既有地鐵隧道受盾構(gòu)長(zhǎng)距離并行影響的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)研究

張立鋒 楊嘉威 顧城瑋

（1.廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510670；2.河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

1 引言

隨著城市地鐵線路的高速發(fā)展，在建地鐵車站或隧道與既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路之間的近距離施工日益增多。在臨近既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路施工時(shí)，可能導(dǎo)致開挖面周邊土層孔隙水壓力平衡破壞，巖土體產(chǎn)生隆起、下沉或側(cè)向位移[1]，使既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路產(chǎn)生變形，影響地鐵運(yùn)營(yíng)安全，因此要對(duì)既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路開展變形監(jiān)測(cè)，為施工安全及地鐵運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)提供必要信息。傳統(tǒng)測(cè)量手段如水準(zhǔn)儀、全站儀等，常被用來(lái)監(jiān)測(cè)既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路的變形，雖能獲取精度較高的數(shù)據(jù)，但也存在工作量大、人力成本高，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)等問(wèn)題。自動(dòng)型全站儀在傳統(tǒng)全站儀基礎(chǔ)上集成了馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別等裝置，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)棱鏡的自動(dòng)搜索、照準(zhǔn)、跟蹤和測(cè)量，具備全時(shí)段、高效率、實(shí)時(shí)性等優(yōu)勢(shì)[2]，為地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)提供了新的技術(shù)手段。

上世紀(jì)90 年代起，諸多學(xué)者對(duì)自動(dòng)型全站儀在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用展開了大量研究與開發(fā)，徠卡公司最早研發(fā)了TCA+APS Win 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在德國(guó)地鐵中開始了地鐵隧道監(jiān)測(cè)，此后又于本世紀(jì)初升級(jí)開發(fā)了GeoMoS 系統(tǒng)，應(yīng)用于上海、南京等城市的地鐵隧道監(jiān)測(cè)[3]；張莊學(xué)等[4]在湖南某發(fā)電站進(jìn)行了大壩變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)，開發(fā)了SMDAMS 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，證明自動(dòng)型全站儀可實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測(cè)，結(jié)果可達(dá)亞毫米級(jí)要求；張正祿等[5]結(jié)合工程需求，在武漢長(zhǎng)江大橋和三峽庫(kù)區(qū)的變形監(jiān)測(cè)中采用了自主研發(fā)的測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)進(jìn)行推廣。本文以某市在建地鐵十二號(hào)線區(qū)間隧道工程為例，分析了自動(dòng)型全站儀變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的相關(guān)原理，并在在建地鐵隧道工程中實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)長(zhǎng)距離并行的既有地鐵隧道多站聯(lián)測(cè)，獲取施工各階段既有隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，保證施工及地鐵運(yùn)營(yíng)安全，監(jiān)測(cè)方法和結(jié)論可為類似項(xiàng)目提供指導(dǎo)和參考。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 自動(dòng)型全站儀變形監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

自動(dòng)型全站儀變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由自動(dòng)型全站儀、棱鏡組、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)軟件等構(gòu)成[6]，具體步驟為：（1）在既有地鐵隧道內(nèi)安裝自動(dòng)型全站儀和棱鏡；（2）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)；（3）在計(jì)算機(jī)中采用自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)后處理。具體流程如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)型全站儀變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程

長(zhǎng)距離既有地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)時(shí)，隨著監(jiān)測(cè)范圍增加，需布設(shè)多臺(tái)自動(dòng)型全站儀進(jìn)行多站聯(lián)測(cè)，多臺(tái)儀器間的坐標(biāo)通過(guò)公共棱鏡建立聯(lián)系。為保證基準(zhǔn)網(wǎng)解算精度，兩臺(tái)儀器間距離為100～120 米，公共棱鏡設(shè)在兩臺(tái)儀器的1/3 至2/3處，布設(shè)方案如圖2 所示[8]。

圖2 多站聯(lián)測(cè)外業(yè)布設(shè)方案

2.2 三維坐標(biāo)解算原理

在計(jì)算機(jī)中采用自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)后處理，主要包括兩個(gè)過(guò)程[8]：

（1）利用測(cè)站點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)、公共點(diǎn)，后方交會(huì)獲得測(cè)站點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)。后方交會(huì)的公式為：

公式（1）中，A、B、C分別為已知的基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)，α、β、γ分別為觀測(cè)的角度。

（2）根據(jù)已知后視點(diǎn)和實(shí)時(shí)測(cè)站坐標(biāo)設(shè)站，利用全站儀極坐標(biāo)三維測(cè)量原理，計(jì)算觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，計(jì)算公式為：

公式（2）中，（XA，YA，ZA）為觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，S為距離，α和β分別為水平角和垂直角。

3 實(shí)驗(yàn)區(qū)域與數(shù)據(jù)獲取

實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)槟呈性诮ǖ牡罔F十二號(hào)線區(qū)間隧道工程，盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中與既有地鐵四號(hào)線存在一段較長(zhǎng)距離的線路隧道并行段，其中最小的水平距離僅為3.01m。兩條線路工程平面位置如圖3 所示。

