基于高精度GPS的盾構(gòu)隧道下穿河道河床變形監(jiān)測

郭 穩(wěn)，李鵬飛，鮑 艷，張明聚，高 陽，王國權(quán)，李 瑞，段憲鋒

(1.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點實驗室，北京 100124；2.石家莊鐵道大學(xué)大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與控制研究所，石家莊 050043；3.休斯頓大學(xué)，休斯頓 77204；4.中鐵十七局集團第六工程有限公司，福州 350014；5.中國鐵建華北投資發(fā)展有限公司，石家莊 050051)

隨著我國地下軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出大量越江跨海盾構(gòu)隧道工程，如上海長江隧道、武漢長江隧道、南京長江隧道、杭州慶春路過江隧道、杭州運河隧道、海寧錢江隧道等. 盾構(gòu)下穿河道時，隧道覆土深度變薄，不利于頂部土層成拱，可能導(dǎo)致隧道上浮、河底冒頂、河底大面積坍塌等重大工程事故[1-3]. 因此在盾構(gòu)施工過程尤其是跨越河流過程中，對其頂部土層的變形監(jiān)測與分析尤為重要.

在盾構(gòu)穿越河流、湖泊等工程施工過程中，地表不具備排水、注漿等條件，也不具備采用水準(zhǔn)儀、全站儀等傳統(tǒng)測量手段的條件，對施工期間河床土層變形監(jiān)測和控制提出嚴(yán)峻考驗. 目前，廣大學(xué)者對盾構(gòu)施工參數(shù)與地表沉降關(guān)系的理論研究和數(shù)值模擬較多[4-7]，對地表尤其是河床變形的連續(xù)監(jiān)測則未見報道. 在盾構(gòu)下穿水域施工過程中，一般根據(jù)經(jīng)驗或設(shè)置掘進試驗段等手段，通過調(diào)整盾構(gòu)參數(shù)[8]或加固河床[9-10]等方法來保證下穿施工的安全. 近年來，高精度全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)在地層變形監(jiān)測中的應(yīng)用越來越廣泛[11-13]，張拯等[14]采用高精度GPS對某山嶺隧道施工過程中的小范圍地面沉降進行監(jiān)測，將GPS監(jiān)測結(jié)果與精密水準(zhǔn)測量相比較，證明GPS監(jiān)測結(jié)果精確、可靠. 吳玉苗等[15]探討全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)變形監(jiān)測方案及數(shù)據(jù)處理方法，結(jié)合鹽水溝隧道工程實例驗證了GNSS能滿足變形監(jiān)測的精度要求.

針對采用傳統(tǒng)測量方法難以實現(xiàn)監(jiān)測河床變形的問題，作者以石家莊地鐵1號線會展中心—東莊站區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿滹沱河工程為例，介紹基于高精度GPS靜態(tài)觀測技術(shù)的河床變形監(jiān)測方法. 首先，建立目標(biāo)區(qū)域的GPS觀測網(wǎng)，包括1臺基站和6臺監(jiān)測站；然后，采用基于區(qū)域參考框架(NChina16)的精密單點定位技術(shù)評估基站穩(wěn)定性；最后，采用載波相位差分技術(shù)，分別計算6臺監(jiān)測站相對于基站的三維位移時間序列. 根據(jù)盾構(gòu)隧道施工期間對河床的沉降以及橫向、縱向變形監(jiān)測，分析雙線盾構(gòu)隧道先行線與后行線的相互影響.

1 工程簡介

石家莊地鐵1號線東莊站至?xí)怪行恼緟^(qū)間在K28+290 ～K28+760處下穿滹沱河主河槽，穿越段長度達470.0 m(見圖1、2). 滹沱河是人工景觀河，水深1.6～3.5 m，河水被下游堤壩攔住，盾構(gòu)下穿河道區(qū)域水體為靜水. 區(qū)間線路與滹沱河道中軸線夾角約61°，盾構(gòu)下穿河道區(qū)間縱向坡度0.4%，滹沱河河床與隧道頂之間最小距離約14.0 m. 隧道外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m，左右線軸間距15.2 m. 管片采用通用契型環(huán)，由3個標(biāo)準(zhǔn)塊、2個鄰接塊和1個封頂塊組成，錯縫拼裝，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)寬度為1.2 m，管片混凝土強度等級為C50，防水等級P10. 右線隧道為先行線，開挖位置領(lǐng)先左線約400.0 m.

