一种穿越既有地铁线路工程自动化监测预警方法

摘要

本发明提供一种穿越既有地铁线路工程自动化监测预警方法，包括如下步骤：步骤S1、确定垂直于新建隧道轴线方向的施工影响范围；步骤S2、根据既有隧道和新建隧道的相对位置关系及土体的加权平均摩擦角确定监控分区；步骤S3、根据监控分区设定自动化监测项目,所述自动化监测项目包括对地表沉降进行监测、对地层情况变化进行监测、对既有隧道结构沉降进行监测；步骤S4、根据监控分区来确定所述自动化监测项目监测频率和控制值；本发明及时掌握施工关键参数的动态变化情况，有助于控制施工风险，满足信息化施工的要求。

权利要求

1.一种穿越既有地铁线路工程自动化监测预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、确定垂直于新建隧道轴线方向的施工影响范围；

步骤S2、根据既有隧道和新建隧道的相对位置关系及土体的加权平均摩擦角确定监控分区；

步骤S3、根据监控分区设定自动化监测项目,所述自动化监测项目包括对地表沉降进行监测、对地层情况变化进行监测、对既有隧道结构沉降进行监测；

所述步骤S3中对地表沉降进行监测利用摄影测量技术，对地层情况变化进行监测利用土体分层沉降和地下水位自动化监测技术，对既有隧道结构沉降进行监测利用自动化静力水准监测；

所述摄影测量技术包括摄影相机和地面测点标靶，所述地面测点标靶的阵列设置于既有隧道上方的地面上，所述摄影相机设置于地面测点标靶的阵列中的对角；

所述新建隧道轴线两侧宽度为b/2+X2的纵向区域作为第一分区，所述第一分区两侧的两列地面测点标靶对应的纵向区域作为第二分区，所述第二分区的宽度为X3，所述第二分区两侧到施工影响范围边缘的纵向区域作为第三分区；若新建隧道拱顶埋深小于3倍新建隧道毛洞跨度，X2=0.7h，X3=0.3h，h为新建隧道底板埋深；若新建隧道拱顶埋深大于等于3倍新建隧道毛洞跨度，X2=b，X3=b，其中b为新建隧道毛洞跨度；

步骤S4、根据监控分区来确定所述自动化监测项目监测频率和控制值。

2.根据权利要求1所述的一种穿越既有地铁线路工程自动化监测预警方法，其特征在于，所述步骤S2中的监控分区分为强烈影响区、显著影响区及一般影响区。

3.根据权利要求2所述的一种穿越既有地铁线路工程自动化监测预警方法，其特征在于，所述强烈影响区的范围划分由土体加权平均内摩擦角推导，强烈影响区的长度方向上的边缘顶点与邻近的既有隧道两侧切点角度为45°+φ/2，其中φ为土体加权平均内摩擦角。

4.根据权利要求2所述的一种穿越既有地铁线路工程自动化监测预警方法，其特征在于，所述显著影响区的长度X1由有限元评估结果推导，起点为掌子面掘进引起临近隧道沉降达到最大沉降1/10处。

5.根据权利要求1所述的一种穿越既有地铁线路工程自动化监测预警方法，其特征在于，所述地面测点标靶的阵列中包括与既有隧道横截面轴线对应的第一列横向标靶，所述第一列横向标靶外侧设有第二列横向标靶，所述第一列横向标靶与第二列横向标靶之间间隔d/2+9，其中d为既有隧道的外径，所述第一列横向标靶与第二列横向标靶的地面测点标靶在纵向上一一对应。

6.根据权利要求1所述的一种穿越既有地铁线路工程自动化监测预警方法，其特征在于，所述土体分层沉降和地下水位自动化监测技术为将多组自动化水位监测装置及土体分层沉降监测装置设置于新建隧道轴线上方土体，靠近既有隧道的自动化水位监测装置及土体分层沉降监测装置与既有隧道在水平方向相距9m，所述既有隧道两侧的自动化水位监测装置及土体分层沉降监测装置之间间隔为d，其中d为既有隧道的外径。

