Study on Application of Auto-Monitoring System Based on AutoMos in Metro Engineering
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摘要: 自动化监测技术是推进施工信息化的重点发展方向，利用信息化技术逐步实现工程监测的数据采集分析、信息反馈及实时定位查询，以实现信息化安全施工管理。本文以长沙地铁5号线万家丽广场站为工程背景，首次采用AutoMos自动化监测系统对地铁车站基坑施工过程进行自动化监测，采集得到了地铁基坑开挖过程中围护结构水平位移、周边建筑物沉降变形、基坑内高架桥桥墩沉降变形、既有车站立柱沉降变形分析的有效监测数据。主要结论如下：1)基坑开挖时，围护结构水平位移曲线在距离基坑中部的位置呈现“弓”型，局部有锯齿状变化趋势；对比传统围护结构的测斜监测，AutoMos自动化监测结果与其所得围护结构水平位移变化趋势一致，验证了自动化数据的有效性和准确性；2)房屋累计沉降与其到左右隧道中心距离呈线性关系，受到左、右线掘进的影响，房屋监测点累计沉降值在8mm内，符合规范要求；3)受到围护结构内侧变形引起的土体不均匀沉降和固结变形的影响，靠近北部基坑的高架桥墩监测点Q17、Q18累计沉降分别达到-5.79mm、-7.01mm，Q21点累计沉降最大达到-6.35mm；4)靠近北基坑的既有车站立柱沉降监测点LZ4随基坑开挖沉降变形增大，直至负一层底板浇筑后趋于稳定。基于AutoMos自动化监测在监测过程中充分体现了其优势和作用，具有重要的工程应用价值和指导意义。Abstract: Automated monitoring technology is one of the key development directions of promoting construction informatization. The information technology is now gradually applied to realize the data collection and analysis, information feedback and real-time location query of project monitoring, so as to realize the information safety construction management. This paper takes Wanjiali Square Station of Changsha Metro Line 5 as an engineering example, for the first time to use the automatic monitoring system, AutoMos, to monitor the construction process of the foundation pit of the metro station, acquiring effective monitoring data in the excavation process, including horizontal displacement of retaining structure, settlement deformation of surrounding buildings, settlement deformation of viaduct pier in foundation pit, and settlement deformation analysis of existing station column. The main conclusions are as follows: (1) During the excavation of foundation pit, the horizontal displacement curve of the retaining structure is in broken line shape at the distance from the middle of the foundation pit, and partially in zigzag shape. Compared with the traditional inclinometer monitoring, the automatic monitoring results of automos are consistent with the horizontal displacement trend of the envelope, which verifies the validity and accuracy of the automatic data; (2) The accumulated settlement of the house is linear with the distance to the center of the left and right tunnels, which is affected by the excavation of the left and right lines. The accumulated settlement of the house monitoring points is within 8mm, which meets the requirements of the specifications; (3) Affected by the uneven settlement and consolidation deformation of soil caused by the deformation inside the retaining structure, the accumulated settlement of Q17 and Q18 monitoring points of viaduct piers near the North foundation pit is -5.79mm and -7.01mm respectively, and the maximum accumulated settlement of Q21 point is -6.35mm; (4) The settlement monitoring point of the existing station column close to the North foundation pit, LZ4, increases with the settlement deformation of the foundation pit excavation until the negative first floor slab is stable after pouring. The automatic monitoring based on AutoMos fully embodies its advantages and functions in the monitoring process, which has important engineering application value and guiding significance.
