摘  要　鉴于软土地区土性的极端复杂和地面沉降严重的普遍特征，提出了“空（天空）～地（地面）～地（地下）”一体化的全方位准动态地铁施工安全监测思想，构建起了相应的技术体系（即全方位准动态集成技术）。软土地区地铁施工安全监测全方位准动态集成技术的核心是借助ＧＰＳ技术建立三维的空基变形监测基准（用于地表变形监测和地下变形监测。该空基变形监测基准可以克服传统陆基基准因软土地区地面沉降而对变形监测数据产生的系统性偏差，还可实现地铁施工变形监测的全天候、实时化与动态化），以城市基础地质资料库作为安全监测整体性设计的依据（提高了地铁施工安全监测的针对性、可靠性与有效性），以准实时、准动态的地下结构应力应变监测结果作为施工安全性的重要判别要素，以准实时、准动态的地面变形监测结果作为地铁施工作用下城市环境安全性的关键判别要素，实现对地铁施工安全的全方位、实时化、准动态控制。

关键词　工程测量　地铁测量　安全监测　准动态监测  软土地区　ＧＰＳ　空基基准

 

      鉴于软土地区土性的极端复杂和地面沉降严重的普遍特征（目前长江三角洲地区地面沉降的平均速率大致在１１．３ｍｍ／ｙｅａｒ的水平），提出了“空（天空）～地（地面）～地（地下）”一体化的全方位准动态地铁施工安全监测思想，构建起了相应的技术体系（即全方位准动态集成技术）。软土地区地铁施工安全监测全方位准动态集成技术的核心是借助ＧＰＳ技术建立三维的空基变形监测基准（包括地表变形监测和地下变形监测。该空基变形监测基准可以克服传统陆基基准因软土地区地面沉降而对变形监测数据产生的系统性偏差，还可实现地铁施工变形监测的全天候、实时化与动态化），以城市基础地质资料库作为安全监测整体性设计的依据（提高了地铁施工安全监测的针对性、可靠性与有效性），以准实时、准动态的地下结构应力应变监测结果作为施工安全性的重要判别要素，以准实时、准动态的地面变形监测结果作为地铁施工作用下城市环境安全性的关键判别要素，实现对地铁施工安全的全方位、实时化、准动态控制。

 

      空地地一体化的全方位准动态地铁施工安全监测系统由ＧＰＳ三维空基基准系统、地铁工程地表变形监测系统、地铁工程地下变形监测系统、等三大部分组成。为便于说明问题，以无锡地铁为例做一说明。

      三维空基基准系统地铁建设应建立独立的ＧＰＳ三维空基基准体系（见图１，共有Ｇ１～Ｇ５五个岩基ＧＰＳ强制归心基准墩构成），ＧＰＳ三维空基基准体系应建立与地方坐标系的转换关系，ＧＰＳ三维空基基准体系专用于地铁的勘察、规划、设计、施工、运营等工作（可以兼做城市其它建设及管理工作的基准），ＧＰＳ三维空基基准体系的各个ＧＰＳ强制归心基准墩一般应为岩基型的（特殊地区也可以采用土基型的，见图２、图３），各个ＧＰＳ强制归心基准墩间的最大距离不宜超过２０ｋｍ、空间距离测量精度应不低于２ｍｍ±１ｍｍ／ｋｍ、最弱边相对中误差应不低于１／１５００００。独立的ＧＰＳ三维空基基准体系中的主基点（图１中的Ｇ１）必须为国家Ａ（或Ｂ）级ＧＰＳ点（若不是则应与至少４个国家Ａ、Ｂ级ＧＰＳ网点进行联测以获得其２０００国家大地坐标系坐标。坐标联测时连续观测数据应不少于２４小时并应连续观测３个时段且每时段８小时、采样间隔３０Ｓ、截止高度角１０°）。若要求独立的ＧＰＳ三维空基基准体系兼做其它用途时应建立独立ＧＰＳ三维空基基准体系与其他坐标系统的转换关系【比如要求其同时具有１９５４北京坐标系或１９８０西安坐标系坐标时应建立相应的坐标转换关系，坐标转换时应考虑各坐标系的地球椭球特征及参考椭球基本几何参数。若要求其同时具有城市坐标系坐标时还应进行投影变换且应具备相关的技术参数，这些技术参数包括参考椭球几何参数、中央子午线经度值、纵横坐标加常数、投影面正常高、区域平均高程异常、起算点坐标及起算方位角等，独立ＧＰＳ三维空基基准体系的大地坐标系统变换成城市地方坐标系统时应满足投影长度变形值不大于２．５ｃｍ／ｋｍ的规定（可根据城市地理位置和平均高程按下列方法选定坐标系统。即当长度变形值不大于２．５ｃｍ／ｋｍ时应采用高斯正形投影统一３°带的平面直角坐标系统；当长度变形值大于２．５ｃｍ／ｋｍ时可采用２种方法，一种是投影于抵偿高程面上的高斯正形投影３°带的平面直角坐标系统，另一种是高斯正形投影任意带的平面直角坐标系统且其投影面可采用黄海平均海水面或城市平均高程面）】。独立ＧＰＳ三维空基基准体系测量的高程值转换成正常高时，高程系统应采用１９８５国家高程基准或沿用１９５６年黄海高程系统、城市原高程系统（１９８５国家高程基准青岛原点高程为７２．２６０ｍ，１９５６年黄海高程系统青岛原点高程为７２．２８９ｍ）。独立ＧＰＳ三维空基基准体系测量的时间宜采用协调世界时ＵＴＣ记录（当采用北京标准时ＢＳＴ时应与ＵＴＣ进行换算。ＢＳＴ时与ＵＴＣ时两者的关系可用ＢＳＴ＝ＵＴＣ＋８ｈ换算）。