穿越區(qū)間位于地下水位以上. 區(qū)間穿越滹沱河段隧道拱頂?shù)貙訌纳现料轮饕獮椋?①2素填土、 ②1粉細(xì)砂、④1粉質(zhì)黏土、④3粉土、④4粉質(zhì)黏土. 盾構(gòu)開挖范圍內(nèi)主要地層為：④1粉細(xì)砂、④4粉質(zhì)黏土、⑤1粉質(zhì)黏土. 如圖1所示.

2 GPS河床監(jiān)測方案

2.1 GPS監(jiān)測原理與數(shù)據(jù)處理方法

GPS技術(shù)是通過測量用戶與至少4顆衛(wèi)星之間的距離解算用戶的三維坐標(biāo)，用戶坐標(biāo)隨時間的變化量即為用戶位移時程. 近年來，隨著GPS接收機的不斷更新和數(shù)據(jù)處理算法的進步，GPS定位精度逐漸提高，已能夠滿足大多數(shù)工程結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的精度要求，因此，GPS技術(shù)已逐漸被用于工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[16-18]. 與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測方法相比，GPS具有自動化程度高，測點之間無須通視，可實現(xiàn)動態(tài)和靜態(tài)的實時變形監(jiān)測等優(yōu)點. 然而，由于高精度的GPS長期觀測研究需要進行繁雜的數(shù)據(jù)處理，GPS技術(shù)在工程結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測領(lǐng)域的研究和應(yīng)用并不多見.

GPS數(shù)據(jù)處理有兩大類方法，絕對定位和相對定位. 絕對定位采用單個GNSS設(shè)備，根據(jù)單臺GPS接收機所記錄的觀測信號、高精度衛(wèi)星軌道和鐘差以及誤差修正模型來解算GPS天線相位中心的準(zhǔn)確位置[19]. 精密單點定位(precise point positioning, PPP)是工程結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中應(yīng)用最廣泛的絕對定位方法之一. 相對定位采用2臺或多臺GPS設(shè)備同步觀測，其中一臺作為基站，另一臺作為觀測站. 通過衛(wèi)星和接收機之間單次或多次差分來消除衛(wèi)星鐘差和大氣誤差等共同的誤差，從而計算出觀測站相對于基站的位置時間序列. 載波相位雙差法(carrier phase double difference，CPDD)，是相對定位方法中最常用的一種. 這2種方法的詳細(xì)對比可以參考Rizos等[20]，Liu等[21]、何明憲等[22]、代桃高[23]的研究. 與絕對定位方法相比，相對定位法在GPS結(jié)構(gòu)監(jiān)測項目中使用較多[24-26]，這主要是因為差分處理方法簡單，不涉及精確的絕對位置，也不涉及參考框架和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等復(fù)雜處理環(huán)節(jié)，并且能夠獲得毫米級甚至亞毫米級的相對位置精度[27-28]. 在相對定位過程中，移動站的精度在很大程度上依賴于基站的穩(wěn)定性，所以對基站的穩(wěn)定性評價至關(guān)重要.

2.2 基站及監(jiān)測站的布置

本觀測項目建立由1臺基站和6臺監(jiān)測站組成的永久GPS觀測臺網(wǎng)，用基于穩(wěn)定局域參考框架的PPP技術(shù)評價基站的穩(wěn)定性，用載波相位差分技術(shù)解算觀測臺站相對于基站的相對位移. 在盾構(gòu)隧道下穿滹沱河區(qū)間內(nèi)選取3個斷面監(jiān)測河床變形，每個斷面內(nèi)左、右線上分別安裝1個監(jiān)測站，并按照掘進方向依次編號為左線GPS1、GPS3、GPS5，右線GPS2、GPS4、GPS6，見圖1、2.

各監(jiān)測站GPS天線均安裝在φ100×3的鋼管頂端，鋼管高出水面約2 m，鋼管底部澆筑于800 mm×800 mm×600 mm的鋼筋混凝土基座中，基座在盾構(gòu)進入穿河區(qū)間之前2個月被沉入河底. 為增強鋼管和基座的穩(wěn)定性，在鋼管上焊接4個斜撐，直接插入河床底部. 太陽能電池板和配電箱安裝在獨立的支架上，每塊太陽能電池板為同斷面上2臺GPS接收機提供電源，見圖3.