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引言
社会经济的高速发展和人口数量的不断增加，使城市交通受到土地资源和环境的影响，逐渐趋于超负荷运行。地铁等轨道交通成为了满足人民日益增长交通需求的重要出行方式[1]。城市轨道交通一般敷设在城市人口集中、商业繁华的地区。城市轨道交通的施工不但对周边建(构)筑物和环境产生影响，还对地铁隧道、车站结构本身产生影响。因此在施工过程中，需要对地铁隧道结构、周边环境进行定期甚至加频连续的动态监测，并采取有效措施控制施工影响范围和程度。然而，随着地铁建设蓬勃发展，高周转、快速的投资建设模式使地铁建设中的监控量测一定程度受到了忽视，造成了不可挽回的损失[2-3]。根据相关的国家标准、规范及地方标准，各地区对地铁结构及周边影响区域安全要求越来越高，在临近高风险环境时，甚至要求对地铁结构和环境进行自动化监测，这必然对监测技术提出更高的要求。
国内外使用最多的监测方法是三角高程测量、几何水准测量、GPS测量以及静力水准测量等，同时众多学者在地铁施工安全监测方面也开展了深入研究。王子轩[4]利用CP Ⅲ网对地铁中测试的三角高程数据进行处理，发现改进的中间法网型对地铁工程进行三角高程测量，其精度满足施工需求。Finno[5]将安全监测系统应用到了桩锚支护的基坑中，通过对监测数据分析得到基坑开挖段围护结构变形与坑底隆起系数的变化关系。吴振君[6]在车站施工中建立基于GIS分布式的安全监测信息管理平台，利用网络实现开挖工程中支撑轴力、围护结构变形、测斜等指标的实时安全监测。柏文峰[7]利用智能型全站仪在已运行地铁隧道中开展自动化监测，分析了该设备在地铁隧道施工监测的测试精度，获得了隧道内拱顶、沉浮、收敛监测指标的最佳范围。目前，地铁施工阶段的监控量测仍然主要以人工监测为主，工作量大、人为和环境因素干扰较多。自动化监测以其测试稳定、高效、连续、系统集成简单等优势，逐渐成为地铁工程施工信息化的重要发展方向，对风险预测、优化施工参数，保证施工安全具有重要的意义。其应用技术近年来受到工程从业者的青睐，与网络信息技术形成新型的交叉学科。
本文以长沙地铁5号线万家丽广场站监测项目为依托，设计和应用了自动化监测系统，通过该系统所测数据进行有效统计分析，可实现对桥梁、地铁隧道和施工、运营期间周边建筑沉降信息的实时数据采集、存贮、发送与控制管理，并有效发出安全预警信息，实现对施工过程的安全总体把控。该监测系统的运用可为今后类似工程自动化监测和施工信息化的实施提供有效的参考经验。
1. 自动化监测方案
该系统由以下几部分组成：1)测试智能机器人(高精度全站仪、驱动马达)；2)供电、控制及CDMA(或GPRS)无线通讯模块(简称DTU)；3)监测专用服务器；4)变形监测软件系统(AutoMos)；5)系统测试监测点、基准点。
该系统一端与伺服控制器的CP终端连接，通过变形监测软件平台(AutoMos)，向远端的测试机器人发出命令，设定测试机器人在相同间隔时间内，按照设计程序进行数据自动采集，并将测试数据返回到伺服控制器。由数据模块(Analyzer)对传输数据进行自动储存和分析，得到各现场测点的高程和变化值，绘制成变形时程曲线。
输入端和处理端的通讯，借助Internet网络及DTU通讯模块来实现，无须设置通讯光缆和现场控制设备。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。遇到信号盲区(例如图 4所示：既有2号线车站两端受开挖扰动影响区和5号线盾构接收区两个信号不稳定区确定为信号盲区，设置拱顶沉降监测点(WZ1-1~WZ5-2)共10个和管片形态监测点(LZ1~LZ8)共8个)，采用LD-3长线隔离驱动器通过电流环的形式将差分信号R-S485转变为R-S232信号，布设通讯电缆连接到有无线通信信号的地方进行通信信息传输，如图 2-3所示。
