于接近(Ⅱ)，地铁结构在拟建基坑一的2.0h以外范围，属于较小影响区，综合判定拟建基坑一对地铁结构影响等级为三级。

地铁线顶管外径为7米，矿山法毛洞为12.6米，工作井开挖深度约为19米，施工项目还包括基坑的施工区域100的桩基、承台和转换梁，桩基距离地铁线结构最近距离为工作井位置约2米，承台与转换梁在区间工作井结构与顶管隧道正上方开挖，外部作业接近程度属于非常接近,外部作业属于强烈影响区，综合判定施工对地铁影响等级为特级。

参照图1至图4，本发明提出了一种用于地铁隧道结构200保护的监测方法，主要针对施工对地铁影响等级为特级的。设置至少一个施工区域100，即本实施例中对地铁影响等级为特级的桩基施工、承台施工和转换梁施工的一个或多个。施工区域100与地铁隧道之间设有间距。本实施例用于地铁隧道结构200保护的监测方法主要包括如下步骤：

1)在地铁隧道结构200内选取多个监测断面300，监测断面300靠近施工区域100设置。

2)继续参照图2和图4，在监测断面300的隧道道床210上间隔地设置第一监测棱镜710和第二监测棱镜720，在监测断面300的左右两侧的隧道中腰线220分别设置第三监测棱镜730和第四监测棱镜740，在监测断面300的隧道拱顶230设置第五监测棱镜750。

在一些实施例中，在布设监测断面300时，需要将施工影响地铁隧道结构200的范围精确定位。为了实现精确定位，本实施例采用地面施工控制点引测至隧道内，根据监测断面300放样坐标，采用地面测量放样法来定位各棱镜的位置。首先在施工现场选择两个已知控制点，并且能够通视，然后采用全站仪400，通过转点逐步将坐标引入地铁隧道结构200内，同时注意每次设置好方位角后需要进行检查，确保无误后再继续引点，最后对监测断面300位置进行放样，采用全站仪400放样功能，根据放样点坐标现场进行棱镜位置调整，直至全站仪400显示坐标与放样数据差距较小位置。具体步骤如下：

a)地面选择两个棱镜的理论位置作为控制点，全站仪400进行定向，然后利用另外第三个棱镜的理论坐标点进行坐标复测，确认无误后进行坐标引测。

b)依次测定转点坐标，将全站仪400架设在转点处，逐点引测入地铁隧道结构200内。

c)利用放样点坐标，采用全站仪400放样功能，按照全站仪400指示进行距离和方位的调整，将各棱镜移动至正确的距离和方向，直至全站仪400显示＜10厘米为止。

d)将转点和放样所测坐标点导入监测断面300的理论图纸进行检查无误后确定监测断面300位置。

e)利用外部作业的施工控制点，将监测断面300的理论坐标在地铁隧道结构200内的施工现场进行放样，对比监测区域与施工区域100的一致性。

在一些实施中，由于地铁隧道结构200的沿线可能包括多个施工区域100，所以需要设置多个监测断面300。例如在桩基施工区域100中，地铁隧道结构200靠近桩基施工范围监测断面300间距5m，施工范围外增加2个监测断面300且间距为10m，在工作井与顶管、暗挖施工交界处分别增加1个断面。可以理解的是，断面位置可以根据现场情况可微调。每个断面都布设5个监测棱镜。

3)在地铁隧道结构200内设置用于监测各棱镜的全站仪400，全站仪400的监测范围形成监测区域。

4)继续参照图3，在地铁隧道结构200内布设8个基准棱镜600且分别分布在监测区域的两侧，每侧间隔地布设4个基准棱镜600。可以理解的是，每个基准棱镜600布设在地铁隧道结构200的不同环数的管片上。一些实施例中，同侧的基准棱镜600间隔10米。

可以理解的是，在布设基准棱镜600后，需要对基准棱镜600进行稳定性检核，检核方法主要包括竖直方向和水平方向稳定性的检核。

水平方向稳定性检核时采用对比相对距离和夹角的方法判断，竖直方向稳定性检核采用二等水准测量与三角高程结合的方法进行。具体做法如下：

a)基准棱镜600竖直方向稳定性检核方法

基准棱镜600竖向稳定性检核起算点宜采用车站运营监测棱镜。首先在施工影响范围区之外、稳定的区域，例如车站，选择高程检核起算点BM1～BM3，BM4～BM6；在两端基准棱镜600附近各布设1个高程联测点，建立运营监测高程系统与自动化监测系统高程联系。然后将检核点与联测点联测形成一条闭合的水准路线，进而推算出联测点的高程值。最后在高程联测点上架设棱镜，棱镜通过固定长度对中杆连接，采用安置于地铁隧道结构200内的全站仪400对基准棱镜600、高程联测点棱镜进行观测，最终建立自动化监测系统与运营监测高程系统联系。定期复测基准棱镜600高程，通过与初始高程的比较判定基准棱镜600稳定性。