说明书

一种穿越既有地铁线路工程自动化监测预警方法

技术领域

[0001] 本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及为一种穿越既有地铁线路工程自动化监测预警方法。

背景技术

[0002] 新建矿山法隧道在复杂条件下穿越既有地铁线路，此类工程风险高、难度大，稍有不慎将导致严重的生命与财产损失，继而带来重大的负面社会影响。因此，必须通过周密的
监测预警方法，掌握施工过程中关键参数的动态变化，及时对潜在风险进行预警，保证项目
的顺利实施。然而由于此类项目的高风险性及复杂条件的高敏感性和不确定性，目前常规
的矿山法隧道施工监测预警方法存在以下不足：

[0003] 1.必测项包括：地质地物观察、拱顶下沉、洞内净空及水平收敛、地表沉降、临近建(构)筑物变形及地下水位；未对地层变形直接监测，特别是拱顶下沉项因监测标靶安装需
要只能在初支完成后进行，监测启动严重滞后；

[0004] 2.大量依赖人工操作，需时较长，频率较低：拱顶下沉、洞内净空及水平收敛项最大频率为1天两次，其余必测项最大频率一天一次；无法及时、全面掌握施工过程主要参数
的动态变化，不满足信息化施工的要求；

[0005] 3.未对施工影响范围进行精细化分区监控，且预警指标单一：根据风险管控原则，对于同样的监测值，远场风险源较近场风险源影响更大、风险更高，故对远场风险源的控制
应更严格，而常规方法无法满足分区监测预警的要求。

[0006] 经检索，公开号CN109139112B，公开了一种隧道结构的自动监测系统、自动监测方法及其用途，仅能监测所涉及的监测断面的隧道结构变形，应力变化和震动速度，以及对既
有隧道产生影响的数据，并未对施工影响范围的区域整体沉降、地表及地层沉降直接进行
监测，且监测数据的精度不够，施工关键参数的动态变化情况不能够及时掌握，存在极大的
安全隐患。

发明内容

[0007] 为解决上述技术问题，本发明提供一种穿越既有地铁线路工程自动化监测预警方法，具体的技术方案为：

[0008] 一种穿越既有地铁线路工程自动化监测预警方法，包括如下步骤：

[0009] 步骤S1、确定垂直于新建隧道轴线方向的施工影响范围；

[0010] 步骤S2、根据既有隧道和新建隧道的相对位置关系及土体的加权平均摩擦角确定监控分区；

[0011] 步骤S3、根据监控分区设定自动化监测项目,所述自动化监测项目包括对地表沉降进行监测、对地层情况变化进行监测、对既有隧道结构沉降进行监测；

[0012] 步骤S4、根据监控分区来确定所述自动化监测项目监测频率和控制值。

[0013] 进一步地，所述步骤S2中的监控分区分为强烈影响区、显著影响区及一般影响区。

[0014] 进一步地，所述强烈影响区的范围划分由土体加权平均内摩擦角推导，强烈影响区的长度方向上的边缘顶点与邻近的既有隧道两侧切点角度为45°+φ/2，其中φ为土体加
权平均内摩擦角。

[0015] 进一步地，所述显著影响区的长度X1由有限元评估结果推导，起点为掌子面掘进引起临近隧道沉降达到最大沉降1/10处。

[0016] 进一步地，所述步骤S3中对地表沉降进行监测利用摄影测量技术，对地层情况变化进行监测利用土体分层沉降和地下水位自动化监测技术，对既有隧道结构沉降进行监测
利用自动化静力水准监测。

[0017] 进一步地，所述摄影测量技术包括摄影相机和地面测点标靶，所述地面测点标靶的阵列设置于既有隧道上方的地面上，所述摄影相机设置于地面测点标靶的阵列中的对
角。