测试设备与DTU之间采用通讯电缆连接，同时实现仪器供电和数据传输。仪器供电外接电源，保证测量机器人及DTU通讯模块24h不间断供电。具体测量过程为：控制平台的监控模块Monitor，利用通讯模块将指令传输至基站的全站仪，对现场基准点和变形控制点进行逐一测试、记录、计算及校对后将有效的数据结果反馈至平台。由平台的数据模块Analyzer对监测结果进行整理、分析，通过云端服务器发布至不同客户端口，如图 4所示。
2. 实例应用
自动化监测系统在长沙市轨道交通5号线多个站点、区间得以应用，利用既有监测信息管理和预警既有，结合C/S结构实现了监测方案、测点信息和监测结果的多方共享，基于监测平台实现了数据采集、储存、处理、查询、数据输出及预警等多功能。现以万家丽广场站自动化监测为例加以说明。
2.1 工程概况
万家丽广场站地处万家丽路与荷花路交叉口，线路南北敷设。车站为地下三层站，主体结构采用盖挖逆作法施工，围护结构采用1 000mm厚地下连续墙，各层主体结构板兼支撑。车站主体结构上方为万家丽高架桥，桥底净空仅10m，车站结构上方有5根桥墩柱，这无疑给施工增加了相当难度。此外，该车站还与长沙地铁2号线十字换乘，如图 3所示，新线的施工将对既有线的运行产生一定影响。因此，在车站和盾构施工过程中，不仅需要对既有桥墩、周边建筑物进行定期监测，还需要在新旧线路交汇时开展实时监测。
2.2 监测点布置
监测点布置依据有关基坑监测的相关规范[8-10]，土体的深层水平位移布置在基坑的中部、阳角及代表性部位。基坑周边环境监测点布置范围在在基坑边缘以外1~3倍开挖深度内，范围内建(构)筑物竖向位移监测点应在四角、沿外墙每10~15m布置，长边不得少于3点，对于桥墩等高耸构筑物，布设在对称部位，每一构筑物不少于4点，管线监测点宜布设在管线的节点、转角点和曲率变化较大点，管线沉降监测间距在10~25m之间。在万家丽广场站左右各布置18个断面，DK12+232~DK12+267按5m间距布置，其他按10m间距，站台东侧车站与区间衔接处加设两处断面(间距1m)，左右线监测点各布置地表沉降监测点90个。车站内桥桩沉降位移监测点位54个，车站周边房屋沉降位移点位80个；此外，实际施工中，基准点和监测点的稳定状况直接决定对监测数据质量好坏，同时决定着建构筑物变形特性能否得到正确反映。因此，在变形监测系统中设置差分基准点是不可或缺的。差分基准点位置选择要求能与基准点、监测点通视且牢固稳定的合适位置。根据地铁工程监测的要求和规范，差分基准点布置在施工影响范围外的稳定区域，设计布置3个监测差分基准点，分别在既有运行隧道内设置1个，在地面稳定区域内布置2个，如图 3所示。
2.3 数据采集
该系统采用多组BGK-4675型静力水准系统监测万家丽高架桥桩盖挖逆作车站内桥桩共建结构及周边房屋沉降。该仪器是一种精密液位测量系统，可用于多点相对沉降测量，一系列传感器采用通液管连接，每一传感箱内由一精密振限式传感器进行测试，如图 5所示。
在测站安装好仪器及通讯模块，检查与远端控制平台连接完好后，在监测软件控制下，逐点测量，记录各点测试角度和距离至数据库中，作为进行监测所必须的自动定位数据。
通过AutoMosMonitor软件及CDMA控制及通讯模块，设置差分基准点的联测方案及每台仪器所测变形点的数量，根据既定的观测次数，依照先控制后散点的原则进行现场学习监测，准确无误采集数据后，预设测试时间及各点观测顺序，由AutoMosMonitor软件及CDMA控制及通讯模块自动完成常规监测。
3. 数据查询与分析
3.1 数据查询
读取原始数据后，通过平台内置设定程序分析上传数据，得到记住网点的平差结果及监测点的三维极坐标。系统自动对测站点至监测点的S斜距、α水平方位角、β垂直角进行全微分，得到中误差矩阵，如式(1)所示。