b)基准棱镜600水平方向稳定性检核方法

在靠近稳定的区域，例如车站一侧的基准棱镜600水平方向稳定性检核起算点采用车站内3个运营监测棱镜作为检核起算点，在盾构隧道侧基准棱镜600稳定性检核起算点选择在监测范围外500米的稳定盾构隧道区域的3个运营监测棱镜。在基准棱镜600位置额外布设一个棱镜，棱镜面朝向检核点。观测校核点与复测点和复测点与基准棱镜600之间相对距离和夹角，定期复测距离和角度，通过与初始距离、夹角的比较判定复核点、基准棱镜600稳定性，角度较差限差不超过5″。基准棱镜600稳定性检核频率为1-2月一次。

可以理解的是，本发明监测棱镜、基准棱镜600以及全站仪400前期安装以及后期退场过程中对地铁隧道结构200的保护措施如下：

a)全站仪400、棱镜等设备仪器在安装时，应利用钢筋探测仪选定合适区域后再进行作业，防止损害地铁隧道结构200内的钢筋。同时各设备安装应保证稳定，不能有丝毫晃动，要有较高的硬度和承重预留，安装的仪器点不侵入设备限界，离限界留一定距离，不能为地铁列车正常运行留下任何安全隐患，监测断面300字模喷漆标识。

b)监测工程项目完工后应及时拆除相关仪器等设备，并及时堵住废弃孔洞。

c)全站仪400托架的制作：根据地铁隧道结构200的形状，采用角钢、强制对中盘预制全站仪400托架。

d)将仪器设备安装在限界范围内。

e)各监测棱镜的埋设安装方法：用冲击钻在需要安装的地方钻孔，清孔后用膨胀螺丝安装“L”型的第一监测棱镜710和第二监测棱镜720，然后加盖棱镜专用保护装置。

5)设置供电系统和监测计算机500，供电系统与全站仪400电连接，全站仪400与监测计算机500通信连接，全站仪400具有控制单元，监测计算机500具有监测软件系统和监测服务器。

6)监测计算机500通过监测软件系统远程向全站仪400的控制单元发送测量指令，全站仪400测量监测的数据返回到监测服务器，监测软件系统分析、计算、记录测量的数据。

具体地，通过监测软件系统，远程向全站仪400发送测量指令，使全站仪400在设定的时间、按设定的测量程序自动进行测量，测量数据返回到监测服务器，监测服务器的监测数据分析模块自动对监测数据进行计算与分析，给出各监测棱镜的三维变形量，例如平面及高程，并绘制变形时程曲线。每次测量时，先观测基准棱镜600，按后方交会方法定出仪器坐标和高程，然后再观测变形监测棱镜。监测计算机500设置有控制模块，监测计算机500上的控制模块，通过无线通信发送测量指令给全站仪400的控制单元，控制全站仪400基准棱镜600和监测棱镜按一定的顺序进行逐点扫描、记录、计算及自校，并将测量结果发送至监测计算机500，由监测软件系统分析对监测数据进行整理、分析。

可以理解的是，全站仪400的控制单元包括无线通讯模块，例如CDMA(或GPRS)无线通讯模块。监测软件系统采用WebMos云平台系统。监测计算机500与测量仪器之间的通讯，可以通过Internet网络及无线通讯模块来实现，无需在工地内设置工控计算机和布设通讯电缆，因此，只要有CDMA(或GPRS)无线通信信号，在任何有Internet网络的地方，都可以对测量仪器进行操控。

