地鐵盾構(gòu)隧道施工江底沉降監(jiān)測技術(shù)

崔 曉 李 偉

(1.中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133;2.杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，浙江杭州 310026)

1 工程概況

杭州地鐵1號線工程濱江站—富春路站區(qū)間隧道穿越錢塘江防汛墻和錢塘江，盾構(gòu)穿越長度約1343m。隧道盾構(gòu)推進(jìn)到越江段時(shí)，其隧道上部覆土深度變小，如果距江底太近，容易發(fā)生江水下滲風(fēng)險(xiǎn)。本工程盾構(gòu)越江段覆土深度在18m以上。為及時(shí)了解盾構(gòu)推進(jìn)過程中江底的變化情況，確保安全穿越，對越江段的水域江底地形變形監(jiān)測具有重要的意義。

錢塘江聞堰以下的河段，水流經(jīng)過杭州市區(qū)至澉浦注入杭州灣，河口呈巨大的喇叭形。由于杭州灣寬度自外向里急劇收縮，潮差沿程遞增，澉浦潮差比?？谠龃蠹s一倍，平均潮差達(dá)5.58m，最大潮差8.93m，澉浦潮平均流量達(dá)到19.5萬m3/s，潮波向西傳播時(shí)由于河床沿程抬高，潮波迅速破裂變形，到尖山附近形成舉世聞名的錢江涌潮。潮頭高度在海寧鹽官—八堡一帶通?？蛇_(dá)1～2m，最大時(shí)3m以上，涌潮傳播速度為5～7m/s。

根據(jù)上述水域水流的情況，要做好江底變形監(jiān)測，主要的技術(shù)難點(diǎn)為:①減小潮汐對監(jiān)測的影響;②盡可能的降低由于大風(fēng)、江流等所形成的涌浪對監(jiān)測船姿態(tài)的影響;③通過對平均聲速的改正，提高測深的精度;④采用相位載波差分技術(shù)(RTK)進(jìn)行坐標(biāo)導(dǎo)航及實(shí)時(shí)水位驗(yàn)潮，確保所測高程為軸線上方，確保其潮位驗(yàn)潮的及時(shí)性;⑤在實(shí)際監(jiān)測中，監(jiān)測船無法十分準(zhǔn)確地走在軸線上方，常會偏離軸線，所測得的高程也就并非是軸線上方的高程，所以需要采用DEM建模，求得其軸線上方的真正高程。

另外，在錢塘江上，容易受到大風(fēng)、霧雷電、涌潮等因素的影響，主航道航行船舶密集也是影響水上監(jiān)測工作正常有序進(jìn)行的重要因素，不容忽視。

2 主要技術(shù)難點(diǎn)的解決辦法

2.1 針對潮汐影響采取的措施

將測深系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)結(jié)合起來，將GPS和聲納固定在“固定桿”的兩端，安裝在船的一側(cè)(如有開孔，則可安裝在監(jiān)測船的開孔處)。用GPS測得聲納底部的高程，減去使用聲納測出的水深，即可獲得水底高程。這樣做的好處是，船在航行時(shí)，在漲潮和落潮時(shí)以及在江流的作用下，所導(dǎo)致的船只輕微搖晃，GPS亦會隨著測量船的起伏變化而變化。

隨著水面的不斷變化，而GPS測得的聲納底部高程在同時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化，結(jié)合聲納測得的水深則可成功測得江底的高程。

2.2 針對聲速影響采取的措施

(1)在實(shí)際監(jiān)測工作中，對小于15m水深、流速不大的水域采用比對的辦法進(jìn)行聲速改正。即使用測深板測得某位置的實(shí)際水深，再使用聲納測得該位置的水深，如果兩者相差，則調(diào)整聲納的聲速，直到測出正確水深為止。

(2)采用1998版《海道測量規(guī)范》計(jì)算聲速公式

式中，C為聲速/(m/s);T為溫度/℃;S為鹽度/1‰;D為深度/m。

通過計(jì)算聲納在不同水域的聲速，從而求得平均聲速。

(3)使用美國Odom公司的Digidar Pro聲速剖面儀進(jìn)行聲速測量。

該系采用“環(huán)鳴”法進(jìn)行聲速測量，能夠自動補(bǔ)償海水的溫度和鹽度所造成的誤差。該設(shè)備聲速分辨率為0.1m/s，聲速精度0.3m/s，采樣速率10 Hz。

