广州地铁沉降监测方法及数据处理
摘 要：广州是轨道交通工程在建项目较多的城市, 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。重点论述了广州地铁沉降监测的方法与技术要求, 阐述了数据处理和统计分析；并给出了变形预报分析的数学方法, 说明了其现实意义。
关键词：沉降监测; DSZ 精密水准仪; 数据处理; 统计分析
广州是一个国际化的大都市,人口与车辆的增多给广州带来了很严重的交通问题。随着 2010 年亚运会的日趋临近, 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。
1 工程概况
本工程黄埔大道顶管施工段横跨黄埔大道与地铁5 号线（东圃站-三溪站地铁段），顶管线路距地铁 5 号线东圃站约 150m，顶管底部距地铁盾构顶弧约 3.2m，顶管从黄埔大道南侧向北侧顶进。考虑到顶管工程地表是黄埔大道，下面是已建成地铁（尚未运行），为确保顶管施工过程中不对其产生沉降、裂缝等不良影响，不但要对黄埔大道路面及周围桥墩进行监测，同时还要对地铁内部盾构进行监测。通过对工程环境变化的趋势分析，进行预测预报，掌握在施工中不同工况对周边环境的影响程度，同时根据现场实际情况，科学、合理地调整施工步骤，实现信息化施工管理。
2 沉降基准点和沉降监测点的布设与观测
从 2009 年 1 月开始, 我们开始对广州地铁五号线（东圃站-三溪站地铁段）的沉降监测工作。沉降监测控制网采用地铁五号线的高程控制网。水准基点与工作基点的联测采用二等水准观测。
2.1 基准点的布设与检验
2.1.1 水准基准点埋设
本次监测基准点将沿隧道走向布设两组基准点，编号为 BM1、BM2、BM3、BM4。基准点布设与高程测量按照国标《工程测量规范》(GB50026 － 2007) 中的规定执行，如图 1 所示。
2.1.2 工作基准点布设与检验
工作基准点是直接用于对变形观测点进行观测的控制点，其埋设位置既要考虑到便于观测，又要考虑它的稳定性，因此，本工程工作基准点根据现场实际情况，约设 3 ～ 5 个工作基准点。为检测工作基准点稳定性，根据施工进度情况，拟每一周监测一次，监测时按国家二等水准规范观测的技术要求进行往返观测。工作基点稳定后, 则可每二周监测一次。
2.2 监测点的埋设
1）顶管过地铁区间隧道上、下行线已建好的隧道结构内拱顶剖面沉降监测点。顶管段施工过地铁正上方是区间隧道结构的重大风险源之一，因此加强区间隧道结构拱顶剖面监测工作是控制施工风险的重要环节。根据设计图纸和现场查勘，在东圃东圃站～三溪站区间离东圃站约 150 m 处布设监测点。 东圃站～三溪站区间：
上行线：离东圃站约 150 m 处计划布设 5 个断面每个断面 3 个监测点，断面间距 10m，共计 15 个监测点，编号为 SX1-1-SX1-3 ～ SX5-1-SX5-3；
下行线：离东圃站约 150 m 处计划布设 5 个断面每个断面 3 个监测点，断面间距 10m，共计 15 个监测点，编号为 XX1-1-XX1-3 ～ XX5-1-XX5-3；
2）顶管过地铁区间隧道交叉范围内 20 m 范围内建 (构) 筑物、桥墩等沉降监测。建筑物沉降观测点直接用道钉布设在外墙角、门窗边角、立柱等突出部位，桥梁，工业厂房监测点宜布置在独立柱基上，圆形、多边形的建（构）筑物宜沿纵横轴线对称布置；并随上述地面沉降监测点同方法、同线路、同时观测。
对于年代久远、保护建筑，测点布设应根据建筑物的结构情况、基础形式、年代远近酌情而定。必要时在施工前需会同施工部门在隧道沿线重要建筑物巡视、观察，若发现先期明显裂缝，应采取贴石膏饼的方法观测裂缝的后期变化，必要时拍照存档。
桥墩监测点 (Q1-Q6) 布设 6 个，路面沉降（D1-D8）布设 8 个。埋设：用冲击钻成孔直接将直径 1cm 长约 8cm ～10 cm 的道钉敲在建筑物的四角（拐角）处，道钉伸入建筑物墙体不少于 4 cm，并使其牢固，然后用油漆标好记号。
3）黄埔大道路面沉降监测点（CJ1-CJ8）。在顶管段推进施工时，为了解各个施工对外侧土体的扰动影响，沿顶管轴线走向布设沉降点。在沥青道路且车辆不经过的地方，可直接用道钉埋入地面，其顶部突出地面 5 mm 以下。在软土质区，首先用小钻机破土层，开一个直径不小于 13cm（便于标尺放入）的孔，用铁锤将不短于 30 cm 的钢筋敲入土层（注意地下管线埋深），钢筋顶部应低于路面 3 cm ～ 5 cm，钢筋周围用砼加固。
2.3 监测仪器与方法
测量仪器：采用 DSZ2 精密水准仪及相应的铟瓦水准标尺。
测量方法：起算采用假定高程。观测时采用水准闭合测量（对非闭合线路上的测点，从闭合线路引测必须控制在 2 站以内），测量监测点的高程，计算本次变量和累计变量。