$\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{\rm{m}}_x^2}\\ {{\rm{m}}_y^2}\\ {{\rm{m}}_z^2} \end{array}} \right) = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{{\left( {\frac{{\rm{x}}}{{\rm{s}}}} \right)}^2}}&{{{\left( {\frac{{\rm{y}}}{{{{\rm{ \mathsf{ ρ} }}^{\prime \prime }}}}} \right)}^2}}&{{{\left( {\frac{{xz}}{{D{\rho ^{\prime \prime }}}}} \right)}^2}}\\ {{{\left( {\frac{{\rm{y}}}{{\rm{s}}}} \right)}^2}}&{{{\left( {\frac{{\rm{x}}}{{{{\rm{ \mathsf{ ρ} }}^{\prime \prime }}}}} \right)}^2}}&{{{\left( {\frac{{yz}}{{D{\rho ^{\prime \prime }}}}} \right)}^2}}\\ {{{\left( {\frac{{\rm{z}}}{{\rm{s}}}} \right)}^2}}&0&{{{\left( {\frac{{\rm{D}}}{{{{\rm{ \mathsf{ ρ} }}^{\prime \prime }}}}} \right)}^2}} \end{array}} \right)\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{\rm{m}}_S^2}\\ {{\rm{m}}_\partial ^2}\\ {{\rm{m}}_\beta ^2} \end{array}} \right) $
(1) 根据Helmert点位误差估算公式，可得到P点的点位中误差为：
$ {m_p} = \pm \sqrt {{\rm{m}}_s^2 + {{\left( {\frac{{\rm{D}}}{{{{\rm{\rho }}^{''}}}}} \right)}^2}{\rm{m}}_\alpha ^2 + {{\left( {\frac{{\rm{S}}}{{{{\rm{\rho }}^{{\rm{''}}}}}}} \right)}^2}{\rm{m}}_\beta ^2} $
(2) 对于同一监测点，两次测量的仪器和方案相同，则该点两周观测的点位之差的中误差为
${m_\Delta } = \sqrt 2 {m_p} $ ，该点由测量误差引起的坐标限差为$2\sqrt 2 {m_p}$ , 每个监测点需满足变形量小于该限差值。最后与初始坐标做叠置分析，得出各测试点的本期变形值和累计变形。最后由数据处理工作站的PC端分别设置对接受端和发送端的IP地址，通过路由器或者插入移动SIM卡的GPRS DTU通讯模块，选择适当的波特率和数据传输位数，实现数据从平台至云端服务器的传输。系统内数据管理模块设置为工程管理人员提供工程地理、地质、周边环境及监测数据管理与科室化查询。监测结果上传服务器后，不同客户端登录监测平台，可以访问且只能访问被授权的资源。
AutoMos所连接的监测平台可直观体现5号线各车站的分布情况、工程信息及各区域其监测数量、预警数量、报警数量。5号线地铁基坑工程项目查询如图 6，工程编号、工程名称、工程地址、监测单位信息均包含其中。各测点的测量日期、测量变化值、累积变化值、变化速率记录在内，位移—时间曲线也自动生成，并显示是否报警，如图 7所示。
为满足工程监测信息及时发布的需求，系统中设置有快速生成报告和预警信息反馈等功能。快速生成报告模块：系统通过数据处理，嵌套既有报告模板，生成各种周报、月报，所有报表数据能打印预览，并支持文件导出，如图 8所示。当监测数据异常时，系统则以手机短信的方式反馈给程序内已输入的管理人。
3.2 自动化监测数据分析
3.2.1 基坑围护结构水平位移变形分析