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

3.1 基站穩(wěn)定性分析

本觀測方案擬用短基線的載波相位差分技術(shù)解算各監(jiān)測站的變形，因此基站的穩(wěn)定性直接影響河床變形監(jiān)測精度. 為評估基站的長期穩(wěn)定性，本文采用PPP技術(shù)解算基站在全球參考框架(IGS14)中24 h連續(xù)觀測的平均位置，然后將相對于全球參考框架的位置轉(zhuǎn)換到一個穩(wěn)定的局域參考框架[29]，以避免長期靜態(tài)觀測中地球板塊運動造成的影響. 本文選用Wang等[30]建立的華北穩(wěn)定參考框架(NChina16)為局域參考框架. 該參考框架在水平方向的穩(wěn)定性(精度)約為1.0 mm/a，在垂直方向約為 1.5 mm/a. 穩(wěn)定臺站相對于該參考框架的3個方向(東西、南北、垂直方向)位移時間序列將保持水平，即場地速度接近零.

PPP技術(shù)的變形測量精度通常用長期穩(wěn)定GPS臺站的位移時間序列的均方根誤差(root mean square of errors，RMSE)來評估[31-32]. 圖4為采用PPP技術(shù)解算的基站和監(jiān)測站GPS1相對于華北穩(wěn)定參考框架(NChina16)從2018年4月到12月的位移時程，其中每天的位移由24 h的觀測結(jié)果解算得到. 選取基站從4月18日到12月7日的位移時程來評價PPP技術(shù)24 h平均測量的精度. 在豎直、南北、東西3個方向上的RMSE分別為9.6、2.8、2.9 mm. 觀測點GPS1的位移時程表明該臺站在5月26日經(jīng)歷了比較明顯的豎向位移(沉降)，在水平方向的位移不明顯. 盾構(gòu)在5月26日10時下穿GPS1的位置，24 h單點絕對定位的精度不足以精確辨別GPS1在盾構(gòu)通過前后的微小位移，因此本文用載波相位差分方法解算觀測點相對于基站的相對位移時程. 根據(jù)Wang[33]的研究，載波相位差分法在基線小于約2 km的情況下，24 h連續(xù)觀測能夠達到亞毫米級的變形觀測精度.

3.2 觀測點的位移時程

為了更加方便研究掘進過程中，測點位移與開挖方向之間的關(guān)系以及2條隧道開挖時的相互影響，作者將載波相位雙差法解算結(jié)果在水平面內(nèi)順時針旋轉(zhuǎn)63.7°，建立以掘進方向為X軸(縱向)，以垂直隧道軸線為Y軸(橫向，從左線到右線方向為正)的平面坐標(biāo)系，如圖5所示.

由各監(jiān)測站位置可得到各監(jiān)測站對應(yīng)的里程及環(huán)號，根據(jù)盾構(gòu)施工監(jiān)控數(shù)據(jù)可判斷出盾構(gòu)開挖面經(jīng)過監(jiān)測站的時間，見表1. 采用載波相位雙差法分別解算其在觀測間隔為24 h和1 h的平均位置，從而獲得觀測臺站GPS1從4月10日到12月16日的觀測結(jié)果，見圖6. 在24 h連續(xù)觀測情況下，對GPS1位移時程去除盾構(gòu)施工影響后計算在豎直方向、水平橫向和水平縱向的RMSE分別為0.7、0.4、0.5 mm，觀測精度可達到亞毫米級. 觀測間隔為1 h的情況下，GPS1位移時程去除盾構(gòu)施工影響后在豎直方向、水平橫向和水平縱向的均方根誤差分別為8.7、5.6、9.6 mm，觀測精度達到毫米級.

