多元監(jiān)測系統(tǒng)在盾構(gòu)隧道下穿既有運(yùn)營地鐵中的應(yīng)用

0 引言

隨著各地大力發(fā)展區(qū)域性軌道交通建設(shè)，城市運(yùn)營地鐵線網(wǎng)不斷密集，新建線路穿越既有線路工程項(xiàng)目也隨之增多。在地鐵隧道建設(shè)施工中，盾構(gòu)法施工以其特有優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用，盾構(gòu)穿越工程施工期間，既有運(yùn)營地鐵結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定尤為重要，而傳統(tǒng)的監(jiān)測方式已無法滿足運(yùn)營期實(shí)時監(jiān)測，本文以新建盾構(gòu)隧道下穿既有運(yùn)營地鐵工程為例，研究多元智能監(jiān)測系統(tǒng)在盾構(gòu)下穿高頻變形監(jiān)測中的應(yīng)用。

1 工程概述

1.1 項(xiàng)目概況

新建5號線誠信大道站~清水亭站區(qū)間隧道下穿既有3號線誠信大道站~九龍湖站區(qū)間隧道，5號線下穿隧道及既有3號線隧道為盾構(gòu)隧道，隧道下穿位置距離既有3號線誠信大道站約40m，距離新建的5號線誠信大道站約48m。下穿位置對應(yīng)3號線區(qū)間隧道影響范圍上、下行線各22m。新建5號線區(qū)間隧道底埋深為24.1m，既有3號線隧道埋深為15.9m，5號線區(qū)間隧道與3號線區(qū)間隧道豎向最小凈距離為1.92m。（圖1）

圖1 盾構(gòu)隧道下穿位置關(guān)系圖

1.2 地質(zhì)條件

1.2.1 工程地質(zhì)特征

項(xiàng)目位于雙龍大道與誠信大道交界處，地貌單元屬古秦淮河沖積平原，地形較平坦，地面吳淞高程在7.04～9.47m之間。

新建5號線車站外掛二層商業(yè)及風(fēng)道底板坐落于②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，三層車站底板坐落于②-3b2-3粉質(zhì)粘土及③-2b2-3粉質(zhì)粘土層中，臨時格構(gòu)柱樁基礎(chǔ)及地下連續(xù)墻底部坐落于K2c-3層強(qiáng)-中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層中。

1.2.2 水文特征

本工點(diǎn)場地地下水主要為孔隙潛水，局部分布有弱承壓水，其中孔隙潛水主要賦存于①-1雜填土、①-2素填土及②層新近沉積土中。①-1雜填土，結(jié)構(gòu)松散，①-2素填土，松軟，由軟-可塑狀粉質(zhì)粘土組成，夾碎塊，厚度不均，富水性一般，透水性一般。②層新近沉積土，均為粘性土（局部夾粉土），厚度較大，富水性差、透水性差。

2 監(jiān)測概況

2.1 監(jiān)測方法

為確保新建盾構(gòu)隧道盾構(gòu)下穿期間既有地鐵結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全，對其進(jìn)行全方位實(shí)時監(jiān)測。通過采用多元智能監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行自動化監(jiān)測，掌握盾構(gòu)下穿施工過程中對既有地鐵工程結(jié)構(gòu)引起的變化，為建設(shè)方及地鐵相關(guān)方提供及時、可靠的數(shù)據(jù)成果和變形信息，評定施工對既有地鐵結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響，及時判斷既有地鐵工程的結(jié)構(gòu)安全。

2.2 監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)

2.2.1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用多元智能監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集獲取、通訊傳輸、處理、分析、展示等環(huán)節(jié)，并最終進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估和提供最優(yōu)治理方案。系統(tǒng)通過虛擬多串口擴(kuò)展模塊、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集控制模塊和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)依次通信連接，采用多線程并行通信方式實(shí)現(xiàn)虛擬多串口進(jìn)行多線程并行通信，同時支持多臺不同型號的傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，并自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原始觀測數(shù)據(jù)的處理及平差計(jì)算，最終通過云平臺對監(jiān)測報(bào)表圖形化展示，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測成果的即時查看、實(shí)時分析、量化評價(jià)等功能。（圖2）