[0018] 进一步地，所述地面测点标靶的阵列中包括与既有隧道横截面轴线对应的第一列横向标靶，所述第一列横向标靶外侧设有第二列横向标靶，所述第一列横向标靶与第二列
横向标靶之间间隔d/2+9米，其中d为既有隧道的外径，所述第一列横向标靶与第二列横向
标靶的地面测点标靶在纵向上一一对应。

[0019] 进一步地，所述新建隧道轴线两侧宽度为b/2+X2的纵向区域作为第一分区，所述第一分区两侧的两列地面测点标靶对应的纵向区域作为第二分区，所述第二分区的宽度为
X3，所述第二分区两侧到施工影响范围边缘的纵向区域作为第三分区；若新建隧道拱顶埋
深小于3倍新建隧道毛洞跨度，X2＝0.7h，X3＝0.3h，h为新建隧道底板埋深；若新建隧道拱
顶埋深大于等于3倍新建隧道毛洞跨度，X2＝b，X3＝b，其中b为新建隧道毛洞跨度。

[0020] 进一步地，所述土体分层沉降和地下水位自动化监测技术为将多组自动化水位监测装置及土体分层沉降监测装置设置于新建隧道轴线上方土体，靠近既有隧道的自动化水
位监测装置及土体分层沉降监测装置与既有隧道在水平方向相距9m，所述既有隧道两侧的
自动化水位监测装置及土体分层沉降监测装置之间间隔为d，其中d为既有隧道的外径。

[0021] 本发明的有益效果：

[0022] 1.在常规监测项目的基础上，利用空天地一体化监测技术对施工影响范围的区域整体沉降、地表及地层沉降直接进行监测；

[0023] 2.补充的监测项目自动化实施、频率及精度高，其中摄影测量技术可全天候动态测量，土体分层沉降自动化监测频率达2小时/次，洞内静力水准自动化监测频率达30分钟/
次，精度均达到毫米级；

[0024] 3.监测频率和控制值根据监控分区精细化设定，及时掌握施工关键参数的动态变化情况，有助于控制施工风险，满足信息化施工的要求。

附图说明

[0025] 图1为本发明中新建隧道监控分区的划分示意图。

[0026] 图2为本发明的地面测点标靶阵列布局示意图。

[0027] 图3为本发明图2中A‑A方向的剖面示意图。

[0028] 图4为本发明图2中B‑B方向的剖面示意图。

[0029] 图5为本发明新建隧道轴线上方自动化水位监测装置和土体分层沉降监测装置安装位置示意图。

[0030] 图中:1、既有隧道；2、新建隧道；3、强烈影响区；4、显著影响区；5、一般影响区；6、地面测点标靶；7、摄影相机；8、第一分区；9、第二分区；10、第三分区；11、自动化水位监测装
置；12、土体分层沉降监测装置。

具体实施方式

[0031] 下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例,本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施
例,都属于本发明保护的范围。

[0032] 在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

[0033] 此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括‑个或者更多个该特征。在本发明的描述中“, 多个”的含义是两个或两个以上，
除非另有明确具体的限定。

[0034] 在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是连接,也可以是可拆卸连接,或成‑‑体；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。

[0035] 如图1至图5所示，一种穿越既有地铁线路工程自动化监测预警方法，包括如下步骤：

[0036] 步骤S1、按《城市轨道交通结构安全保护技术规范》及Peck公式确定垂直于新建隧道2轴线方向的施工影响范围；

[0037] 步骤S2、根据既有隧道1和新建隧道2的相对位置关系及土体的加权平均摩擦角确定监控分区，所述监控分区分为强烈影响区3、显著影响区4及一般影响区5；

[0038] 所述强烈影响区3的范围划分由土体加权平均内摩擦角推导，强烈影响区3的长度方向上的边缘顶点与邻近的既有隧道1两侧切点角度为45°+φ/2，其中φ为土体加权平均
内摩擦角；所述显著影响区4的长度X1由有限元评估结果推导，起点为掌子面掘进引起临近
隧道沉降达到最大沉降1/10处；

