下穿隧道盾構(gòu)施工區(qū)間既有鐵路軌道沉降三維可視化方法

楊杰，吳衛(wèi)澤，劉宏 （.安徽上鐵地方鐵路開發(fā)有限公司，安徽 合肥 30094；.中鐵四局集團有限公司設(shè)計研究院，安徽 合肥 300）

1 引言

近年來，我國城市軌道交通建設(shè)持續(xù)發(fā)展，全國城市軌道交通運營里程在2022 年底突破了1 萬km。同時，既有鐵路運營里程已經(jīng)突破了15 萬km，預(yù)計在2025 年達到17.5 萬km 左右。在城市軌道交通建設(shè)中，地鐵隧道下穿既有運營鐵路與場站的工況越來越多。在下穿隧道盾構(gòu)施工期間必然會對盾構(gòu)區(qū)間既有鐵路軌道產(chǎn)生擾動，從而影響鐵路的安全運營，而既有鐵路的運營也可能會對下穿隧道施工安全造成不利影響。因此，有必要對下穿隧道盾構(gòu)施工區(qū)間的既有鐵路軌道進行變形監(jiān)測，掌握既有鐵路軌道的變形情況和規(guī)律，及時采取必要措施保障既有鐵路運營安全和下穿隧道施工安全。

傳統(tǒng)變形監(jiān)測中，往往通過變形值或一維變形曲線來表示監(jiān)測點的變形情況，對于整體變形情況的顯示不夠直觀，并且難以表達出數(shù)據(jù)所包含的所有信息。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，三維可視化在工程建設(shè)與變形監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多[1-4]。王福建等[5]利用布爾算法模擬了隧道掘進過程，并構(gòu)建了隧道三維景觀模型。Xie X Y 等[6]基于地面三維激光掃描技術(shù)，結(jié)合MATLAB 平臺實現(xiàn)了盾構(gòu)隧道的三維可視化監(jiān)測。張耀平等[7]基于SURFER軟件繪制了采空區(qū)地表沉降三維表面圖、切面圖，實現(xiàn)了更加直觀的地表沉降顯示。翟若明等[8]利用激光雷達點云數(shù)據(jù)，基于ArcGIS 軟件設(shè)計并實現(xiàn)了變形監(jiān)測三維可視化程序。張其琪[9]基于蘇州地鐵2 號線光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建了盾構(gòu)隧道三維模型并實現(xiàn)了二維數(shù)據(jù)云圖的繪制，較為直觀地顯示了監(jiān)測數(shù)據(jù)。周釗等[10]以南京地鐵隧道光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合BIM 技術(shù)實現(xiàn)了盾構(gòu)隧道的三維可視化監(jiān)測。徐瑞等[11]基于三維GIS 技術(shù)闡述了三維可視化大壩監(jiān)測平臺的構(gòu)建思路。詹顯軍等[12]利用等高線生成算法，結(jié)合熱力圖實現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)的可視化。盡管已有諸多學者開展了監(jiān)測數(shù)據(jù)三維可視化的研究，但由于監(jiān)測數(shù)據(jù)源的多樣和施工工況的差異，現(xiàn)有研究并不具備普遍適用性，并且關(guān)于新建地鐵隧道下穿既有鐵路區(qū)間的三維可視化監(jiān)測研究較少。

本文以合肥市地鐵4 號線天水路站至翠柏路站區(qū)間隧道下穿既有鐵路場站項目為例，構(gòu)建了下穿隧道盾構(gòu)施工區(qū)間既有鐵路軌道的三維可視化變形分析模型，全面直觀地呈現(xiàn)了既有鐵路軌道沉降信息，為既有鐵路運營和下穿隧道施工安全提供數(shù)據(jù)支撐服務(wù)。

2 工程概況

合肥地鐵4 號線天水路站至翠柏路站下穿合肥東編組站42 股道群，下穿隧道盾構(gòu)區(qū)間長度約為2773m，其中盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿合肥東編組站的水平投影長度為270m，區(qū)間隧道平面圖見圖1。

圖1 區(qū)間隧道平面圖

本區(qū)間隧道防水等級為二級。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道采用單層裝配式襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌圓環(huán)內(nèi)徑5.4m、外徑6.0m，為雙面楔形通用環(huán)，由一塊封頂塊、兩塊鄰接塊和三塊標準塊組成，錯縫拼裝。襯砌混凝土強度等級C50，抗?jié)B等級 P10，厚度 300mm，環(huán)寬1500mm。區(qū)間盾構(gòu)隧道橫斷面見圖2。