在该项目中，沉降监测采用二等水准测量方法，进行闭合路线或往返观测。作业要求如下：
1) 水准每站观测高程中误差 M0 为± 0.3 mm，水准路线，其附合差、闭合差 Fw 为± 0.5mm (N 为测站数)；
2) 垂直位移监测点往返测量两次取平均值作为初始值；
3) 每天工作开始前检查标尺水泡、仪器气泡，发现异常应停止工作检查仪器，改正合格后方可施工；
4) 每次观测前应检查水准仪 i 角, 保证其不大于15″, 否则应先校正到限差范围内，定期对仪器 i 角进行检查；
5) 测站的设置视线长度不得大于 35 m，前后转站点视距差不得大于 1.5 m, 路线转站点视距差累计值不大于 5m；每次观测过程中尽量做到固定人员、固定仪器、固定测站、固定路线，以尽量减小人工和系统误差。
3 沉降监测结果处理和分析
3.1 沉降监测内业计算方法
所有监测数据，都按规范规定要求的各项限差进行控制。内业中，利用合格的外业监测数据，用“平差易”软件计算环线闭合差并按测站数进行平差，准确计算出各点的高程。与第一次和上次监测的较差，即为该点的累计沉降量和本次沉降量。
一个测站的计算和检核：h 中= (h基+h辅-3.0155) /2，后减前 h=h后-h前
闭合差的计算：
Δ=H起点高程+Σ（h后-h前）- H起点高程 (1)
3.2 监测成果与变化分析
1) 沉降量报表。广州地铁五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 1)，由于篇幅有限，本文只对黄埔大道顶管沉降其中的 6 个监测点（CJ1-CJ6）进行分析。
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 Microsoft Excel 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 (T）为单位, 纵坐标以累计变化量（mm）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, 如果监测的数据本次变化量，变化速率，累计变化量超过了报警值，就应该向施工单位发出报警单，采取措施，避免事故的发生 (见图 2) 。
3) 变形预报和安全判断。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) (2)
式中， y 为沉降量; t 为时间。
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, 顶管过地铁区间隧道上、下行线已建好的隧道结构内拱顶剖面沉降监测点整体沉降量较大, 这与顶管施工进度相关, 同时也说明了我们的作业方法良好。根据设计单位要求, 确定报警值。①路面沉降：累计变形范围＋ 10 mm ～－ 35 mm，速率≤3 mm/天。②桥墩沉降：累计变形范围＋ 8mm ～－ 8mm，速率≤1mm/天。③盾构沉降：累计变形范围＋ 5mm ～－ 5mm，速率≤1mm/天。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。对于顶管路面每次监测点沉降量大于 3mm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 语
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。当然，还可以对监测的数据进行时间序列分析模型和灰色理论模型进行预测，从而预测未来建筑物和地面点等下降的趋势，从而避免不必要事故的发生。
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。
当监测变形值接近或达到极限 (报警值) 时, 要充分考虑施工的实际情况, 进行综合分析, 及时准确地把握地铁周围的建筑物、顶管和地面点的变化趋势,提出切实可行的对策, 以超前意识全面地指导施工, 使重大建筑工程保质、保量、安全地顺利实施。
参考文献
[1] 黄生享，尹辉.变形监测数据处理［M］. 武汉：武汉大学出版社，2003
[2] 陈永奇，吴子安.变形检测分析与预报［M］. 北京：测绘出版社，1998
[3] 邹积亭，江恒彪. 北京地铁沉降监测方法及数据处理 [J].工程勘察，2006（1）：35-37
[4] 于来法. 地下铁道建设的第三方环境变形监测[J].测绘通报，2004（7）：55-59
[5] 王正晓, 刘保信, 张晓春,等. 深基坑变形监测浅析[J].测绘通报，2000（6）：18-22
[6] 郝哲. 韩家岭隧道监测数据的时序分析方法[J]. 地下空间，2004（7）：122-126
