地鐵盾構(gòu)施工穿越高速鐵路車站變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

程 巖

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 上海樞紐指揮部，上海 200071)

滬寧高速鐵路設(shè)計(jì)最高速度350 km/h，目前運(yùn)營(yíng)最高速度300 km/h。正線線間距4.8 m。軌道結(jié)構(gòu)采用CRTS-Ⅰ型板式無(wú)砟軌道，到發(fā)線采用寬枕軌道結(jié)構(gòu)。地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿滬寧高速鐵路常州火車站路基，基本正交，2股正線和2股到發(fā)線下方已采用混凝土板+鉆孔灌注樁+CFG樁進(jìn)行加固，如圖1所示。圖中Ⅰ,Ⅱ股道為高速鐵路正線，3,4,5,6股道為到發(fā)線。

圖1 地鐵盾構(gòu)施工與高速鐵路及附屬設(shè)施關(guān)系平面示意

地鐵盾構(gòu)穿越高速鐵路車站的監(jiān)測(cè)，還沒(méi)有成熟的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外也沒(méi)有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。本文以新建地鐵盾構(gòu)區(qū)間穿越滬寧高速鐵路常州站的變形監(jiān)測(cè)為例，在計(jì)算分析盾構(gòu)施工對(duì)運(yùn)營(yíng)期高速鐵路的結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)施變形影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合運(yùn)營(yíng)高速鐵路的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)變形監(jiān)測(cè)方案。采用基于機(jī)器人型全站儀的三維實(shí)時(shí)自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)高速鐵路結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)施進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)處理與分析，指導(dǎo)盾構(gòu)施工，確保鐵路行車安全，形成一套完整的監(jiān)測(cè)方案。

1 地鐵盾構(gòu)穿越高速鐵路變形影響分析

高速鐵路行車對(duì)軌道不平順性要求嚴(yán)格，需嚴(yán)格控制地鐵盾構(gòu)工程所引起的鐵路沉降與變形以及對(duì)附屬建筑物的變形影響。因此需要對(duì)盾構(gòu)施工影響高速鐵路變形進(jìn)行理論分析和模擬計(jì)算，主要內(nèi)容為：①計(jì)算分析地鐵盾構(gòu)施工對(duì)高速鐵路的影響，評(píng)價(jià)軌道沉降與變形是否滿足鐵路安全運(yùn)營(yíng)要求，分析混凝土筏板與樁基的變形是否滿足安全要求，并提出鐵路安全保護(hù)措施與建議。②計(jì)算分析地鐵區(qū)間盾構(gòu)施工對(duì)高速鐵路相關(guān)建構(gòu)筑物的影響，評(píng)價(jià)建構(gòu)筑物沉降與變形是否滿足安全要求，并提出保護(hù)措施與建議。③提出鐵路保護(hù)監(jiān)測(cè)要求。

采用有限元軟件MIDAS計(jì)算出施工對(duì)線路變形的影響范圍和大小。所建立的有限元模型如圖2所示，模型原點(diǎn)位于中間2#灌注樁處的地表。

圖2 盾構(gòu)區(qū)間對(duì)高速鐵路影響計(jì)算模型

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出：盾構(gòu)施工造成滬寧高速鐵路路基沉降最大值小于6 mm，可滿足保護(hù)控制要求。施工過(guò)程中10 m 弦長(zhǎng)路基沉降最大矢量差小于4 mm，可滿足計(jì)劃維修的靜態(tài)軌面平順性管理標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

2 監(jiān)測(cè)方案

2.1 監(jiān)測(cè)范圍、內(nèi)容和頻率

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，盾構(gòu)穿越期間監(jiān)測(cè)東西方向上的范圍應(yīng)為隧道中心向兩側(cè)(東西沿鐵路軌道方向)各50 m的范圍內(nèi)的站臺(tái)、路基、軌道、接觸網(wǎng)立柱、雨棚柱及其他受影響鐵路相關(guān)的建(構(gòu))筑物，南北方向上的范圍為最外側(cè)股道中心線向外30 m。

行車條件下盾構(gòu)穿越期間鐵路線路監(jiān)測(cè)頻率見(jiàn)表1。盾構(gòu)穿越期間，根據(jù)實(shí)際情況可加密監(jiān)測(cè)頻率，對(duì)位移變化異常的特殊工況要適當(dāng)加密觀測(cè)次數(shù)，必要時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)反饋到相關(guān)人員。另外，在盾構(gòu)穿越期間，有專職人員晝夜對(duì)站場(chǎng)環(huán)境巡視，及時(shí)觀察異常情況。

表1 盾構(gòu)穿越期間鐵路線路監(jiān)測(cè)頻率

2.2 監(jiān)測(cè)精度等級(jí)

建筑變形測(cè)量應(yīng)以中誤差作為衡量精度的指標(biāo)，并以二倍中誤差作為極限誤差[1-2]。本項(xiàng)目根據(jù)盾構(gòu)施工穿越影響區(qū)內(nèi)的建筑類型、變形測(cè)量等級(jí)以及項(xiàng)目勘察、設(shè)計(jì)、施工方案，結(jié)合JGJ 8—2016《建筑變形測(cè)量規(guī)范》的要求，采用表2的觀測(cè)精度等級(jí)。