      强制归心基准墩按地质地形可分为岩基基准墩、土基基准墩等２类（见图２、图３），强制归心基准墩的设置应满足以下各个条件，即：基准墩应选在基础坚实稳定、易于长期保存且有利于安全作业的地方；基准墩周围应便于安置ＧＰＳ接收设备以及其它测量仪器并应方便作业且视野应开阔；基准墩与周围大功率无线电发射源（如电视台、电台、微波站、通讯基站、变电所等）的距离应大于２００ｍ（与高压输电线、微波通道的距离应大于１００ｍ）；基准墩附近不应有强烈干扰接收卫星信号的物体（比如大型建筑物、玻璃幕墙及大面积水域等）；基准墩视场内高度角大于１０°的障碍物遮挡角累积不应超过３０°；基准墩应避开地质构造不稳定区域（比如断层破碎带；采矿区、油气开采区、地下水漏斗沉降区等易于发生滑坡、沉陷等局部变形的地点；地下水位变化较大的地点等）；基准墩选定后应用场强仪进行实地场强测试（在Ｌ１、Ｌ２中心频点上的噪声场强宜分别低于－１８０ｄｂ／ｍｖ和－１６０ｄｂ／ｍｖ，并应连续进行２４小时的条件测试和数据分析，其中数据有效率应 高 于９０％，多 路 径 影 响ＭＰ１＜０．３５、ＭＰ２＜０．４）；岩基基准墩内部钢筋与基岩应紧密浇注（浇注深度应不少于０．６ｍ）；土基基准墩应建在坚实的土层上（钢筋混凝土墩体应埋于最大冻土线２ｍ以下，深埋点则应根据实际地质情况 另行设计）；基准墩应安装强制对中装置并严格整平（强制对中装置的对中误差应小于１ｍｍ）；基准墩与地面接合四周应做不少于１０ｃｍ宽的隔振缝（缝内填粗沙以避免各种振动对标墩稳定的影响）；基岩上埋设的基准墩至少需经一个月的稳定期（土层内埋设的基准墩，一般地区至少应经过一个雨季，冻土地区还应经过一个冻解期）后方可进行观测；基准墩应埋设水准标志并进行二等及以上水准联测（水准标志与基准墩强制对中标志间高差测定误差应不大于１ｍｍ）；