采用載波相位雙差法解算6臺監(jiān)測站在24 h連續(xù)觀測下的位移時間序列，見圖7. 圖7(a)(b)(c)分別表示GPS1和GPS2、GPS3和GPS4、GPS5和GPS6在豎直方向以及水平橫向、水平縱向的位移時程，圖中黑色虛線表示盾構(gòu)經(jīng)過右線各監(jiān)測站的時間，紅色虛線表示盾構(gòu)經(jīng)過左線各監(jiān)測站的時間. 由圖7可見，在豎直方向上，GPS1和GPS2在盾構(gòu)通過過程中產(chǎn)生明顯的永久沉降，累計約23 mm和20 mm；GPS3和GPS6觀測到比較輕微的永久沉降，累計約10 mm；GPS4和GPS5未觀測到明顯的地面沉降. 在沿隧道軸線方向(水平縱向)上，各監(jiān)測站中只有GPS1位移較大，其他均較?。辉诖怪彼淼垒S線方向(水平橫向)上，各監(jiān)測站位移主要表現(xiàn)為在盾構(gòu)經(jīng)過時向著相鄰線路靠攏，其中，在先行線影響下，各監(jiān)測站水平橫向位移相對較小，在后行線影響下，各監(jiān)測站水平橫向位移較大，且先行線上監(jiān)測站的水平橫向位移比后行線上監(jiān)測站的水平橫向位移更大.

表1 各監(jiān)測站對應(yīng)環(huán)號及盾構(gòu)經(jīng)過時間

先行線對后行線上方各監(jiān)測站的影響在豎直方向上較明顯，水平方向引起的河床變形則很輕微(小于5 mm)，而后行線對先行線上方監(jiān)測站的影響主要表現(xiàn)在水平橫向上，在垂直方向幾乎沒有影響. 在后行線的影響下，先行線上的GPS2向后行線靠攏約1.0 cm，先行線上GPS6向后行線靠攏約1.5 cm.

4 河床變形分析

4.1 河床沉降

由圖2可見，GPS1、GPS2所在位置隧道埋深相對其他4個監(jiān)測站稍淺(約2.0 m),且GPS1、GPS2所在河床地層中雜填土土層相對較厚，根據(jù)地質(zhì)勘查報告，該土層相對松散，故而GPS1、GPS2測站在盾構(gòu)施工過程中沉降量明顯大于其他4個監(jiān)測站.

圖8、9所示為采用相對定位法獲取的GPS1和GPS2的每小時縱向沉降曲線. 由圖8、9可見，GPS1處沉降約開始于5月25日12時，GPS2處沉降約開始于4月27日6時，根據(jù)盾構(gòu)施工記錄，GPS1沉降開始于刀盤距離測點約18.0 m時，GPS2沉降開始于刀盤距離測點約25.0 m時，即沉降在掌子面前方3～4倍盾構(gòu)直徑的地方開始出現(xiàn). GPS1在開始沉降之前存在輕微隆起，最大沉降速率約為5 mm/d.

GPS1在開挖刀盤到達前約18 m時，沉降速率迅速增大，從刀盤即將到達測點下方直至盾尾脫出，沉降速率基本維持不變，盾尾脫出后沉降速率略有增大，然后逐漸減小. GPS2在開挖刀盤到達前約15.0 m時，沉降速率逐漸增大，直至盾尾脫出，盾尾脫出后，沉降速率逐漸減小. GPS監(jiān)測結(jié)果顯示，GPS1和GPS2沉降速率都是在盾尾脫出前后達到最大值.

4.2 縱向水平位移

GPS1每小時觀測到的河床縱向水平位移與到掌子面距離的關(guān)系見圖10. GPS1在掌子面到達之前約60.0 m時開始向前移動約10.0 mm，在掌子面到達之前約5.0 m時，逐漸向后回彈，前后移動范圍達15.0 mm左右.

在盾構(gòu)施工過程中，地表縱向(沿隧道軸線方向)水平位移的研究較少. 陳仁朋等[34]認(rèn)為土壓平衡盾構(gòu)推進過程中的總推力由刀盤面板阻力、刀盤開口阻力和盾殼四周摩阻力三部分組成，并給出總推力計算的理論公式. 根據(jù)文獻[29]提供的理論計算公式，本工程中盾構(gòu)總推力估計值約為20.5 MN. 左線盾構(gòu)推進過程中千斤頂實際總推力隨環(huán)號的變化見圖11. 左線推進至GPS1所在環(huán)號之前，總推力均明顯大于理論計算值，而在經(jīng)過GPS3、GPS5以及右線各監(jiān)測站(GPS2、GPS4、GPS6)時，總推力均維持在22 MN左右，分析認(rèn)為這正是GPS1在縱向水平位移明顯的原因.