表2 變形監(jiān)測(cè)精度等級(jí)

2.3 現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)

監(jiān)測(cè)變形控制指標(biāo)應(yīng)在環(huán)境調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)其重要性和安全性進(jìn)行綜合評(píng)估，并結(jié)合產(chǎn)權(quán)單位的要求進(jìn)行確定。本工程的監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)最終以施工圖設(shè)計(jì)文件確定的控制標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)。具體指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 一般監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制指標(biāo)及預(yù)警值

注：L為兩測(cè)量點(diǎn)間距離，mm。

2.4 三級(jí)預(yù)警機(jī)制的建立

監(jiān)測(cè)貫穿于施工的全過(guò)程，按照規(guī)定的程序，監(jiān)測(cè)結(jié)果要及時(shí)通報(bào)各參建單位。對(duì)于發(fā)出預(yù)警的情況，各參建單位通過(guò)會(huì)商及時(shí)調(diào)整施工措施，確保安全。嚴(yán)格按照三級(jí)預(yù)警機(jī)制組織施工，三級(jí)預(yù)警狀態(tài)判定見(jiàn)表4。

表4 三級(jí)預(yù)警狀態(tài)判定

3 實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1 全站儀三維自由設(shè)站法

由于變形監(jiān)測(cè)區(qū)域不穩(wěn)定且環(huán)境復(fù)雜，因此基準(zhǔn)點(diǎn)或工作基點(diǎn)通常設(shè)置在距離變形監(jiān)測(cè)區(qū)域較遠(yuǎn)的相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域，從而限制了變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的網(wǎng)形設(shè)計(jì)，實(shí)際觀測(cè)中也易受到更多的誤差源影響。而全站儀自由設(shè)站法不需要在基準(zhǔn)點(diǎn)或工作基點(diǎn)上設(shè)站，可通過(guò)靈活的設(shè)站選擇來(lái)優(yōu)化監(jiān)測(cè)網(wǎng)形,削弱誤差源的影響，有效提高控制網(wǎng)的可靠性和精度[3-4]。

3.2 自由設(shè)站三維整體平差函數(shù)模型

三維整體平差的全站儀自由設(shè)站方法理論嚴(yán)密，將全站儀的直接觀測(cè)值(天頂距、斜距和水平方向值)作為原始數(shù)據(jù)建立觀測(cè)方程，從而得到誤差方程并依據(jù)最小二乘原理進(jìn)行求解[5-6]。三維整體平差模型是一種對(duì)全站儀的水平方向值、天頂距和斜距進(jìn)行直接處理的平差函數(shù)模型。全站儀三維自由設(shè)站時(shí)，需后視不少于2個(gè)已知控制點(diǎn)，即已知值一般多于6個(gè)，而全站儀設(shè)站的未知值僅4個(gè)，故需采用最小二乘平差的方法來(lái)求解全站儀設(shè)站的未知參數(shù)[7-8]。在實(shí)際進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，為確保成果的可靠性，已知控制點(diǎn)要多于2個(gè)，同時(shí)，為了實(shí)時(shí)的顯示監(jiān)測(cè)成果，必須實(shí)時(shí)解算。首先利用已知點(diǎn)坐標(biāo)，運(yùn)用最小二乘法計(jì)算設(shè)站點(diǎn)的坐標(biāo)(X,Y,Z)及定向角(T)，然后便可利用極坐標(biāo)法計(jì)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

3.3 自由測(cè)站變形監(jiān)測(cè)的精度

自由測(cè)站方法的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)站靈活、精度可控。自由測(cè)站的精度可根據(jù)監(jiān)測(cè)需要，通過(guò)設(shè)站位置的選擇以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)交會(huì)的次數(shù)來(lái)靈活控制，使之能夠滿足高速鐵路工程變形監(jiān)測(cè)的需要[7]。由于監(jiān)測(cè)區(qū)域具有較大的施工干擾,且地質(zhì)條件不穩(wěn)定,因此高速鐵路平面位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)常布設(shè)為如圖3所示。

圖3 高速鐵路平面位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)

按照?qǐng)D3監(jiān)測(cè)網(wǎng)形，以1″級(jí)測(cè)角精度、1 mm+每千米1 mm測(cè)距精度的觀測(cè)精度在S1和S2測(cè)站上各觀測(cè)2個(gè)測(cè)回。經(jīng)過(guò)對(duì)多組模擬數(shù)據(jù)的平差計(jì)算，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的精度均可達(dá)0.5 mm。實(shí)際監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)結(jié)果會(huì)受到大氣環(huán)境、監(jiān)測(cè)點(diǎn)重復(fù)安裝誤差(以CPⅢ點(diǎn)的重復(fù)安裝為例，一般不超過(guò)0.4 mm)等的影響。通過(guò)合理設(shè)置監(jiān)測(cè)網(wǎng)網(wǎng)形，采用高精度的測(cè)量機(jī)器人，則該監(jiān)測(cè)方法能夠?qū)⑵矫嫖灰票O(jiān)測(cè)精度控制在1 mm內(nèi)。