      独立ＧＰＳ三维空基基准体系各个ＧＰＳ强制归心基准墩的三维坐标测量应采用多机同步闭合环形式进行，测量中采用的ＧＰＳ接收天线应能在温度－４０°Ｃ～＋６０°Ｃ、相对湿度≤１００％的环境中全天候正常工作且应性能良好（ＧＰＳ天线应配备有扼流圈或抑径板并应能有效消除多路径误差；天线的相位中心应稳定且其变化量应不超过１ｍｍ），测量中采用接收机应为双频接收机并应具有并行２４个以上的通道且至少能同时接收１２个ＧＰＳ卫星信号（ＧＰＳ原始观测数据的采样间隔可在１ｓ～６０ｓ内设置；ＧＰＳ接收机应能实时输出原始观测数据、伪距和载波相位差分数据；ＧＰＳ接收机还应具有１ｓ采样间隔、２４ｈ连续观测数据的存储能力；接收机应具备２个以上的ＲＳ　２３２标准接口；接收机应具备支持ＴＣＰ／ＩＰ的ＬＡＮ接口），各个ＧＰＳ强制归心基准墩多机同步闭合三维坐标测量时的连续观测数据应不少于２４小时并应连续观测３个时段且每时段８小时、采样间隔３０ｓ、截止高度角１０°，多机同步闭合基线处理时应利用精密星历并采用精密计算软件进行（坐标框架与历元的选取应与所联测的基准一致，基线解算应以同步时段为单位进行且应进行卫星与接收机钟差的模型改正、电离层折射改正、对流层折射改正、卫星和接收机天线相位中心改正、潮汐改正、相对论效应改正、地球自转改正，应进行重复基线、同步环闭合差的检核）以确定地心坐标系与参心坐标系间的坐标转换参数。

      地铁工程地表变形监测系统主要有ＧＰＳ三维空基工作基准系统【通常在每个区间的２端各设置２个ＧＰＳ三维空基工作基准点构成，２个ＧＰＳ三维空基工作基准点与独立ＧＰＳ三维空基基准体系基准点通过ＧＰＳ测量建立准动态联系。ＧＰＳ三维空基工作基准点一般为土基基准墩（称为工作基准墩，见图３）】和地表变形点系统构成。ＧＰＳ三维空基工作基准点应选择在交通便利并有利于扩展和联测的地点，视场内障碍物的高度角不宜大于１５°。地铁工程地表变形点系统则通常由沿地铁走向均布的系列纵断面形变监测点及垂直于地铁走向均布的系列横断面形变监测点构成。