2.3 采用RTK實(shí)時(shí)驗(yàn)潮技術(shù)

使用美國Trimble 5700 GPS進(jìn)行水上三維動態(tài)測量。該儀器精度高、工作穩(wěn)定，并能給測深系統(tǒng)提供優(yōu)異的位置導(dǎo)航。

該儀器RTK方式精度:水平1 cm+1×10-6D，垂直2 cm+1×10-6D。

在實(shí)際作業(yè)中，為方便求得高程異常，一般的作業(yè)方法是:使用GPS測量已知點(diǎn)A，然后測量所要測量點(diǎn)B，這時(shí)可以獲得一個(gè)差值，設(shè)這個(gè)差值為Z，則有

由此可得B點(diǎn)的似大地水準(zhǔn)面高程HRB=H84B-Z，此種簡單的辦法只能在小范圍內(nèi)使用(如圖1所示)。

圖1 GPS RTK實(shí)時(shí)驗(yàn)潮

另外還可以采取求相對高差的辦法。通過測量兩個(gè)點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)，獲取兩個(gè)點(diǎn)之間的高差，然后用所聯(lián)測的已知水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。上面的已知A點(diǎn)的似大地水準(zhǔn)面高程，使用GPS測量求得B點(diǎn)的似大地水準(zhǔn)面的過程如下:

令a=H84-H84B，

則HRB=Hr+a，從而獲得B點(diǎn)的似大地水準(zhǔn)面高程。

2.4 內(nèi)業(yè)處理

水域外業(yè)數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn):在野外數(shù)據(jù)采集時(shí)，船只是無法非常準(zhǔn)確的航行在隧道軸線上方的。因此，如果單獨(dú)測設(shè)隧道軸線上方的一條測線，則總會與隧道軸線有偏離。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理對外業(yè)的要求:單條線本身是無法了解到一個(gè)面的情況的。即使要了解，那也就是完全憑經(jīng)驗(yàn)把線上的某個(gè)點(diǎn)移到面上去，但這個(gè)經(jīng)驗(yàn)的精度對監(jiān)測工作來講并不具備足夠的理由。相反，要了解某個(gè)面上線的情況則十分容易。因此，在外業(yè)時(shí)沿隧道軸線兩側(cè)至少5～10m，測設(shè)至少3條測線，來構(gòu)建一個(gè)監(jiān)測工作面，而通過DEM建模進(jìn)行科學(xué)的插值，則可提取該面上的任意一點(diǎn)高程。

3 水域江底變形監(jiān)測作業(yè)方法

(1)采用二等水準(zhǔn)的方法，精密測量GPS架設(shè)點(diǎn)的高程，確保水上測量高程的精度。

(2)正式監(jiān)測施工前架設(shè)好岸臺，安裝好監(jiān)測船上各種測量設(shè)備，做好調(diào)試工作，選擇好各種參數(shù)(特別是聲速)，使儀器處理最佳工作狀態(tài)。

(3)在起算點(diǎn)位置架設(shè)好儀器，調(diào)試好基站，檢查其接收衛(wèi)星狀態(tài)、衛(wèi)星顆數(shù)、信號質(zhì)量等，確保GPS處在良好工作狀態(tài)。

(4)在施測船上裝置好流動站，將測深系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)聯(lián)接好，調(diào)試好導(dǎo)航圖，采用監(jiān)測船低速走航式施測。

(5)每次監(jiān)測時(shí)根據(jù)當(dāng)次盾構(gòu)切口里程確定監(jiān)測范圍，布設(shè)監(jiān)測測線，并保證前后兩次觀測有足夠的重疊對比區(qū)域，以了解江底隆陷變形速率。

(6)若監(jiān)測儀器中途發(fā)生故障，則測線報(bào)廢，重新施測。

(7)按設(shè)計(jì)測線多次覆蓋，以保證監(jiān)測范圍內(nèi)有足夠的測點(diǎn)。

(8)外業(yè)各測量組必須在現(xiàn)場及時(shí)自檢資料，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)立即查明原因。