3.4 實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

采用自主研發(fā)的實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)，程序自動(dòng)驅(qū)動(dòng)LEICA TM30全站儀完成多測(cè)回觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)可完成各項(xiàng)限差指標(biāo)控制。電子原始觀測(cè)文件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器，在服務(wù)器端，將原始觀測(cè)數(shù)據(jù)存放至數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)密平差，得出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。將結(jié)果按時(shí)序存儲(chǔ)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成成果報(bào)表，客戶端可查詢監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和報(bào)表。當(dāng)監(jiān)測(cè)成果超限時(shí)系統(tǒng)還會(huì)自動(dòng)提醒報(bào)警(如圖4所示)。

圖4 實(shí)時(shí)三維自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工作示意

4 工程應(yīng)用

盾構(gòu)穿越期間實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在21 d內(nèi)完成了對(duì)站臺(tái)沉降、軌道沉降與位移、路基沉降與位移、雨棚柱和接觸網(wǎng)立柱的沉降與位移共144個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)227次的觀測(cè)。盾構(gòu)穿越后，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)繼續(xù)對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在100 d內(nèi)跟蹤監(jiān)測(cè)74次。系統(tǒng)每15 min內(nèi)對(duì)1組監(jiān)測(cè)目標(biāo)完成數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)平差計(jì)算得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)并生成成果報(bào)表。

選取盾構(gòu)中心線正上方高鐵正線間路基的5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果和CGJ1208點(diǎn)位沉降時(shí)程圖進(jìn)行分析，見(jiàn)圖5。圖中CGJ1208號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于盾構(gòu)中心線正上方，正線路基間，下穿工點(diǎn)為豎曲線上坡，分為3個(gè)階段，即盾頭切入階段(10月25日—11月8日)、盾尾脫離階段(11月8日—11月15日)和注漿階段(11月15日—11月28日)。

圖5 高鐵正線間CGJ1208測(cè)點(diǎn)路基沉降時(shí)程曲線

由圖5可知，盾頭進(jìn)入后擠壓土層等綜合作用下路基總體略有隆起，此時(shí)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)下施工單位及時(shí)調(diào)整土壓平，同時(shí)要求坡度保持相對(duì)的平穩(wěn)，控制糾偏量，減少對(duì)土體的擾動(dòng),整個(gè)變化由10月27日的-0.6 mm變化到11月8日的+0.6 mm(以下沉降數(shù)值為“+”均為隆起，“-”均為下沉),累計(jì)變化量為+1.2 mm，沉降速率為+0.09 mm/d。其中11月2日—11月3日為盾構(gòu)機(jī)械故障期，盾構(gòu)掘進(jìn)停滯，在掘進(jìn)過(guò)程中隆起的路基有所回落，沉降變化由11月2日的+0.5 mm到11月3日為-0.7 mm，累計(jì)變化量為-1.2 mm，沉降速率為-1.2 mm/d。11月8日—11月15日盾尾完全通過(guò)后，路基出現(xiàn)明顯下沉，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，沉降量由11月3日的+0.6 mm，變化到11月15日為-1.9 mm，累計(jì)變化量為-2.5 mm，變化速率為0.3 mm/d，盾構(gòu)施工單位及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)參數(shù)，11月15日—11月28日在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下進(jìn)行二次注漿，下沉的路基逐漸向正常值回彈，逐步解除報(bào)警。沉降量由11月15日的-1.9 mm，變化到11月28日為-0.1 mm，累計(jì)變化量為+1.8 mm，變化速率為0.12 mm/d。為防止二次注漿過(guò)量或注漿量不足，在二次注漿過(guò)程中施工單位根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的沉隆變化的情況，采取多次少量注漿的方式，最終使路基及軌道的沉降接近正常值。

盾構(gòu)穿越期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了前期有限元模擬計(jì)算結(jié)果的正確性，以及提出的相應(yīng)鐵路安全和保護(hù)性措施的正確性。

5 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)穿越運(yùn)營(yíng)高速鐵路的地鐵盾構(gòu)施工，在目前沒(méi)有成熟監(jiān)控測(cè)量規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的情況下，應(yīng)先進(jìn)行高速鐵路變形影響分析，結(jié)合高速鐵路控制保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)提出監(jiān)控測(cè)量的范圍、內(nèi)容和頻率，并據(jù)此制定監(jiān)控測(cè)量方案，同時(shí)采用測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是一種有效的技術(shù)方法，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)可行，具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

2)采用實(shí)時(shí)三維自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以克服運(yùn)營(yíng)高速鐵路行車密度大、上下車旅客多、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位埋設(shè)困難、數(shù)量大、監(jiān)測(cè)頻次密集等不利因素，可高效開展工作。

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