在一些实施例中，监测方法为自动化监测方法，自动化监测方法包括如下实施步骤：

a)监测控制网建立，在地铁隧道结构200内建立坐标系统，确定各基准棱镜600的平面坐标和高程，作为监测的坐标系统；

b)监测学习，采用全站仪400坐标，以隧道前进方向，建立统一的坐标系统，然后对各基准棱镜600、监测棱镜进行学习测量并记录各棱镜的角度、距离记录到数据库中，作为进行监测所必须的自动定位数据；

c)系统调试，学习完成后，按照设定观测测回数对基准棱镜600进行3次测量，取平均值作为系统中的基准棱镜600原始数据，在系统设置好基准棱镜600原始数据后，按照设定的观测测回数对基准棱镜600和监测棱镜进行3次测量，根据基准棱镜600原始数据对全站仪400坐标进行平差，当平差结果均满足规范要求时，取各监测棱镜的平均值作为初始值。

d)调试完成后进入日常监测，通过监测软件系统及无线通讯控制，设置差分基准棱镜600的联测方案及监测棱镜，按照既定的观测测回数，按先控制再散点的原则现场进行学习监测，学习后设置监测时间间隔及各点的观测顺序，由监测软件系统及无线通讯控制完成常规监测。

可以理解的是，本发明监测方法包括以下监测项目：竖向位移、水平位移，由第一监测棱镜710、第二监测棱镜720、第三监测棱镜730、第四监测棱镜740、第五监测棱镜750进行监测；道床横向高度差，由第一监测棱镜710、第二监测棱镜720进行监测；隧道径向收敛，由每个监测断面300布置的不少于两条测线进行监测；管片裂缝张开量，在裂缝的两端布置监测棱镜进行监测。

本实施例中，监测方法包括多个监测项目的监测，主要包括监测水平位移的方法和监测沉降的方法，全站仪400监测已知基准棱镜600的方向和距离，通过后方交会计算出全站仪400中心的坐标，再通过极坐标法观测并推算出各监测棱镜的坐标，根据各监测棱镜的三维坐标和各监测棱镜的初始三维坐标计算。

具体地，采用公式计算水平位移和竖向位移的累计变化量，计算公式如下：

ΔX＝Xi-X0；

ΔY＝Yi-Y0；

ΔZ＝Zi-Z0；

其中，ΔX为水平方向横向累计位移；

ΔY为水平累计位移；

ΔZ为竖向累计位移；

X0、X0、X0为监测棱镜初始坐标；

Xi、Xi、Xi为监测棱镜第i次坐标。

采用监测软件系统对监测数据进行整理及分析，自动计算各监测棱镜沿隧道方向及垂直隧道方向的变形量，并绘制相应的变形—时间曲线图、输出监测报表。

在一些实施例中，监测项目还包括地铁隧道的道床横向高度差监测的方法，根据同一监测断面300的隧道道床210两侧的监测棱镜的高程变形值计算道床横向差异沉降量，根据不同监测断面300的隧道道床210同一侧的监测棱镜的高程变形值计算道床径向差异沉降量，计算公式如下：

ΔS＝SA-SB；

其中，ΔS为道床横向差异沉降量；

SA、SB分别为同一监测断面300的隧道道床210两侧的监测棱镜的高程变形值和不同监测断面300的隧道道床210同一侧的监测棱镜的高程变形值。

在一些实施例中，监测项目还包括地铁隧道的相对收敛监测的方法。继续参照图4，同一监测断面300的第一监测棱镜710与第五监测棱镜750、第二监测棱镜720与第五监测棱镜750、第三监测棱镜730与第四监测棱镜740形成三条隧道相对收敛值。根据第一监测棱镜710与第五监测棱镜750、第二监测棱镜720与第五监测棱镜750、第三监测棱镜730与第四监测棱镜740的二点间的三维坐标计算二点的距离，然后根据每次计算二点的距离与初始距离计算二点的组成相对收敛值。计算公式如下：

其中，BC是二点的距离。

在一些实施例中，结构裂缝及变形缝张开量的检测可以采用游标卡尺、读数显微镜、电子裂缝测宽仪、裂缝计等设备。根据施工前普查或施工过程中巡查发现的裂缝，进行登记编号。每条裂缝至少布设两组观测标志，其中一组在裂缝的最宽处，另一组在裂缝的底端。每组使用两个对应的标志，分别设在裂缝的两侧。结构变形缝张开量监测布设在地铁隧道结构200管片间或箱型结构间的接合缝，每条接合缝至少布设两组观测标志，例如，在地铁隧道结构200的中腰线220上，每组使用两个对应的标志，分别设在接合缝的两侧。

地铁隧道结构200裂缝及变形缝张开量监测使用游标卡尺进行裂缝观测，在裂缝两侧锚固水泥钉，用卡尺直接量测钢钉间距，确定裂缝宽度。在不可锚固钢钉的地方，采用电子裂缝测宽仪及裂缝计进行监测。具体地，用电缆连接显示屏和测量探头，打开电源开关，将测量探头的两支脚放置在裂缝上，在显示屏上可看到被放大的裂缝图像，稍微转动摄像头使裂缝图像与刻度尺垂直，根据裂缝图像所占刻度线长度，读取裂缝宽度值。