(9)潮位觀測應(yīng)早于水上施測15 min進(jìn)行，至水上施測完工15 min后才告結(jié)束。

(10)施測結(jié)束后，外業(yè)數(shù)據(jù)采集負(fù)責(zé)人及時(shí)將采集數(shù)據(jù)送交內(nèi)業(yè)人員進(jìn)行后處理。

4 監(jiān)測實(shí)施質(zhì)量保證及相關(guān)技術(shù)要求

4.1 精度要求及保證

(1)江底地形監(jiān)測:水底地形精度≤±10 cm。

(2)氣象條件:水上測量區(qū)域受大霧、大風(fēng)(臺風(fēng)、冷空氣、季風(fēng)等)、雷電、暴雨、涌潮等氣象因素的影響較大，當(dāng)惡劣氣候的影響危及測量船航行安全時(shí)或江面涌浪較大、測量船的搖晃度已經(jīng)超出了儀器的允許范圍而無法進(jìn)行正常測量時(shí)，暫停水上測量。

(3)質(zhì)量保證:使用先進(jìn)的導(dǎo)航定位和測量設(shè)備，配備技術(shù)好具有豐富水上測量經(jīng)驗(yàn)的導(dǎo)航測量技術(shù)人員，具有導(dǎo)航定位和測量的實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)控，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量監(jiān)控和精度統(tǒng)計(jì)，測量數(shù)據(jù)的兩級檢查和一級驗(yàn)收，ISO質(zhì)量管理體系，成熟的水上監(jiān)測施工方案，齊全的測量規(guī)范等。

4.2 相關(guān)報(bào)警值設(shè)定

有關(guān)報(bào)警值:水底地形高程變化≤20 cm/次，即在外業(yè)或內(nèi)業(yè)執(zhí)行過程中發(fā)現(xiàn)江底地形異常變化(隆起或沉降值超過報(bào)警值)時(shí)，先行口頭向有關(guān)各方報(bào)警，然后正式提交書面監(jiān)測成果資料。考慮水底地形受水流沖刷等因素影響，本項(xiàng)目不設(shè)累計(jì)報(bào)警值。

5 江底地形背景值調(diào)查測量

在隧道盾構(gòu)推進(jìn)至防汛墻前兩周，對江底地形先作精密測量，以形成背景資料，便于監(jiān)測過程中作為基礎(chǔ)地形進(jìn)行對比，確保背景資料的真實(shí)可靠。

背景測線布置:沿隧道軸線走向施測，施測當(dāng)天盡量避開大風(fēng)大浪天氣;施測區(qū)域?yàn)檠厮淼垒S線左右各30m的水域范圍，每3～10m布設(shè)1條測線;測量時(shí)，監(jiān)測船沿隧道軸線位置在施測區(qū)域內(nèi)往返航行。為了檢查測量數(shù)據(jù)的真實(shí)性，在整個(gè)施測區(qū)域進(jìn)行多次重復(fù)測量，達(dá)到校驗(yàn)和提高精度的目的。

6 施工跟蹤監(jiān)測

6.1 測量范圍與監(jiān)測頻率

一般情況下，在江邊淺灘或淺水區(qū)每天監(jiān)測1次。當(dāng)盾構(gòu)進(jìn)入江邊坡至江心段時(shí)，每天進(jìn)行2次江底隆陷變形實(shí)時(shí)測量，上、下午各提供一次監(jiān)測數(shù)據(jù)和軸線地形剖面(特殊情況例外)。盾構(gòu)停頓期需每天進(jìn)行1次江底變形測量。監(jiān)測范圍為盾構(gòu)切口前35m至切口后28m，盾構(gòu)軸線左右各10m寬的范圍。

對江中段，每月進(jìn)行1次測量，測量范圍沿盾構(gòu)軸線600m長，橫向范圍為盾構(gòu)軸線左右各10m寬的范圍。前后兩次測量至少搭接前次測量期間盾構(gòu)的推進(jìn)距離。

6.2 監(jiān)測路線與測點(diǎn)布設(shè)