广州地铁沉降监测方法及数据处理
摘 要：广州是轨道交通工程在建项目较多的城市, 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。重点论述了广州地铁沉降监测的方法与技术要求, 阐述了数据处理和统计分析；并给出了变形预报分析的数学方法, 说明了其现实意义。
关键词：沉降监测; DSZ 精密水准仪; 数据处理; 统计分析
广州是一个国际化的大都市,人口与车辆的增多给广州带来了很严重的交通问题。随着 2010 年亚运会的日趋临近, 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。
1 工程概况
本工程黄埔大道顶管施工段横跨黄埔大道与地铁5 号线（东圃站-三溪站地铁段），顶管线路距地铁 5 号线东圃站约 150m，顶管底部距地铁盾构顶弧约 3.2m，顶管从黄埔大道南侧向北侧顶进。考虑到顶管工程地表是黄埔大道，下面是已建成地铁（尚未运行），为确保顶管施工过程中不对其产生沉降、裂缝等不良影响，不但要对黄埔大道路面及周围桥墩进行监测，同时还要对地铁内部盾构进行监测。通过对工程环境变化的趋势分析，进行预测预报，掌握在施工中不同工况对周边环境的影响程度，同时根据现场实际情况，科学、合理地调整施工步骤，实现信息化施工管理。
2 沉降基准点和沉降监测点的布设与观测
从 2009 年 1 月开始, 我们开始对广州地铁五号线（东圃站-三溪站地铁段）的沉降监测工作。沉降监测控制网采用地铁五号线的高程控制网。水准基点与工作基点的联测采用二等水准观测。
2.1 基准点的布设与检验
2.1.1 水准基准点埋设
本次监测基准点将沿隧道走向布设两组基准点，编号为 BM1、BM2、BM3、BM4。基准点布设与高程测量按照国标《工程测量规范》(GB50026 － 2007) 中的规定执行，如图 1 所示。
2.1.2 工作基准点布设与检验
工作基准点是直接用于对变形观测点进行观测的控制点，其埋设位置既要考虑到便于观测，又要考虑它的稳定性，因此，本工程工作基准点根据现场实际情况，约设 3 ～ 5 个工作基准点。为检测工作基准点稳定性，根据施工进度情况，拟每一周监测一次，监测时按国家二等水准规范观测的技术要求进行往返观测。工作基点稳定后, 则可每二周监测一次。
2.2 监测点的埋设
1）顶管过地铁区间隧道上、下行线已建好的隧道结构内拱顶剖面沉降监测点。顶管段施工过地铁正上方是区间隧道结构的重大风险源之一，因此加强区间隧道结构拱顶剖面监测工作是控制施工风险的重要环节。根据设计图纸和现场查勘，在东圃东圃站～三溪站区间离东圃站约 150 m 处布设监测点。 东圃站～三溪站区间：
上行线：离东圃站约 150 m 处计划布设 5 个断面每个断面 3 个监测点，断面间距 10m，共计 15 个监测点，编号为 SX1-1-SX1-3 ～ SX5-1-SX5-3；
下行线：离东圃站约 150 m 处计划布设 5 个断面每个断面 3 个监测点，断面间距 10m，共计 15 个监测点，编号为 XX1-1-XX1-3 ～ XX5-1-XX5-3；
2）顶管过地铁区间隧道交叉范围内 20 m 范围内建 (构) 筑物、桥墩等沉降监测。建筑物沉降观测点直接用道钉布设在外墙角、门窗边角、立柱等突出部位，桥梁，工业厂房监测点宜布置在独立柱基上，圆形、多边形的建（构）筑物宜沿纵横轴线对称布置；并随上述地面沉降监测点同方法、同线路、同时观测。
对于年代久远、保护建筑，测点布设应根据建筑物的结构情况、基础形式、年代远近酌情而定。必要时在施工前需会同施工部门在隧道沿线重要建筑物巡视、观察，若发现先期明显裂缝，应采取贴石膏饼的方法观测裂缝的后期变化，必要时拍照存档。
桥墩监测点 (Q1-Q6) 布设 6 个，路面沉降（D1-D8）布设 8 个。埋设：用冲击钻成孔直接将直径 1cm 长约 8cm ～10 cm 的道钉敲在建筑物的四角（拐角）处，道钉伸入建筑物墙体不少于 4 cm，并使其牢固，然后用油漆标好记号。
3）黄埔大道路面沉降监测点（CJ1-CJ8）。在顶管段推进施工时，为了解各个施工对外侧土体的扰动影响，沿顶管轴线走向布设沉降点。在沥青道路且车辆不经过的地方，可直接用道钉埋入地面，其顶部突出地面 5 mm 以下。在软土质区，首先用小钻机破土层，开一个直径不小于 13cm（便于标尺放入）的孔，用铁锤将不短于 30 cm 的钢筋敲入土层（注意地下管线埋深），钢筋顶部应低于路面 3 cm ～ 5 cm，钢筋周围用砼加固。
2.3 监测仪器与方法
测量仪器：采用 DSZ2 精密水准仪及相应的铟瓦水准标尺。
测量方法：起算采用假定高程。观测时采用水准闭合测量（对非闭合线路上的测点，从闭合线路引测必须控制在 2 站以内），测量监测点的高程，计算本次变量和累计变量。