如在地铁隧道结构200的顶部产生裂缝，常规观测方法无法进行监测，或者地铁隧道变形较大，隧道管片裂缝及变形缝张开量需要进行连续监测时，可采用安装无线裂缝计的方法进行监测。无线裂缝观测计的工作方法为：裂缝计横跨裂缝，固定于裂缝两侧，裂缝计上连接一个转换器，负责数据的采集与发送。另有一上位机以无线通讯方式控制下位机进行数据采集并接收测量数据。对于轨行区的裂缝，应优先考虑无线裂缝观测计。可以理解的是，游标卡尺、读数显微镜、电子裂缝测宽仪、裂缝计等设备均是采购件或常用件，本领域技术人员有能力根据实际需求选择相应的规格、型号和参数。

可以理解的是，监测软件系统设置水平位移的预警值为9mm以及水平位移的控制值为15mm，监测软件系统设置竖向位移预警值为9mm以及竖向位移的控制值为15mm。监测软件系统设置道床横向差异沉降的预警值为2.4mm以及道床横向差异沉降的控制值为4mm。监测软件系统设置径向收敛的预警值为9mm以及径向收敛的控制值为15mm。监测软件系统设置变形缝张开量的预警值为1.2mm以及变形缝张开量的控制值为2mm。监测软件系统设置管片裂缝张开量的预警值为0.12mm以及管片裂缝张开量的控制值为0.2mm。

在施工前及施工完成后对隧道进行三维激光扫描，获取管片结构病害、净空数据、断面尺寸、椭圆度等成果信息。

可以理解的是，全站仪400为采购件，本领域技术人员有能力根据实际需求选择相应的规格、型号和参数。本实施例中，全站仪400采用徕卡ScanStation P40三维激光扫描全站仪400。

三维激光扫描全站仪400是利用激光测距的原理，记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息。结合计算机视觉与图像处理技术，将其扫描结果直接显示为点云(pointcloud：无数的点以测量的规则在计算机里呈现物体的结果)，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。这样全面的信息能给人一种物体在电脑里真实再现的感觉。处理软件可以采用徕卡Cyclone海量点云处理软件，包含了若干个功能模块，可自动去噪，自动拼接，自动建模，并可生成各种成果。

三维激光扫描仪发射一束足够强度的激光束至被测物体上，经被测物体反射后再被三维激光扫描仪接收，通过测量激光信号从发出到返回的时间差(或相位差)计算三维激光扫描仪仪器中心至被扫描目标的距离S，同时扫描仪器会自动记录由角度编码器获取的被测目标的水平角度α和垂直角度θ。三维激光扫描仪通过仪器内部伺服马达精确控制反射棱镜的快速转动，实现对被测目标不同位置的扫描目的。在三维激光扫描仪中，测距激光束是绕两个相互垂直的轴进行旋转的，两轴的交点是三维激光扫描仪内部坐标系的原点O；三维激光扫描仪的水平轴(或第一旋转轴)为其内部坐标系的Y轴，垂直轴(第二旋转轴)构成坐标系的Z轴，根据右手坐标系构建的原则，X轴垂直于Y轴及Z轴。在三维激光扫描仪扫描进行扫描作业时，仪器测出坐标原点O至被测目标P之间的距离S、水平角α、垂直角θ并根据公式计算出目标点的空间三维坐标P(X,Y,Z)。具体地，计算公式如下：

X＝S*cosθ*cosα；

Y＝S*cosθ*sinα；

Z＝S*sinθ。

三维激光扫描仪实现了高密度、高效率、数据实时获取，简化了准备工作，减短了外作业时间，并且支持任何环境下的数据采集。

三维激光扫描工作流程为：设站---设置靶标---照相---扫描---数据处理。

整个系统由三维激光扫描仪、数码相机、后处理软件、电源以及附属设备构成，它采用非接触式高速激光测量方式，获取地形或者复杂物体的几何图形数据和影像数据。最终由后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同应用的需要。

a)数据获取

利用软件平台控制三维激光扫描仪对特定的实体和反射参照点进行扫描，尽可能多的获取实体相关信息。三维激光扫描仪最终获取的是空间实体的几何位置信息，点云的发射密度值，以及内置或外置相机获取的影像信息。这些原始数据一并存储在特定的工程文件中。其中选择的反射参照点都具有高反射特性，它的布设可以根据不同的应用目的和需要选择不同的数量和型号，通常两幅重叠扫描中应有四到五个反射参照点。

b)数据处理

①数据预处理

数据获取完毕之后的第一步就是对获取的点云数据和影像数据进行预处理，应用过滤算法剔除原始点云中的错误点和含有粗差的点。对点云数据进行识别分类，对扫描获取的图像进行几何纠正。