圖3 兩條線路工程平面位置

在既有地鐵四號(hào)線隧道里程YDK19+275～535m 間，根據(jù)2.1 節(jié)多站聯(lián)測(cè)外業(yè)布設(shè)方案開展自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，共布設(shè)斷面27 個(gè)、自動(dòng)型全站儀2 臺(tái)（分別位于里程340m 和535m 處）。兩臺(tái)自動(dòng)型全站儀均選用徠卡TM30系列，自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)軟件選用廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司自主研發(fā)的WebMoS 安全智能監(jiān)測(cè)與預(yù)警一體化云平臺(tái)，監(jiān)測(cè)周期自2022 年1 月10 日在建盾構(gòu)左線進(jìn)入影響范圍起，至2023 年3 月5 日在建盾構(gòu)雙線貫通結(jié)束，獲取監(jiān)測(cè)周期14 個(gè)月間受在建地鐵十二號(hào)線盾構(gòu)掘進(jìn)影響既有地鐵四號(hào)線隧道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 既有地鐵四號(hào)線隧道位移變形分析

整理14 個(gè)月內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制沿隧道里程方向的豎向和橫向位移變形曲線圖，分別如圖4 和圖5所示。由圖可知，2022 年1 月在建盾構(gòu)左線進(jìn)入影響范圍前，既有線未見(jiàn)明顯變形；2022 年8 月左線盾構(gòu)掘進(jìn)并貫通后，既有線周圍巖土體平衡受到破壞，隧道出現(xiàn)不同程度的位移，沉降槽明顯，其中豎向位移最大為-0.87mm，對(duì)應(yīng)里程524m 處，橫向位移最大為7.01mm，對(duì)應(yīng)里程424m 處；接著，在建盾構(gòu)右線進(jìn)入影響范圍至盾構(gòu)右線貫通后，既有四號(hào)線隧道位移逐漸增大，此時(shí)豎向位移最大為2.08mm，對(duì)應(yīng)里程484m處，橫向位移最大為-6.67mm，對(duì)應(yīng)里程424m 處。

圖4 豎向位移變形曲線

圖5 橫向位移變形曲線

對(duì)在建盾構(gòu)貫通后位移量最大的位置，進(jìn)一步提取該監(jiān)測(cè)斷面的時(shí)序變形值，分別如圖6 和7 所示。其中，2022 年7 月前，在建盾構(gòu)左線掘進(jìn)時(shí)隧道無(wú)明顯位移趨勢(shì)；2022 年8 月至10 月，在建盾構(gòu)左線貫通而右線掘進(jìn)，隧道豎向及橫向位移趨勢(shì)明顯，主要體現(xiàn)為豎向隆起、橫向朝遠(yuǎn)離盾構(gòu)一側(cè)位移；2022 年11 月后，盾構(gòu)掘進(jìn)的影響逐漸降低，變形區(qū)域穩(wěn)定。

圖6 豎向位移最大位置（里程484m）時(shí)序變形曲線

圖7 橫向位移最大位置（里程424m）時(shí)序變形曲線

4.2 自動(dòng)化聯(lián)測(cè)與人工水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

利用2022 年8 月1 日的實(shí)測(cè)水準(zhǔn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)所得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中豎向位移精度，驗(yàn)證多站聯(lián)測(cè)外業(yè)布設(shè)方案的精度及可靠性。先提取道床1 號(hào)點(diǎn)和2 號(hào)點(diǎn)該時(shí)間段自動(dòng)化聯(lián)測(cè)與人工水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，共52 個(gè)點(diǎn)位，分別繪制對(duì)比曲線圖，如圖8 和圖9 所示，對(duì)比計(jì)算結(jié)果如表1 所示。實(shí)測(cè)水準(zhǔn)數(shù)據(jù)由棱鏡旁的水準(zhǔn)點(diǎn)監(jiān)測(cè)所得，導(dǎo)致兩者位移量并非完全相同，但從曲線趨勢(shì)看，自動(dòng)化聯(lián)測(cè)與人工水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果除個(gè)別粗差點(diǎn)外位移基本一致，絕對(duì)誤差均小于1mm，標(biāo)準(zhǔn)差為2.27mm，均方根誤差為0.48mm。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中豎向位移精度較高，多站聯(lián)測(cè)外業(yè)布設(shè)方案合理，監(jiān)測(cè)效果較好，可為施工及地鐵運(yùn)營(yíng)安全提供支持。

表1 自動(dòng)化與人工水準(zhǔn)對(duì)比結(jié)果

圖8 道床1號(hào)點(diǎn)自動(dòng)化與人工水準(zhǔn)對(duì)比曲線

5 結(jié)論

本文以某市在建地鐵十二號(hào)線區(qū)間隧道工程為例，采用自動(dòng)型全站儀多站聯(lián)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)長(zhǎng)距離并行的既有地鐵隧道，主要結(jié)論如下：

（1）盾構(gòu)長(zhǎng)距離并行時(shí)，既有地鐵隧道變形受掘進(jìn)影響，2022 年8 月至10 月隧道豎向及橫向位移趨勢(shì)明顯，變形表現(xiàn)為豎向隆起、橫向朝遠(yuǎn)離盾構(gòu)一側(cè)位移。（2）監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，既有地鐵隧道豎向位移最大為2.08mm，橫向位移最大為-6.67mm，盾構(gòu)掘進(jìn)的影響于雙線貫通后降低，變形區(qū)域逐漸穩(wěn)定。（3）實(shí)驗(yàn)采用的多站聯(lián)測(cè)外業(yè)布設(shè)方案合理，自動(dòng)化聯(lián)測(cè)與人工水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致，精度較高，可為類似工程提供指導(dǎo)。