基坑围护结构水平位移变形自动化监测与人工监测点位基本相同，在基坑开挖连续墙水平位移自动化监测点位附近布设传统的水准监测网。获得ZQT2、3、7、9四点在基坑开挖时单次自动化监测与相应的人工监测点围护结构深层水平位移成果对比，如图 9所示。
(1) 实线表示各测点围护结构水平位移自动化监测结果，虚线表示相应的人工监测的数据结果。监测结果在基坑中部位置呈现“弓”型，局部有锯齿状变化趋势[11]。主要由于围护结构所受荷载主要来自于基坑外侧的压力，盖挖法无内支撑架设，基坑开挖实际为卸载的过程，作用于围护结构上的土压力随深度变化对其变形有较大影响。
(2) 各层ZQT2~9测斜处围护结构最大水平位移累计绝对值分别为5.86mm、3.05mm、7.32mm，6.33mm。与一明挖基坑工程测斜点变化趋势不同的是，由于盖挖逆作法施工各测点围护结构顶端变形受到基坑顶板的刚度限制，仅产生较小的累计水平变形，变形值分别为-0.851mm、-0.844mm、-6.016mm、2.67mm，各测试点的累计变形值均未超过规范允许的范围。此外，AutoMoc自动化监测结果比人工监测的结果稍大一些，二者监测点位所反映出的围护结构变形趋势基本一致，说明自动化监测的结果真实有效，可正确反映围护结构变形情况。
3.2.2 建筑物沉降分析
提取获得靠近隧道右侧的自动化房屋沉降监测点数据，根据房屋与左、右线隧道中线的距离，比较各测点累计沉降值如表 1所示，绘制得到监测点到隧道中线距离h-沉降值Δh变化曲线，如图 10所示。
表 1 房屋点到隧道中线距离与累计沉降比较监测点 到左线中线
距离(m)累计值 到右线中线
距离(m)累积值 A1-1 12.05 -4.38 2.21 -2.11 A1-2 10.35 -3.02 26.55 -0.90 A1-3 7.25 -5.22 24.85 -1.13 A1-4 6.15 -4.60 21.75 -0.87 A1-5 5.45 -7.22 20.65 -2.43 A1-6 4.95 -6.78 19.95 -1.36 A1-7 9.35 -3.67 19.45 -1.123 A1-8 22.65 -0.87 23.85 -0.34 A1-9 22.45 -1.76 37.15 0.23 A1-10 20.85 -0.32 35.35 1.85 A1-11 19.65 1.11 34.15 -1.32 A1-12 19.35 -1.70 33.85 -1.32 A1-13 18.75 -1.99 33.25 -1.23 根据房屋点到隧道中线距离与累计沉降的数据，拟合得到房屋监测点到左右线隧道中线距离与累计沉降的关系曲线，二者呈良好的线性关系，相关系数均大于0.82，有区别与高斯曲线中出现的沉降槽。拟合曲线具体表达式分别为：
$\Delta h = 0.322h - 7.54$
(3) $ \Delta h = 0.063h - 2.55 $
(4) 其中，Δh为沉降值，h为监测点到隧道中线的距离。从拟合曲线分析发现，左线的影响范围范围更宽，且左线拟合直线的斜率要大于右线，单位距离的沉降变化更快。该建筑物沉降受到盾构左、右线掘进的影响，其累计沉降结果始终保持在8mm内，累计沉降值在允许值范围内[11]。
基坑开挖期间，建筑物监测点A1-1~A1-12自动化监测沉降值如图 11所示。建筑物远离基坑一侧A1-1~A1-6监测点累计沉降分别为-1.92mm、-3.34mm、-1.44mm、-1.13mm、-0.21mm、-0.13mm，靠近基坑一侧A1-7~A1-12监测点累计沉降分别为-2.59mm、-2.60mm、-4.55mm、-1.26mm、-7.52mm、1.16mm。受到基坑开挖的影响，靠近基坑的一侧累计沉降更大。
3.2.3 高架桥墩沉降分析
获得万家丽车站南区基坑全面开挖至负二层，南区第二个出入口开挖至负二层，北区全面开挖至负三层阶段，万家丽桥墩各监测点沉降变形曲线，如图 12所示。