在该项目中，沉降监测采用二等水准测量方法，进行闭合路线或往返观测。作业要求如下：
1) 水准每站观测高程中误差 M0 为± 0.3 mm，水准路线，其附合差、闭合差 Fw 为± 0.5mm (N 为测站数)；
2) 垂直位移监测点往返测量两次取平均值作为初始值；
3) 每天工作开始前检查标尺水泡、仪器气泡，发现异常应停止工作检查仪器，改正合格后方可施工；
4) 每次观测前应检查水准仪 i 角, 保证其不大于15″, 否则应先校正到限差范围内，定期对仪器 i 角进行检查；
5) 测站的设置视线长度不得大于 35 m，前后转站点视距差不得大于 1.5 m, 路线转站点视距差累计值不大于 5m；每次观测过程中尽量做到固定人员、固定仪器、固定测站、固定路线，以尽量减小人工和系统误差。
3 沉降监测结果处理和分析
3.1 沉降监测内业计算方法
所有监测数据，都按规范规定要求的各项限差进行控制。内业中，利用合格的外业监测数据，用“平差易”软件计算环线闭合差并按测站数进行平差，准确计算出各点的高程。与第一次和上次监测的较差，即为该点的累计沉降量和本次沉降量。
一个测站的计算和检核：h 中= (h基+h辅-3.0155) /2，后减前 h=h后-h前
闭合差的计算：
Δ=H起点高程+Σ（h后-h前）- H起点高程 (1)
3.2 监测成果与变化分析
1) 沉降量报表。广州地铁五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 1)，由于篇幅有限，本文只对黄埔大道顶管沉降其中的 6 个监测点（CJ1-CJ6）进行分析。
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 Microsoft Excel 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 (T）为单位, 纵坐标以累计变化量（mm）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, 如果监测的数据本次变化量，变化速率，累计变化量超过了报警值，就应该向施工单位发出报警单，采取措施，避免事故的发生 (见图 2) 。
3) 变形预报和安全判断。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) (2)
式中， y 为沉降量; t 为时间。
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, 顶管过地铁区间隧道上、下行线已建好的隧道结构内拱顶剖面沉降监测点整体沉降量较大, 这与顶管施工进度相关, 同时也说明了我们的作业方法良好。根据设计单位要求, 确定报警值。①路面沉降：累计变形范围＋ 10 mm ～－ 35 mm，速率≤3 mm/天。②桥墩沉降：累计变形范围＋ 8mm ～－ 8mm，速率≤1mm/天。③盾构沉降：累计变形范围＋ 5mm ～－ 5mm，速率≤1mm/天。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。对于顶管路面每次监测点沉降量大于 3mm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 语
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。当然，还可以对监测的数据进行时间序列分析模型和灰色理论模型进行预测，从而预测未来建筑物和地面点等下降的趋势，从而避免不必要事故的发生。
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。
当监测变形值接近或达到极限 (报警值) 时, 要充分考虑施工的实际情况, 进行综合分析, 及时准确地把握地铁周围的建筑物、顶管和地面点的变化趋势,提出切实可行的对策, 以超前意识全面地指导施工, 使重大建筑工程保质、保量、安全地顺利实施。
参考文献
[1] 黄生享，尹辉.变形监测数据处理［M］. 武汉：武汉大学出版社，2003
[2] 陈永奇，吴子安.变形检测分析与预报［M］. 北京：测绘出版社，1998
[3] 邹积亭，江恒彪. 北京地铁沉降监测方法及数据处理 [J].工程勘察，2006（1）：35-37
[4] 于来法. 地下铁道建设的第三方环境变形监测[J].测绘通报，2004（7）：55-59
[5] 王正晓, 刘保信, 张晓春,等. 深基坑变形监测浅析[J].测绘通报，2000（6）：18-22
[6] 郝哲. 韩家岭隧道监测数据的时序分析方法[J]. 地下空间，2004（7）：122-126