在掌子面到達GPS1下方之前約5.0 m(0.8D)時，地表縱向水平位移開始向后回彈，掌子面逐漸遠離后，縱向水平位移逐漸恢復(fù)為0. 由于孔隙水壓力不透水邊界為1D范圍[35]，因此在掌子面距離監(jiān)測站約5.0 m時，GPS1位于刀盤開挖所產(chǎn)生的滲透邊界以內(nèi)，測站下方土體產(chǎn)生應(yīng)力釋放，從而導(dǎo)致GPS1水平縱向位移向后回彈.

4.3 橫向水平位移

目前，國內(nèi)外學(xué)者對雙線盾構(gòu)隧道先行線與后行線在施工過程中的相互影響問題進行了大量研究，但主要以理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗為主. 丁智等[36]對軟土地區(qū)雙線盾構(gòu)施工過程中先行線與后行線在地表沉降變形中的相互影響進行分析，發(fā)現(xiàn)后行線對地表沉降的影響更大，但沒有涉及先行線與后行線在地表水平位移中的相互影響. 劉瑋等[37]以廣佛城際鐵路隧道為例，通過實測數(shù)據(jù)，分析了后行線施工對先行線管片水平附加位移量的影響，但沒有監(jiān)測地表變形. 本文根據(jù)GPS實測數(shù)據(jù)，對雙線盾構(gòu)施工過程中先行線和后行線在地表水平位移中的相互影響進行分析.

在本觀測項目中，各監(jiān)測站橫向(垂直隧道軸線方向)水平位移主要發(fā)生于左線(后行線)盾構(gòu)經(jīng)過各監(jiān)測站時，見圖7. 在右線(先行線)施工影響下，河床水平橫向變形較小，只有GPS1和GPS2記錄到約5.0 mm的水平橫向位移. 在后行線施工影響下，先行線上各監(jiān)測站橫向水平位移相對較大. 后行線對水平橫向位移的影響見圖12. 在后行線盾構(gòu)通過時，位于先行線上的各監(jiān)測站(GPS2、GPS4、GPS6)橫向水平均為負(fù)(即向后行隧道軸線方向靠攏)；位于后行線上的各監(jiān)測站中，GPS1和GPS3距離后行隧道軸線較近，水平橫向位移幾乎為0，GPS5位于后行隧道右側(cè)，橫向水平為正(向后行隧道軸線方向靠攏). 在后行線施工影響下，線路中心兩側(cè)河床均向后行隧道軸線方向靠攏. 對后行隧道軸線左側(cè)各監(jiān)測站(GPS1、GPS2、GPS3、GPS4、GPS6)水平橫向位移進行擬合可見，在后行線左側(cè)，河床水平橫向位移與到后行線軸線之間的橫向距離呈線性關(guān)系，后行線施工在其左側(cè)的影響范圍約為23 m (3.5D). 由于后行線右側(cè)只有GPS5一個測站，故本文暫不對線路右側(cè)水平橫向位移影響范圍進行討論.

5 結(jié)論

1) 基于高精度GPS技術(shù)的地鐵隧道下穿河道引起河床變形的長期監(jiān)測方法具有精度高、自動化、全天候監(jiān)測等優(yōu)點. 該方法可根據(jù)工程需要解算不同時間間隔的河床平均變形(相對位移)時間序列，由24 h連續(xù)觀測值解算的平均變形可達到亞毫米級的精度，由1 h連續(xù)觀測值解算的平均變形可達到毫米級的精度. GPS相對定位方法在盾構(gòu)施工影響下的河床變形監(jiān)測中可行.

2) 在掌子面到達測站之前，河床表現(xiàn)為先隆起后沉降，沉降開始于掌子面到達前3～4D. 沉降開始后，速率逐漸增大，至盾尾脫出前后，沉降速率達到最大值，繼而沉降速率逐漸減小.

3) 在水平方向上，地表縱向水平位移受盾構(gòu)總推力影響比較明顯，在較大總推力影響下，地表縱向水平位移表現(xiàn)為先向前移動，在掌子面到達測站前約0.8D時，地表縱向水平位移向后回彈，最終地表縱向水平位移在盾構(gòu)經(jīng)過后逐漸恢復(fù)為0.

4) 后行線對地表橫向水平位移的影響比先行線的影響大，且后行線對先行線上各測站的影響比對后行線上各測站的影響更大. 在后行線影響下，隧道兩側(cè)河床在水平方向上均向隧道軸線靠攏，后行線對左側(cè)河床在水平橫向上的影響范圍約為3.5D.