圖2 多元監(jiān)測系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

①智能全站儀采集設(shè)備。根據(jù)監(jiān)測范圍、地鐵線路走向、本項(xiàng)目對應(yīng)段隧道既有變形情況，結(jié)合項(xiàng)目平縱斷面關(guān)系、隧道現(xiàn)場實(shí)際情況與監(jiān)測項(xiàng)目、施工期間對地鐵結(jié)構(gòu)可能存在影響，共使用2臺Leica TM30智能型全站儀（上、下行線各1臺）實(shí)施自動化監(jiān)測，完成各監(jiān)測點(diǎn)位三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的采集，從而反映隧道結(jié)構(gòu)的垂直位移、水平位移等變形情況。監(jiān)測系統(tǒng)采用自主研發(fā)的多元智能監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)性能可靠且運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。在監(jiān)測工作實(shí)施前對影響范圍內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面普查，結(jié)合普查狀態(tài)與施工過程中地鐵結(jié)構(gòu)變形速率進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。

②自動化激光測距儀采集設(shè)備。由于本工程項(xiàng)目段隧道環(huán)境條件較差，隧道為直線段且點(diǎn)位布設(shè)較為密集，為避免小角度測量帶來的觀測誤差，本次隧道直徑收斂監(jiān)測采用激光測距儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)對既有隧道直徑收斂進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測精度優(yōu)于±1.0mm，能夠很好地滿足地鐵隧道收斂監(jiān)測要求。

收斂監(jiān)測系統(tǒng)采用HD-2NJ110型激光測距儀傳感器，該測距儀精度高、穩(wěn)定性好，通過發(fā)射激光束至目標(biāo)物體，利用反射光束精確計(jì)算距離，因此無需增設(shè)反射靶的情況下，也能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測，而且對目標(biāo)物體的尺寸面積要求比超聲波類型要求小，使得對遠(yuǎn)距離的小尺寸物體位置檢測成為可能。HD-2NJ110型測距儀測量響應(yīng)速度快，具有RS232/RS422接口能進(jìn)行自動化連續(xù)監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)采集通訊模塊把成果數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)浇K端，并通過服務(wù)器遠(yuǎn)程展示。

2.2.2 基準(zhǔn)點(diǎn)及工作基點(diǎn)布設(shè)

基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性是影響監(jiān)測成果精度的關(guān)鍵性因素，為保證基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定可靠，基準(zhǔn)點(diǎn)分別布設(shè)在項(xiàng)目變形區(qū)外60～80m誠信大道站到九龍湖站區(qū)間隧道內(nèi)穩(wěn)定位置處，上下行線各布設(shè)2個基準(zhǔn)點(diǎn)組，每個基準(zhǔn)點(diǎn)組含8個L型小棱鏡基準(zhǔn)點(diǎn)。

為提高監(jiān)測成果精度，現(xiàn)場將全站儀工作基點(diǎn)的視線范圍控制在150m內(nèi)，在工作基點(diǎn)上安裝具有避震功能的強(qiáng)制對中支架，用于安置全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.2.3 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

盾構(gòu)下穿影響范圍為工程正上方對應(yīng)段及兩側(cè)各外擴(kuò)15m，全長約52m，原則上每隔3m布設(shè)一個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面包括道床垂直位移、管片垂直位移、道床水平位移、水平收斂。上、下行線各布設(shè)18個監(jiān)測點(diǎn)，共布設(shè)36個監(jiān)測斷面。（圖3）

圖3 5號線盾構(gòu)下穿施工階段特征點(diǎn)位分布圖

2.3 監(jiān)測頻率

盾構(gòu)穿越過程中，5號線左線盾構(gòu)先穿越3號線上行線，后穿越3號線下行線。本次施工于1月1日進(jìn)入3號線上行線影響區(qū)（開挖面至監(jiān)測斷面距離8D范圍），頻率1天/次，1月2日距離27環(huán)，頻率4h/次，1月3日距離18環(huán)，頻率2h/次，1月5日盾構(gòu)刀盤推進(jìn)到3號線上行線隧道平面投影線的下方，頻率為30min/次，1月8日盾尾脫離3號線下行線隧道投影線，頻率為1h/次，正下方穿越歷時4天；同時，隨著盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)離既有3號線，監(jiān)測頻率也逐步放緩。于1月16日盾構(gòu)機(jī)完成接收工作，脫離3號線下行線投影邊線48m，頻率為12h/次。