在盾構(gòu)切口前后位置，沿盾構(gòu)軸線和其左右兩側(cè)各3m、6m、10m左右，分別布設(shè)1條長63m的測線，共7條測線。沿監(jiān)測路線每3～5m取1點(diǎn)，點(diǎn)號按軸線里程編號。

每月對切口前后各300m進(jìn)行1次測量，沿軸線和其左右兩側(cè)各3m、6m、10m左右，布設(shè)3條測線，共7條測線。沿監(jiān)測路線每3～5m取1點(diǎn)，點(diǎn)按軸線里程編號。

6.3 數(shù)據(jù)處理與成果提交

(1)檢查及驗(yàn)收外業(yè)資料

包括定位資料是否完整;測深模擬記錄是否清晰、連續(xù);測線號、測點(diǎn)與定位記錄是否一致(若不一致者報(bào)廢整條測線);潮位資料計(jì)算是否正確等;涌浪補(bǔ)償數(shù)據(jù)是否完整;儀器工作時(shí)間是否同步;野外作業(yè)各項(xiàng)記錄是否完全。

(2)繪制潮位曲線

將潮位值繪成大比例潮位曲線，便于潮改取值，或直接按等分時(shí)間對應(yīng)的潮位值輸入計(jì)算機(jī)存盤，從原始的涌浪補(bǔ)償數(shù)據(jù)中提取出有用的涌浪補(bǔ)償數(shù)據(jù)。

(3)繪制航跡圖

利用繪圖軟件根據(jù)定位記錄繪制當(dāng)次監(jiān)測的航跡圖(比例尺1/100)。

(4)挑選有效點(diǎn)位

利用計(jì)算機(jī)將當(dāng)次監(jiān)測區(qū)域沿隧道中心軸線左右各2m范圍內(nèi)的定位點(diǎn)選定并輸出保存在文件中。

(5)提取有效的水深值

根據(jù)所挑選的有效定位點(diǎn)利用計(jì)算機(jī)提取出其對應(yīng)的水深值;同時(shí)應(yīng)比對在測深模擬剖面上記錄的其相應(yīng)的瞬時(shí)水深，特別注意消除風(fēng)、浪對水深數(shù)據(jù)的影響。

(6)潮汐改正及涌浪補(bǔ)償

利用涌浪補(bǔ)償數(shù)據(jù)資料對潮改前的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行涌浪補(bǔ)償;同時(shí)根據(jù)所作潮位曲線，對涌浪補(bǔ)償后的水深值按時(shí)間進(jìn)行潮汐改正(高程采用當(dāng)?shù)貐卿粮叱?，或直接利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行潮位改正。

(7)制作江底地形圖(背景圖)

將測點(diǎn)的高程值標(biāo)注于航跡圖上，作背景地形圖。

(8)求解隧道軸線上的江底高程值

將選定點(diǎn)的高程值，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格化、濾波、平滑等技術(shù)處理，并使用DEM建模，求出當(dāng)次監(jiān)測隧道軸線上的江底高程值。

(9)繪制成果圖表

用A3紙打印出隧道軸線江底地形對比剖面圖(比例尺:水平1/200;垂直1/50)。對比內(nèi)容為當(dāng)次監(jiān)測與上次監(jiān)測原始背景的江底地形剖面。根據(jù)甲方要求，除提供江底隧道軸線地形的對比剖面圖外，還提供類似陸域盾構(gòu)監(jiān)測的報(bào)表。

7 結(jié)束語

在盾構(gòu)隧道施工過程中，通過江底沉降監(jiān)測掌握了錢塘江江底土層在地鐵盾構(gòu)隧道施工過程中的動態(tài)變化，及時(shí)地進(jìn)行了預(yù)測和信息反饋，用監(jiān)測成果調(diào)整設(shè)計(jì)并指導(dǎo)施工，達(dá)到了信息化施工的目的，為以后的工程作了技術(shù)準(zhǔn)備。

［1］夏明耀，曾進(jìn)倫.地下工程設(shè)計(jì)施工手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999

［2］周忠謨，易杰軍，周琪.GPS衛(wèi)星測量原理與應(yīng)用［M］.北京:測繪出版社，1999

［3］GB 50308—2008 城市軌道交通工程測量規(guī)范［S］