      各地铁区间每次地表变形监测工作开始前均应先将该区间２端的４个ＧＰＳ三维空基工作基准点与１个独立ＧＰＳ三维空基基准体系基准点（即图１中Ｇ１～Ｇ５中的某个）进行多机同步闭合ＧＰＳ观测（本文称之为空基工作基准ＧＰＳ测量），观测应采用双频ＧＰＳ接收机（接收机的标称精度应不低于５ｍｍ＋１ｍｍ／ｋｍ，观测量为载波相位），ＧＰＳ接收设备应检验合格并符合相关要求【即：新购置的ＧＰＳ接收机（或天线受到强烈撞击而更新天线后再与接收机匹配的；或经过维修后的接收机）均应进行全面检验后使用；接收机及天线型号应与标称一致且外观良好；各种部件及其附件应匹配、齐全和完好（各个紧固部件应不存在松动和脱落问题）；设备使用手册和后处理软件操作手册及磁（光）盘应齐全；ＧＰＳ天线或基座圆水准器和光学对点器应符合要求；天线高量尺应完好且尺长精度应符合要求；数据传录设备及软件应齐全且数据传输性能应完好；后处理软件通过实例计算、测试及评估后认为可靠；通电检验符合要求（应在确认各种电缆正确连接后方可进行检验；电源及工作状态指示灯工作应正常；按键和显示系统工作应正常；利用自测试命令进行测试应正常；检验接收机锁定卫星时间应正常并无信号失锁现象）；接收机内部噪声水平测试情况良好；接收机天线相位中心稳定性测试情况良好；接收机野外作业性能及不同测程精度指标测试情况良好；接收机频标稳定性检验和数据质量情况良好；接收机高低温性能测试情况良好；接收机综合性能评价情况良好】，各点的ＧＰＳ接收机天线应始终用同一个并保持定向不变（ＧＰＳ接收机天线的定向标志应指向正北且定向偏差不宜２°。对于定向标志不明显的接收机天线应预先设置定向标志），接收机工作状态正常后应进行自测试并输入测站名、日期、时段号和天线高等信息后开始观测，ＧＰＳ测量时连续观测数据应不少于３小时并应连续观测３个时段且每时段１小时、采样间隔３０ｓ、截止高度角１０°，ＧＰＳ接收机开始记录数据后应查看测站信息、卫星状况、实时定位结果、存储介质记录和电源工作情况等（异常情况应记录），作业期间禁止在仪器附近使用手机和对讲机（雷雨天气时应关机停测并卸下天线以防雷击），作业期间不允许有下列动作（这些动作包括关机又重新启动、自测试、改变仪器高度值与测站名、改变ＧＮＳＳ天线位置、关闭文件或删除文件等），作业人员在作业期间不得擅自离开仪器并应防止仪器受到震动和被移动（还要防止人和其他物体靠近天线而遮挡卫星信号），基线解算和平差应采用高精度解算软件并应采用卫星精密星历，基线解算以独立ＧＰＳ三维空基基准体系基准点为起算点可采用多基线解或单基线解，观测值应加入对流层延迟修正，５ｋｍ～８ｋｍ以内的基线应采用双差固定解（８ｋｍ至３０ｋｍ的基线可在双差固定解和双差浮点解中选择最优解），处理结果中应包括相对定位坐标和方差～协方差阵等平差所需的元素，数据检验应符合相关要求【同一时段观测值的数据采用率宜大于８０％；预处理复测基线的长度较差ｄ_ｓ应不超过２３／２σ；网中任何一个三边构成的同步环闭合差Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙ、Ｗ_Ｚ均不应超过３１／２σ／５。闭合差超限的基线可舍弃并应进行补测或重测。其中σ为规范规定的标准差、单位为ｍｍ】，平差计算应先采用无约束平差【即基线向量检核符合要求后应以三维基线向量及其相应方差～协方差阵作为观测信息，按独立ＧＰＳ三维空基基准体系基准点的地心系三维坐标作为起算依据进行ＧＰＳ网的无约束平差，无约束平差应提供各点在地心系下的三维坐标、各基线向量、改正数和精度信息，无约束平差中各个基线分量的改正数绝对值（Ｖ_△Ｘ、Ｖ_△Ｙ、Ｖ_△Ｚ）均不得超过３σ】再进行约束平差【即根据具体情况选择地心坐标系、国家坐标系或地方坐标系对无约束平差后的观测值进行三维约束平差或二维约束平差，平差中可对已知点坐标、已知距离和已知方位进行强制约束或加权约束，约束平差中基线分量的改正数与经过粗差剔除后的无约束平差结果的同一基线相应改正数较差的绝对值（ｄＶ_△Ｘ、ｄＶ_△Ｙ、ｄＶ_△Ｚ）均不得超过２σ】，测量成果输出应包括相应坐标系中的三维或二维坐标、基线向量改正数、基线边长、方位角、转换参数及其精度等信息。

      ＧＰＳ三维空基工作基准点的高程测量按作业过程应分为高程异常模型的建立、ＧＰＳ测量和高程计算三部分。ＧＰＳ三维空基工作基准点的高程测量采用ＧＰＳ高程差值模型，即在第一次空基工作基准ＧＰＳ测量前先进行２等水准测量以确定区间２端的４个ＧＰＳ三维空基工作基准点的正常高Ｈｉ，然后再进行第一次空基工作基准ＧＰＳ测量以获得区间２端的４个ＧＰＳ三维空基工作基准点的大地高ｈｉ，则每个ＧＰＳ三维空基工作基准点的高程异常ξｉ为ξｉ＝Ｈｉ－ｈｉ，对每个ＧＰＳ三维空基工作基准点来讲其高程异常ξｉ为常量，则以后各次地表变形监测工作开始前就不再需要进行ＧＰＳ三维空基工作基准点间的水准测量工作了，每个ＧＰＳ三维空基工作基准点的正常高Ｈｉ′只需根据每次空基工作基准ＧＰＳ测量获得的大地高ｈｉ′和该点的高程异常ξｉ即可确定（即Ｈｉ′＝ｈｉ′＋ξｉ），此时的Ｈｉ′中已滤掉了地面沉降的影响（即以ＧＰＳ三维空基基准体系为基准可以消除地面沉降对地表变形监测的影响问题，这也是空地地一体化的全方位准动态地铁施工安全监测技术的核心优势。而若每次地表变形监测工作开始前仍采用水准测量获得每个ＧＰＳ三维空基工作基准点的正常高则会将地面沉降因素带到地表变形监测结果中）。

