1、运营期地铁隧道沉降监测数据处理自动化摘要：以 Visual Basic 6.0 和 SQL Server 数据库为工具，设计开发了地铁隧道沉降监测数据处理软件 TSMDPS。TSMDPS 通过与电子水准仪串口对接导入数据、水准线路闭合环自动识别功能，实现了数据处理自动化，提高了数据处理效率；适用于地铁、穿山隧道、高架桥等狭长型线路的沉降监测，供类似工程借鉴。 关键字：运营期；地铁；沉降监测；数据处理；自动化 中图分类号：U45 文献标识码：A 随着经济的发展，越来越多的城市开始兴建地铁工程。地铁建造在地质复杂、道路狭窄、地下管线密集、交通繁忙的闹市中心，其安全问题不容忽视；因此，隧道结构沉降监
2、测是地铁施工期和运营期的一项长期任务。由于观测周期短、时间长、数据量大，给内业数据处理带来巨大困难，导致工作效率低下。根据地铁沉降监测网的布设特点开发的数据处理软件，可以轻松完成繁琐的内业数据处理，大大提高处理效率。 1、监测网的布设特点与施测方法 地铁隧道的结构特性，决定了地铁往返隧道只有在地铁站处相互连通；为了提高地铁沉降观测的精度、可靠性，水准线路在地铁站处构成闭合环，基准点、工作基点和监测点组成了一个锁链状沉降监测网，监测网网形如图 1 所示。监测网由基准点、工作基点和监测点组成。在对其地铁隧道沉降监测中，考虑到地下车站结构体较大，相对隧道要稳定的多，且便于对隧道沉降监测，通常在每座地
3、下车站内左线和右线位置分别设立 1 个工作基点1。区间隧道沉降的监测点布设在道床的两轨之间，一般间隔 5060m 设一个点，地质条件差或地下水丰富的区段需加密。基准点为隧道线路两端远离测区且地质情况良好的国家一、二等水准点（如图 1 中 CP01、CP02） 。 图 1 沉降监测网示意图 由于监测点是根据地铁结构、地质条件布设，间距不等，为此，另行布设仅包括基准点、工作基点，网形如同沉降监测网的沉降监测基准网。每期隧道变形监测前，首先采用国家一等水准技术要求对基准网施测，用以分析工作基点的稳定性；然后，按图 1 所示进行隧道结构沉降观测。 2、监测数据处理 2.1 闭合环的自动识别 计算水准网
4、的环闭合差是水准网数据检核的重要手段。如果采用人工作业进行闭合环的寻找，大量的测量数据不仅导致工作繁琐，降低效率，而且易于出错。结合工作实践，充分考虑各种数据情况细节的基础上，结合图论相关知识，实现闭合环的自动化识别。闭合环的自动化识别，关键是线路连接点的识别与测段的方向调整。 为叙述方便，将处于水准线路节点上的监测点称为节点（如图 1 中L1） ，水准线路其他中间点称为过渡点。闭合环自动识别的两个前提条件是：水准线路中各测段必须起始、结束于基准点、工作基点或节点。左右线监测点点名分别按里程或序数累加进行命名。 结合图论知识，将水准网“图”化，也就是将其“矩阵”化，即把水准线路有序的保存在数组
5、中。观测数据中，根据节点三向连接这一特性，将水准线路中节点找出，如图 1 中，L1、L2、R1、Rn 即为节点；由于水准线路节点点名具有特定次序，节点相对位置就已确定。随着节点的确定，水准线路中闭合环总数以及每个闭合环相对应的节点也就被确定。 2.2 稳定性分析与平差 地铁隧道结构沉降监测基准网是由基准点和工作基点组成，基准点一般远离监测区域，并且隧道线路较长，用固定基准点反而不利于监测基准网的稳定性分析。此外，地铁隧道结构的变形主要关注的是隧道相对于车站的位移，而地下车站结构体较大，相对隧道要稳定得多；因此，将车站内的所有工作基点组成监测基准网，进行基准网稳定性分析，然后对监测网平差，有效保
6、证监测结果的精度与稳定性。 基准网稳定性分析有平均间隙法、稳健迭代权法、数据探测法及单点位移分量法2等。针对地铁结构的特殊性，基准网的稳定性分析普遍采用平均间隙法。假设对监测基准网的第 i 期与第 j 期做检验，首先将这两期观测数据按同一基准分别平差后，求出各工作基点高程变化值,可得到单位权方差估值 （1） 式中，为独立的个数；为独立的权阵，且。 两期观测的单位权方差经同一性检验后，可求得综合方差估值 （2） 式中，为观测值改正数列矩阵；为观测值改正数权矩阵；为第期和第期多余观测总数。组成统计量 （3） 式中，为一个以自由度和的分布变量。对网图形的一致性检验，若，则接受原假设，表明监测基准网点
7、都是稳定的，其高程变化是由观测误差引起的；反之，则认为网中存在变动点。 如果基准网中存在动点，往往可通过分块间隙法、限差检验法和检验法（本文不对三种方法进行详述）探寻网中的动点；然后对基准网动点进行高程修正；最后，采用符合平差，计算出各监测点本期高程，获得该点沉降量。 3、程序实现及计算实例 3.1 程序实现 以 Visual Basic 6.0 和 SQL Server 数据库为工具，设计开发地铁隧道沉降监测数据处理软件 TSMDPS。根据图论原理，通过 Visual Basic代码实现水准网闭合环的自动搜寻及测段区分；通过数据库存储基准点、工作基点及监测点信息，其数据就不体现了。 3.2
8、计算实例 某市地铁西延线是一号线的西延工程，线路全长 4.82km，其中地下隧道长 3.93km，设有三座地下车站。于 XXXX 年 9 月开始对隧道底板做沉降监测，每期观测后，首先对基准网进行经典平差，计算出工作基点的高程；然后，采用平均间隙法，以当期与首期两期观测做检验进行工作基点稳定性分析，若存在不稳定点，则通过分块间隙法确定变动点，然后对变动基准点进行高程修正。高程修正后，对隧道结构沉降监测网进行符合平差，获得各监测点本期高程观测值；通过与以上各期观测高程数据分析，获得累计沉降量、本本期沉降量、沉降速率及挠度等隧道沉降指标，便于对运营期地铁隧道安全性的监控。具体程序实现过程如图1、图
9、2、图 3 所示。 为验证程序基准网稳定性检验与平差计算的正确性，将 TSMDPS 与南方平差易处理结果相比，部分监测点平差后高程对比结果见表 4。对比结果表明：平差后高程最大相差为 0.13mm，表明程序计算精度达到经典平差程序精度标准，满足实际工作中对计算精度的需要。 表 4 平差后高程对比表 4、结论 （1）通过与南方平差易、科傻平差系统平差计算结果对比表明：开发的地铁隧道沉降监测数据处理软件有足够的精度与可靠性。 （2）通过图论原理，基于水准仪观测文件格式，实现水准线路闭合环自动识别功能，大大提高了内业数据处理效率；同时，软件减少了数据处理中格式转换等过多的认为干预，相应减少了数据处理中的人为错误；可为类似工程提供借鉴。 （3）针对各类监测的特殊性，往往通用平差软件没有很好的适用性，地铁隧道沉降监测数据处理软件可为我们提供一个很好的解决途径：针对各类监测的特殊性，编写特定的数据处理程序，可使我们在工作中达到事半功倍的效果。 参考文献： 1黄腾,孙景领等.地铁隧道结构沉降监测及分析J.东南大学学报,2006,36(2). 2孙景领.地铁结构沉降监测及分析D.河海大学硕士学位论文,2006.