[0039] 步骤S3、根据监控分区设定自动化监测项目,所述自动化监测项目包括对地表沉降进行监测、对地层情况变化进行监测、对既有隧道1结构沉降进行监测；

[0040] 所述步骤S3中对地表沉降进行监测利用摄影测量技术，对地层情况变化进行监测利用土体分层沉降和地下水位自动化监测技术，对既有隧道1结构沉降进行监测利用自动
化静力水准监测；

[0041] 步骤S4、监测频率和控制值根据监控分区设定，其中控制值可按规范指导值或根据有限元模拟评估结果通过专家论证取用。

[0042] 所述步骤S3中的自动化监测项目具体实施为：

[0043] 当掌子面位于一般影响区5范围，采用常规(规范指导)监测项目及频率，控制值取规范指导值或专家论证值的60％，专家论证值为有限元安全评估后经专家及参建各方联合
同意的取值；

[0044] 当掌子面位于显著影响区4范围，采用常规监测+自动化监测项目，常规项目频率按规范指导取值，自动化监测频率为4次/天(水位监测为2次/天)，控制值取规范指导值或
专家论证值的80％，监测信息实时接入信息化监测云平台以便远程掌控最新施工情况；

[0045] 当掌子面位于强烈影响区3范围，采用常规监测+自动化监测项目，常规项目频率加密至3次/天或按施工班次调整，自动化项目加密至6次/天(水位为3次/天)，控制值取规
范指导值或专家论证值的100％；启动参建各方责任人实时联动机制，落实信息化施工；

[0046] 掌子面进入强烈影响区3后监测预警，土体分层沉降和水位自动化监测加密至12次/天，既有线洞内静力水准自动化监测加密至48次/天；同时启动参建各方责任人现场24
小时值班机制。

[0047] 所述摄影测量技术包括摄影相机7和地面测点标靶6，所述地面测点标靶6的阵列设置于既有隧道1上方的地面上，所述摄影相机7根据其分辨能力设置于地面适当位置，如
测点标靶6的阵列中的对角，所述地面测点标靶的阵列中包括与既有隧道1横截面轴线对应
的第一列横向标靶，所述第一列横向标靶外侧设有第二列横向标靶，所述第一列横向标靶
与第二列横向标靶之间间隔d/2+9米，其中d为既有隧道1的外径，所述第一列横向标靶与第
二列横向标靶的地面测点标靶在纵向上一一对应，所述新建隧道轴线两侧宽度为b/2+X2的
纵向区域作为第一分区8，所述第一分区8两侧的两列地面测点标靶6对应的纵向区域作为
第二分区9，所述第二分区9的宽度为X3，所述第二分区9两侧到施工影响范围边缘的纵向区
域作为第三分区10；若新建隧道2拱顶埋深小于3倍新建隧道2毛洞跨度，X2＝0.7h，X3＝
0.3h，h为新建隧道2底板埋深；若新建隧道2拱顶埋深大于等于3倍新建隧道2毛洞跨度，X2
＝b，X3＝b，其中b为新建隧道毛洞跨度。

[0048] 所述土体分层沉降和地下水位自动化监测技术为将多组自动化水位监测装置11及土体分层沉降监测装置12设置于新建隧道2轴线上方土体，靠近既有隧道1的自动化水位
监测装置11及土体分层沉降监测装置12与既有隧道1在水平方向相距9m，所述既有隧道1两
侧的自动化水位监测装置11及土体分层沉降监测装置12之间间隔为d，其中d为既有隧道1
的外径。

[0049] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对发明专利范围的限制，应当指出的是，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若
干改进以及变形，这些都属于本发明的保护范围。