②数据拼接匹配

一个完整的实体用一幅扫描往往是不能完整的反映实体信息的，这需要我们在不同的位置对它进行多幅扫描，这样就会引起多幅扫描结果之间的拼接匹配问题。在扫描过程中，扫描仪的方向和位置都是随机、未知的，要实现两幅或多幅扫描的拼接，常规方法式是利用选择公共参照点的办法来实现这个过程。这个过程也叫作间接的地理参照。选取特定的反射参照目标当作地面控制点，利用它的高对比度特性实现扫描影像的定位以及扫描和影像之间的匹配。扫描的同时，采用传统手段，如全站仪400测量，获得每幅扫描中控制点的坐标和方位，再进行坐标转换，计算就可以获得了实体点云数据在统一的绝对坐标系中的坐标。这一系列工作包含着人工参与和计算机的自动处理，是半自动化完成的。

c)建模

①算法选择

在数据处理完成后，接下来的工作就是对实体进行建模，而建模的首要工作是数学算法的选择。这是一个几何图形反演的过程，算法选择的恰当与否决定最终模型的精度和和数据表达的正确性。

②模型建立和纹理镶嵌

选择了合适的算法，可以通过计算机直接对实体进行自动建模。点云数据保证了表面模型的数据(DSM)，而影像数据保证了边缘(Edges)和角落(Comer)的信息完整和准确。通过自动化的软件平台，用获取的点云强度信息和相机获取的影像信息对模型进行纹理细节的描述。

三维激光扫描具有可以在较短的时间内获取关于目标对象的高精度、高密度点云数据；自动化；非接触测量，夜间测量；数据信息丰富(三维坐标、强度信息、色彩信息)；数据量大，设备贵，作业员要求高；数据处理结果示意的特点。

可以理解的是，根据不同施工阶段、不同监测项目的监测频率，在监测数据正常情况下(各个监测项目均小于其预警值)按下列要求进行：竖向位移、水平位移、道床横向高差、径向收敛这4个监测项目，在桩基、承台、托换体系施工期间，监测频率为3次/天；在托换体系施工完成及承台回填完成后，监测频率为1次/3天。可以理解的是，监测过程中应充分考虑实际的施工状况，合理的调整监测频率，以获取更准确的监测信息和更经济的效益。

通过对地铁隧道结构200进行全面、系统的监测，在出现异常情况时及时反馈，并采取必要的工程应急措施，保证工程的安全和避免对周围环境造成过大的影响，确保工程的顺利进行。通过监测使施工工程的业主能客观真实地了解隧道工程安全状态，确保地铁隧道结构200及车站在施工期间的安全。地铁保护监测的数据和资料也是处理一些问题纠纷的重要依据。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“另一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.用于地铁隧道结构保护的监测方法，设置至少一个施工区域，施工区域与地铁隧道之间设有间距，其特征在于，包括如下步骤：

1)在地铁隧道结构内选取多个监测断面，监测断面靠近施工区域设置；

2)在监测断面的隧道道床上间隔地设置第一监测棱镜和第二监测棱镜，在监测断面的左右两侧的隧道中腰线分别设置第三监测棱镜和第四监测棱镜，在监测断面的隧道拱顶设置第五监测棱镜；

3)在地铁隧道结构内设置用于监测各棱镜的全站仪，全站仪的监测范围形成监测区域；

4)在地铁隧道结构内布设8个基准棱镜且分别分布在监测区域的两侧，每侧间隔地布设4个基准棱镜；

5)设置供电系统和监测计算机，供电系统与全站仪电连接，全站仪与监测计算机通信连接，全站仪具有控制单元，监测计算机具有监测软件系统和监测服务器；

6)监测计算机通过监测软件系统远程向全站仪的控制单元发送测量指令，全站仪测量监测的数据返回到监测服务器，监测软件系统分析、计算、记录测量的数据；

监测项目包括监测水平位移的方法、监测沉降的方法、地铁隧道的道床横向高度差监测的方法以及地铁隧道的相对收敛监测的方法；

全站仪监测已知基准棱镜的方向和距离，通过后方交会计算出全站仪中心的坐标，再通过极坐标法观测并推算出各监测棱镜的坐标，根据各监测棱镜的三维坐标和各监测棱镜的初始三维坐标计算；