3 數(shù)據(jù)分析

選取盾構(gòu)下穿期間既有線特征斷面道床及管片垂直位移變化情況生成歷時曲線圖如圖4。

圖4 5號線盾構(gòu)下穿施工階段特征斷面道床及管片階段變化量曲線圖

由于新建盾構(gòu)隧道與既有線極為接近，且地質(zhì)狀態(tài)較差，盾構(gòu)下穿期間既有線變形明顯，主要表現(xiàn)為前期抬升、后期沉降。具體情況為，盾構(gòu)穿過既有3號線上行線正下方后，盾構(gòu)施工開始對既有線隧道產(chǎn)生影響，道床垂直位移與管片垂直位移出現(xiàn)明顯抬升，其中峰值時期盾構(gòu)切口穿過3號線上行線正下方后，上行線特征斷面Z8、Z9、Z10道床上抬量分別為10.7mm、12.0mm、9.8mm，管片上抬量分別為8.3 mm、9.3 mm、7.5mm，且當(dāng)日3號線隧道上行線瞬時（30min）隆起曾最高達(dá)1.8mm。同時，Z8、Z9、Z10斷面水平收斂也產(chǎn)生明顯擴(kuò)張，當(dāng)日變化量分別為外擴(kuò)6.9mm、6.5mm、4.9mm。在控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度及注漿參數(shù)后抬升速率逐漸趨緩，隨后上、下行線道床垂直位移上抬量達(dá)到最大值14.6mm（Z9）、5.4mm（Y9）；盾構(gòu)機(jī)盾尾通過3號線下行線正下方后，道床、管片均呈現(xiàn)下沉趨勢；在脫出盾尾5環(huán)后既有線線沉降速度較快，上行線特征斷面當(dāng)日平均沉降-2.2mm；隨著盾構(gòu)接收完成，隧道結(jié)構(gòu)處于緩慢下沉狀態(tài)，平均沉降-0.5mm/d；后期，針對3號線下行線進(jìn)行多次疊交注漿施工后，既有線出現(xiàn)輕微回隆，隨后繼續(xù)緩慢下沉。

盾構(gòu)機(jī)接收后，為保障穿越后3號線安全運(yùn)營，采取了一系列補(bǔ)償注漿措施，在5號線隧道上部注漿孔對應(yīng)3號線隧道底部土體進(jìn)行拱頂補(bǔ)強(qiáng)注漿，從而形成長期、均勻、穩(wěn)定的加固體，依靠土體應(yīng)力補(bǔ)償?shù)脑?，使既有線趨向于穩(wěn)定；近半月的沉降速率有所緩解，上行線最大-0.115mm/d，下行線最大-0.107mm/d。

4 結(jié)語

①結(jié)合地鐵5號線盾構(gòu)下穿既有3號線工程實(shí)例，闡述多元智能監(jiān)測系統(tǒng)的原理、方法及現(xiàn)場實(shí)施，并根據(jù)下穿期間實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析盾構(gòu)下穿工程對既有線的具體影響。盾構(gòu)下穿過程中，既有線正投影段出現(xiàn)前期隆起、后期沉降的變形趨勢，在控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度和注漿參數(shù)后，隆起情況有所減弱，在盾構(gòu)下穿完成后，既有線處于持續(xù)緩慢下沉狀態(tài)，說明既有線受盾構(gòu)推進(jìn)擾動較大，土體變形受影響時間也較長。盾構(gòu)進(jìn)入接收井后至今，既有線隧道結(jié)構(gòu)處于緩慢下沉趨勢，在新建隧道內(nèi)部針對既有線下方進(jìn)行多次疊交注漿施工后，既有線出現(xiàn)輕微回隆，沉降趨勢逐漸減緩。根據(jù)連續(xù)跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，盾構(gòu)施工過程中，注漿施工起到了減緩和穩(wěn)定既有線結(jié)構(gòu)變形的作用。

②采用多元智能監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行全時段監(jiān)測，通過對激光測距儀、全站儀智能化整合，用于盾構(gòu)下穿既有地鐵線路期間高頻觀測，頻率最高達(dá)30min/次，即時反映地鐵結(jié)構(gòu)變形情況，為地鐵建設(shè)、運(yùn)營、施工等多方提供準(zhǔn)確高效的決策依據(jù)，確保下穿工程順利完工，也為類似地質(zhì)盾構(gòu)下穿既有地鐵工程項(xiàng)目的開展積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。