随着城市化进程及城市的大规模发展,我国各大城市均在建设高效的地下轨道交通网以解决越来越严重的交通阻塞问题。城市轨道交通网大规模发展建设过程中必然会遇到线路之间交叉、换乘等问题,存在新建线路与既有线路的相互穿越等工程；同时,地铁的开通带来了沿线经济的发展,地铁沿线区间隧道上方、侧方的基坑工程越来越多,临近地铁隧道的地下工程打破了既有地铁隧道的受力平衡,从而引起地铁隧道的变形,如果这些变形得不到控制将会导致严重的后果。对于像北京、天津等城市,早期的地铁线路已建设近50年,需要对地铁线路进行全线整体监测,了解隧道的整体状况。因此研究地铁隧道的长期实时监测方法以及变形数据的分析处理理论对于保障城市地下轨道交通线网安全具有重要的现实意义。目前地铁隧道监测主要都是针对受到预期荷载变化的局部区间的监测,很少涉及整体隧道的长期监测；现有的监测方法是以单一监测点的点位变化来反映隧道变形,不能准确反映隧道断面整体变形；同时在大范围、曲线路段变形监测区域无法保证稳定的基准点。因此论文首先提出建立低成本、高效率的地铁隧道全线监测解决方案,以满足地铁隧道整体线路的长期监测以及局部区域重点监测的需要。针对地铁隧道监测方法、隧道统一坐标基准的建立、断面变形特征的提取以及变形数据的分析、预报等方面进行了研究。主要研究内容如下：1.在了解现有地铁变形监测的内容、方法的基础上,介绍了无线传感器网络系统,针对其在地铁隧道这一特殊环境的应用进行了深入研究,提出了基于无线传感器网络的地铁隧道相对变形长期监测的可行方案。并将其与局部区域重点监测的自动变形监测和周期性的地铁隧道基准网监测、轨道监测相结合,共同构建低成本、高效率的地铁隧道监测、管理系统。2.研究建立隧道统一坐标基准的方法,对自由设站边角交会网在地铁隧道的布网、观测方式进行了研究,分别构建平面网和三角高程网。分析了基准网平面数据的预处理、网平差以及结果精度。针对地铁隧道的大气环境特点提出了自由设站边角交会高程网的构建标准,构建高程控制网并研究其数据处理方法。采用本文方法对某高速铁路建设期间建立的边角交会网观测数据进行处理,分别对其平面网和高程网进行平差计算。计算得到的测站平面点位精度、相邻点位精度以及各测点的平面点位精度均与分析结果一致,能够满足地铁变形监测的需求。同时比较了三角高程网的解算结果与精密几何水准测量平差结果,验证了三角高程基准网的精度和有效性。3.顾及已知控制点的误差和各点之间的相关性,进行了自由设站的模拟计算,分析了测站精度。针对自由设站的情况,研究了基于基准点坐标变化的基准网稳定性分析方法。4.分析了不均匀B样条曲线的节点矢量确定方法,提出了改进的基于主点的节点矢量确定方法以及非断面信息的自动剔除算法。研究了利用扫描断面点拟合断面特征信息来代替少量单点位移分析断面变形的方法。5.分析比较了自由曲线之间的距离度量算法,详细介绍了自由曲线之间的Hausdorff距离的计算方法,确定了以Hausdorff距离作为隧道断面变形特征的距离度量。6.提出了顾及施工分析结果的卡尔曼滤波、预报模型。对现有的变形监测数据动态处理方法进行分析比较,主要研究了卡尔曼滤波和时间序列分析算法,以及它们之间的相互转换。采用Midas软件的施工模拟分析功能计算基坑开挖的数值分析模拟结果,并将其作为已知信息加入数据处理中。