北京地铁沉降监测方法及数据处理

北京地铁沉降监测方法及数据处理摘要:北京是轨道交通工程在建项目最多的城市,沉降监测对地铁工程的安全施工有着重要意义,同时监测数据能够直接用来评价地铁施工对地表环境的影响。本文重点论述了北京地铁沉降监测的方法与技术要求,介绍了所用仪器数据文件的格式,详述了数据处理和统计分析。最后,文章给出了变形预报分析的数学方法,并说明了其现实意义。关键词:沉降监测;数字水准仪;数据处理1引言北京是一个国际化的大都市,人口与车辆的增多给北京城带来了很严重的交通问题。随着2008年奥运会的日趋临近,解决这个问题就显得越来越紧迫。轨道交通是解决日益恶化的城市交通问题的一个主要手段。然而,在人口密集、建筑设施密布的城市中进行轨道工程施工,由于岩土开挖不可避免地产生对岩土体的扰动并引起洞室周围地表发生位移和变形,当位移和变形超过一定的限度时,势必危及周围地面建筑设施、道路葙地下管线的安全。因此,研究城市轨道工程开挖过程中地表沉降的有效控制问题,对于地表环境保护及轨道工程的安全施工都具有十分重要的意义。2沉降基准点和沉降监测点的布设与观测从2005年3月开始,我们开始对北京地铁四号线某标段(车站)的沉降监测工作,预计该标段的土建施工工作和监测工作将于2006年底结束。监测仪器使用TrimbleDiNi12数字水准仪,监测内容包括建筑物沉降监测和地表沉降监测。沉降监测控制网采用地铁四号线的高程控制网。水准基点与工作基点的联测采用一等水准观测,起初开始观测时,一个月复测一次,三个月以后每三月观测一次。遇跨雨季等特殊情况增加观测次数,以判定工作基点的稳定性。工作基点均位于沉降影响范围外的已稳定的永久性建筑物上。2·1监测点布设主要要点1)监测点布设的范围为地铁结构外沿30m内,但在车站主体结构施工地段,地铁结构外沿50m范围内的重点建(构)筑物也应监测。2)地表沉降监测应尽量和施工单位监测同点量测,同时要注意和施工单位量测的时间也应一致(同天量测),以进行监测数据的比对和校核。3)由于此地铁属于盖挖车站,原则上沿线路走向上每40m布设一个地表沉降测点,布设3排;车站中线一排,区间线路延长线各一排。4)建筑物沉降监测点一般布设在3层以上(含3层)的永久建筑物上,但对于3层以下的重要建筑物(如具文物性质的建筑物)也应布设沉降监测点。沉降测点要布设在建(构)筑物主体结构的角点、中点和承重墙上,(如图1,2所示)。2·2监测技术要求及观测方法沉降观测精度等级的确定,根据各监测内容的定精度(式中ms———沉降量S的观测中误差;mΔs———沉降差Δs的观测中误差;QH———网中最弱观测点高程H的权倒数;Qh———网中待求观测点间高差h的权倒数),参考国际测量工作者协会(FIG)于1981年第16届大会提出的常用取值方法,即:为实用目的,观测值中误差不应超过变形允许值的1/26~1/10。结合《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》,本次沉降监测网采用国家二等水准测量方法,即:相邻基准点的高程中误差≤0.5mm,观侧点的高程中误差≤1.0mm。各项观测限差为:1)附合或环线闭合差≤0.5(mm)(n为测站数)2)视线长度≤5m、前后视距差≤1.0m、前后视距累积差≤3.0m。观测顺序和方法如下:1)往测时,奇数站照准标尺为后前前后(BFFB),偶数站照准标尺为前后后前(FBBF)。2)返测时,奇、偶数站照准标尺的顺序分别与往测偶、奇数站相同。3)分别利用两工作基点起算,采用闭合水准路线观测监测点。盖挖法施工车站监测频率表:(×标段×站)3沉降观测的数据处理3·1TrimbleDiNi12的数据格式TrimbleDiNi12使用两种记录数据模式,一种模式记录测量原始数据(RM),另一种模式记录计算数据(RMc)。