采用公式计算水平位移和竖向位移的累计变化量，计算公式如下：

ΔX＝X_i-X₀；

ΔY＝Y_i-Y₀；

ΔZ＝Z_i-Z₀；

式中，ΔX为水平方向横向累计位移；

ΔY为水平累计位移；

ΔZ为竖向累计位移；

X₀、X₀、X₀为监测棱镜初始坐标；

X_i、X_i、X_i为监测棱镜第i次坐标；

地铁隧道的道床横向高度差监测的方法为，根据同一监测断面的隧道道床两侧的监测棱镜的高程变形值计算道床横向差异沉降量，根据不同监测断面的隧道道床同一侧的监测棱镜的高程变形值计算道床径向差异沉降量，计算公式如下：

ΔS＝S_A-S_B；

式中，ΔS为道床横向差异沉降量；

S_A、S_B分别为同一监测断面的隧道道床两侧的监测棱镜的高程变形值和不同监测断面的隧道道床同一侧的监测棱镜的高程变形值；

地铁隧道的相对收敛监测的方法为，同一监测断面的第一监测棱镜与第五监测棱镜、第二监测棱镜与第五监测棱镜、第三监测棱镜与第四监测棱镜形成三条隧道相对收敛值，根据第一监测棱镜与第五监测棱镜、第二监测棱镜与第五监测棱镜、第三监测棱镜与第四监测棱镜的二点间的三维坐标计算二点的距离，然后根据每次计算二点的距离与初始距离计算二点的组成相对收敛值，计算公式如下：

其中，BC是二点的距离。

2.根据权利要求1所述的用于地铁隧道结构保护的监测方法，其特征在于，步骤4)中，每个基准棱镜布设在地铁隧道结构的不同环数的管片上。

3.根据权利要求1或2所述的用于地铁隧道结构保护的监测方法，其特征在于，步骤4)中，同侧的基准棱镜间隔10米。

4.根据权利要求1所述的用于地铁隧道结构保护的监测方法，其特征在于，步骤2)中，在监测断面设置棱镜前，采用地面测量放样法来定位各棱镜的位置，地面测量放样法包括如下步骤：

a)地面选择两个棱镜的理论位置作为控制点，全站仪进行定向，然后利用另外第三个棱镜的理论坐标点进行坐标复测，确认无误后进行坐标引测；

b)依次测定转点坐标，将全站仪架设在转点处，逐点引测入地铁隧道结构内；

c)利用放样点坐标，采用全站仪放样功能，按照全站仪指示进行距离和方位的调整，将各棱镜移动至正确的距离和方向，直至全站仪显示＜10厘米为止；

d)将转点和放样所测坐标点导入监测断面的理论图纸进行检查无误后确定监测断面位置；

e)利用外部作业的施工控制点，将监测断面的理论坐标在地铁隧道结构内的施工现场进行放样，对比监测区域与施工区域的一致性。

5.根据权利要求1所述的用于地铁隧道结构保护的监测方法，其特征在于，步骤6)中，监测方法为自动化监测方法，自动化监测方法包括如下实施步骤：

a)监测控制网建立，在地铁隧道结构内建立坐标系统，确定各基准棱镜的平面坐标和高程，作为监测的坐标系统；

b)监测学习，采用全站仪坐标，以隧道前进方向，建立统一的坐标系统，然后对各基准棱镜、监测棱镜进行学习测量并记录各棱镜的角度、距离记录到数据库中，作为进行监测所必须的自动定位数据；

c)系统调试，学习完成后，按照设定观测测回数对基准棱镜进行3次测量，取平均值作为系统中的基准棱镜原始数据，在系统设置好基准棱镜原始数据后，按照设定的观测测回数对基准棱镜和监测棱镜进行3次测量，根据基准棱镜原始数据对全站仪坐标进行平差，当平差结果均满足规范要求时，取各监测棱镜的平均值作为初始值。

6.根据权利要求1所述的用于地铁隧道结构保护的监测方法，其特征在于，监测软件系统设置水平位移的预警值为9mm以及水平位移的控制值为15mm，监测软件系统设置竖向位移预警值为9mm以及竖向位移的控制值为15mm。

7.根据权利要求1所述的用于地铁隧道结构保护的监测方法，其特征在于，监测软件系统设置道床横向差异沉降的预警值为2.4mm以及道床横向差异沉降的控制值为4mm。