      地铁工程施工阶段沿线环境变形监测的主要对象和内容包括线路地表沉降观测；变形区内燃气、热力和大直径给水、排水等主要管线变形监测；变形区内高层（超高层、高耸）建筑、古建筑、桥梁、铁路、经鉴定的危房等的变形监测。

      地铁工程地下变形监测系统的基准是ＧＰＳ三维空基工作基准系统【即在每个区间的２端各设置的２个ＧＰＳ三维空基工作基准点（工作基准墩）】，每次地下变形监测时均以工作基准墩的现时三维坐标为依据进行【通过平面联系测量和高程联系测量的方式将ＧＰＳ空基三维坐标传入地下并作为地下变形监测的基准】。平面联系测量可采用斜井联系测量、竖井联系测量的形式，涉及的内容包括陀螺经纬仪定向、联系三角形定向、两井定向、导线直接传递测量、多点边角后方交会、等（常用的双联系三角形定向测量见图４）。高程联系测量的常用方法时悬吊钢丝法、悬吊钢尺法（悬吊钢尺应为经过严格鉴定后的钢尺，必要时应加入拉力改正）等。平面联系测量和高程联系测量的方式在很多测量书籍中均有介绍，限于篇幅本文不做展开。

      地铁工程地下测量的一切工作均应以传入地下的ＧＰＳ空基三维坐标为基准进行，常规的地铁地下测量工作包括地下控制测量【一般采用导线方式进行平面控制（区间段较长时应加测陀螺边），采用水准路线方式进行高程控制】、贯通测量【包括结构贯通（又分相向施工的隧道贯通面、单向施工隧道的贯通面、高架结构和地面路基贯通面、等）、线路贯通、相邻施工标段贯通、等工作内容。贯通后的中线（控制点）应进行合理调整，线路中线调整的目的是通过在隧道贯通后进行中线调整测量以重新建立与ＧＰＳ空基三维基准统一的测量基准】、断面测量【断面测量的目的是根据重新建立的测量基准测定结构限界是否满足要求，断面测量的部位按设计要求确定（见图５、图６，一般直线段每隔６ｍ或曲线段每隔５ｍ测一断面】、铺轨基标测量【进行铺轨基标测量采用的基准包括控制基标、加密基标、道岔基标（根据道岔结构和几何特点埋设基标。控制基标应分别设置在道岔中点、岔头和岔尾点上）】等。

     地铁工程结构施工期间地下变形监测的主要内容见表１。变形监测方法包括几何变形测量和传感器应力应变测量等，常用的几何变形测量仪器为全站仪、水准仪、等，常用的传感器包括测斜仪、轴力计、收敛计、位移计、应变片、应变计、锚杆测力计、钢筋计、压力盒、波速仪、爆破震动测试仪、孔隙水测压计等。对变形监测数据应进行单独项目分析和多项目综合分析并应定期向委托方等单位提交阶段变形监测的各种图表和变形趋势分析报告，变形监测应满足信息化施工和管理的要求并应建立变形监测信息数据库。当实测变形值大于允许变形值的２／３时应及时上报并启动应急变形监测方案。

 

      软土地区地铁施工安全监测全方位准动态集成技术的核心是 “空（天空）～地（地面）～地（地下）”一体化的全方位准动态地铁施工安全监测思想及相应的技术体系；地铁设计、施工、监测一体化的思想及相关关键技术；地铁信息化设计与信息化施工的基本要领和基本工作程序；软土地区地铁施工安全监测的方法、技术要领、预警方法及预警指标体系；地铁地质分析中资料收集、实地勘察、实验室试验、原位试验、集成综合分析的合成化研究技术。软土地区地铁施工安全监测全方位准动态集成技术的相关内容包括软土地区地铁施工安全监测的基本要求、地铁工程沉降监测、地铁穿越工程监测、地铁浅埋暗挖法施工监测、地铁盾构法施工监测、地铁明（盖）挖法施工及竖井施工监测、地铁工程监测的基本原则、地铁工程施工测控、软土地区地铁精准测控模式等。空地地一体化的全方位准动态地铁施工安全监测技术在地面沉降异常严重的长江三角洲地区地铁施工中应用取得了良好的效果，有效地削减了自然地面沉降对地铁安全监测数据的影响。限于水平、学识，谬误与偏颇敬请大家在实际应用中多多予以修正。