同时,DiNi12有两种数据格式(与记录模式不是同一个概念),一种是RECE(M5),另一种是REC500,RECE(M5)和REC500格式都可用于记录和传输数据,但RECS00记录的信息量少。RM模式下的数据仅记录了测量读数的标准差,这样情况下不可以进行线路平差,作业时应避免这种情况,表1为M5格式说明表。RECE(M5)数据格式:RECE(M5)格式的数据行包含121个字符,总的数据以这个数据乘以地址行数而存在项目文件中。字符119为空格,接下来的字符120、121为回车符(CR)、换行符(LF)。空格字符在RECE(M5)格式中是重要的,不能被删除。3·2监测成果与变化分析可以统计出每次监测点的沉隆量,MicrosoftExcel提供了丰富的统计函数功能,再结合自编的程序,可以轻松制作出沉降量周报报表(见表2)。2)沉隆量曲线图图表具有较好的视觉效果,可方便用户查看数据的差异、图案和预测趋势。在沉降量曲线图中,可以直接查看到最小沉降点和最大沉降点,当沉降趋势较明显时,可引起用户的注意。我们利用MicrosoftExcel的图表功能自动生成沉降量曲线图,在Excel中,图表是和数据表相链接的。横坐标以观测时间为单位,纵坐标以沉降量为单位,坐标刻度以2mm为主要刻度,这样足以反映出大于2mm的沉降量(见图3)。3)变形预报和安全判断1)沉降量报表北京地铁四号线第三方监测在主体结构施工阶段是一周一次,根据各次变形监测点的高程数据,可以统计出每次监测点的沉隆量,MicrosoftExcel提供了丰富的统计函数功能,再结合自编的程序,可以轻松制作出沉降量周报报表(见表2)。在考虑施工进度(主要是隧道开挖进度)和监测点沉降量统计分析的基础上,采用数值分析中的线性内插法来推算时域外的变形值。因为外推预报值时使用最近的两次监测值,对于连续下沉的监测点有简单实用的优点。yi+1=yi-1+(yi-yi-1)·(ti+1-ti-1)/(ti-ti-1)式中:y—沉降量;t—时间。沉降观测数据为地铁安全施工提供一个重要依据,因而具有十分重要意义。监测项目中建(构)筑物沉降、裂缝,地表沉降,直接用来评价地铁施工对周边环境的影响程度。从我们前期的监测数据显示来看,车站1#风道采用暗挖法,设置在地铁车站1#风道附近的监测点和地面上的监测点整体沉降量较大,这与施工进度相关,同时也说明了我们的作业方法良好。根据设计单位要求,建筑物点的累积沉降限值为±20mm,地面点的累积沉降限值为±25mm,当沉降量接近限值时,则及时向业主及相关部门汇报情况,并同施工单位共同分析原因,以便采取处理措施。每次监测点沉降量大于2mm的,要在报告中加以说明并进行回归分析,对变形趋势进行预测预报。4结束语1)监测仪器操作简单,精度高,读数客观,能对同一测站两次高差之差超限发出警告,测量数据全部存储在PCMCIA卡,便于计算机处理。2)变形预报采用线性内插法的变换形式来外推预报值,在短期内较回归分析更具现实意义,从数学方法上来说,短期内的一元线性回归方程与线性内插公式的变换形式基本等效。3)沉降量曲线图能较沉降量报表直观地反映监测点的变化情况,可以预测监测点变化趋势,以便及时将信息反馈至监测管理单位。此外,每月要对施工地段巡察至少一次,确保沉降影响范围内的建筑物及地面没有异常情况,没有出现裂缝、裂纹。参考文献[1]北京勘察技术公司.北京地铁四号线第三方监测实施大纲.2005.[2]地下铁道、轻轨交通工程测量规范(GB50308-1999).中国计划出版社.2000.[3]胡伍生,潘庆林,黄腾.土木工程测量手册.人发交通出版社.2004,10.[4]天宝.DiNi12说明书.[5]周祖渊.电子数字式水准仪的性能及测量原理.重庆交通学院学报.2005,2.[6]李刚,徐鹏,张伟娜.高精度电子水准仪在煤仓沉降观测中的应用.工程地球物理学报.2004,12.