由图 12可知，桥墩竖向沉降发生时间主要集中在2017年10月22日至2018年1月10日，此期间北区基坑开挖至负三层，南区基坑开挖至负二层，其中北区负三层完成了底板浇筑。北区靠近基坑边马路桥墩监测点Q17、Q18累计沉降分别为-5.79mm、-7.01mm，Q21、Q22累计沉降分别为：-6.35mm、-4.84mm，直到底板浇筑完成变形沉降逐渐稳定。产生桥墩沉降的主要原因归纳为以下几点：1)靠近基坑边围护结构产生的内侧变形引起的不均匀沉降；2)北区基坑完成开挖后，实现了土体的卸载，基坑底部隆起引发外侧土体围绕地连墙肢底产生基坑内变形；3)坑内降水引起坑外水位下降，基坑外侧附加应力增大，基桩周围土体产生固结沉降。在基坑关键开挖阶段，通过自动化监测对桥梁沉降变形进行实时监测，防止施工干扰对桥墩产生二次变形影响[12-13]。
3.2.4 既有车站立柱沉降分析
获得基坑开挖时，LZ1~LZ8既有车站立柱沉降变化曲线，如图 13所示。
由图 13可知，在北区基坑开挖至负三层，南区基坑开挖至负二层时，受到开挖后周边土体的固结变形和偏压荷载的影响，靠近北区基坑南端的LZ4既有车站立柱沉降在2017年7月4日前后沉降变形逐渐增加，累计沉降值达到-4.10mm，到负一层底板浇筑完成后逐渐稳定。其他监测点沉降值始终保持较小的变化范围。
4. 结论
本文以长沙地铁五号线万家丽广场站基坑施工为研究背景，首次采用基于AutoMos自动化监测系统对地铁基坑开挖时的围护结构、周边建筑物、既有高架桥墩、既有车站立柱等沉降变形进行了数据采集和分析，获得了临近基坑开挖对周边环境沉降变形的发展规律。基于AutoMos的自动化监测系统在长沙地铁的首次应用，不但可及时、有效、快速获得基坑开挖过程中的各项监测数据，反映基坑开挖对周边环境的安全影响，还能为地铁施工信息化的推广提供有效的工程实例，具有重要的应用价值和现实意义。主要结论如下：
(1) 基坑开挖时，围护结构距离基坑中部的位置呈现“弓”型，局部有锯齿状的变化趋势，围护结构上的土压力随深度变化对其变形影响较大。对比传统围护结构测斜监测与AutoMos自动化监测结果，围护结果变形趋势一致，验证了自动化数据结果真实有效。
(2) 房屋沉降监测点到左右隧道中线距离与房屋累计沉降曲线呈线性变化，左线掘进影响范围更宽，单位距离的沉降变化更快，建筑物受到左、右线掘进影响，累计沉降结果在8mm内，累计沉降和单次沉降值均在规范允许范围内。
(3) 通过自动化监测系统对南、北基坑分别开挖至负二层、负三层时既有桥墩沉降进行持续数据采集，靠近北即可南端的Q17、Q18监测点累计沉降分别为-5.79mm、-7.01mm，Q21点累计沉降最大达到-6.35mm，直至底板浇筑完成桥墩沉降趋于平稳。受到开挖后周边土体的固结变形和偏压荷载的影响，靠近北基坑的既有车站立柱沉降监测点LZ4随基坑开挖沉降变形增大，直至负一层底板浇筑后趋于稳定。
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表 1 房屋点到隧道中线距离与累计沉降比较
监测点 到左线中线
距离(m)累计值 到右线中线
距离(m)累积值 A1-1 12.05 -4.38 2.21 -2.11 A1-2 10.35 -3.02 26.55 -0.90 A1-3 7.25 -5.22 24.85 -1.13 A1-4 6.15 -4.60 21.75 -0.87 A1-5 5.45 -7.22 20.65 -2.43 A1-6 4.95 -6.78 19.95 -1.36 A1-7 9.35 -3.67 19.45 -1.123 A1-8 22.65 -0.87 23.85 -0.34 A1-9 22.45 -1.76 37.15 0.23 A1-10 20.85 -0.32 35.35 1.85 A1-11 19.65 1.11 34.15 -1.32 A1-12 19.35 -1.70 33.85 -1.32 A1-13 18.75 -1.99 33.25 -1.23 
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