圖2 隧道橫斷面圖

為減小區(qū)間隧道施工完成地層發(fā)生的工后沉降并為規(guī)劃線路預(yù)留建設(shè)條件，區(qū)間隧道下穿既有股道群，并在規(guī)劃股道群區(qū)段采用加強型配筋管片，同時每環(huán)管片增設(shè)10 個二次注漿孔，配筋為C 型，當隧道下穿既有股道群施工時，及時進行同步注漿及二次補充注漿，將鐵路路基沉降降低到最小。

3 下穿隧道施工區(qū)間既有鐵路軌道變形監(jiān)測

合肥東編組站為二級四場規(guī)模，作為樞紐內(nèi)唯一技術(shù)作業(yè)站，承擔了淮南鐵路、合九鐵路、寧西鐵路和樞紐內(nèi)各站貨物列車的到發(fā)、解編作業(yè)，運營任務(wù)較大。在下穿隧道盾構(gòu)施工期間，既有鐵路依然需要正常運營。為了保障既有鐵路運營和下穿隧道施工安全，利用測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)，對下穿隧道施工區(qū)間既有鐵路軌道進行連續(xù)的監(jiān)測，每條鐵路左右兩側(cè)軌道上布置監(jiān)測點，其中10 條相鄰軌道變形監(jiān)測點布置示意圖見圖3。

圖3 監(jiān)測點布置示意圖

從圖3 可以看出，監(jiān)測點橫縱跨度約為100m，主要沿下穿盾構(gòu)隧道掘進方向布設(shè)，監(jiān)測點通過輔助裝置成對布設(shè)在左右兩側(cè)鐵路軌道上，沿鐵軌方向的間隔約為10m。由于既有鐵路仍需正常運營，傳統(tǒng)人工測量方法效率低、工作強度較大且進場測量時間無法保證，因此在本項目中采用測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測。在利用測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測時，首先通過學習測量模塊采集各監(jiān)測點的初始信息，然后在自動學習模塊的控制下對各監(jiān)測點三維坐標進行周期性連續(xù)自動采集。既有鐵路軌道變形監(jiān)測點初始三維模型如圖4所示。

圖4 鐵路軌道監(jiān)測點初始三維模型

從圖4 可以看出，既有鐵路軌道監(jiān)測點高程最大值和最小值之間的差值較小，整體高低起伏變化較小，說明該監(jiān)測區(qū)域整體較為平整，監(jiān)測點高程變化對數(shù)據(jù)采集影響可以忽略不計。

4 鐵路軌道變形三維可視化分析

從下穿隧道區(qū)間盾構(gòu)施工開始至結(jié)束后的一段時間內(nèi)總共進行了58 期的觀測，在施工期間以每天觀測一期的頻率進行監(jiān)測。為了消除測量過程中環(huán)境因素的影響，采用極坐標差分法對數(shù)據(jù)進行處理，以第一期監(jiān)測數(shù)據(jù)為參考值，獲得了后57 期的變形值。在施工結(jié)束后，鐵軌沉降趨于穩(wěn)定，為了詳細分析下穿隧道盾構(gòu)施工期間既有鐵路軌道變形情況，選取第1、5、9、13、17、21、25和29期的監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)建了三維可視化沉降模型，見圖5。

圖5 既有鐵路軌道累積沉降三維可視化模型

從圖5整體分析可以看出，第1期鐵路軌道沉降量為0，在下穿隧道盾構(gòu)施工初期（第1～9 期），鐵路軌道沉降逐步出現(xiàn)明顯沉降，隨著施工的進行，沉降速率變慢，但依然出現(xiàn)了持續(xù)沉降，到施工中后期（第25～29 期），鐵路軌道沉降逐漸趨于穩(wěn)定，變化較小。

通過詳細分析發(fā)現(xiàn)，在第1～5 期過程中，首先是盾構(gòu)施工區(qū)域開始出現(xiàn)沉降，所以三維模型顯示部分出現(xiàn)了沉降，但沉降量在1mm以內(nèi)；隨著盾構(gòu)施工的進行到第9 期時，在下穿隧道盾構(gòu)施工方向出現(xiàn)了明細“溝狀”沉降，離下穿隧道中線越遠，沉降量越??；在下穿隧道施工完成后的一段時間內(nèi)，鐵路軌道依然出現(xiàn)了持續(xù)沉降，但沉降速率逐步減小，第9～13 期的沉降變化量小于第5～9 期的變化量。因此，第25～29 期三維模型顯示變化較小，說明鐵軌沉降已趨于穩(wěn)定。

從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，鐵軌最大沉降量約為4mm，其沉降規(guī)律符合正常情況，說明該項目施工防治措施較好，沒有因為下穿隧道施工影響既有鐵路的正常運營，可以為后續(xù)同類型項目提供重要參考。

5 結(jié)語

針對下穿隧道盾構(gòu)施工對既有鐵路軌道變形的影響，提出了一種三維可視化變形分析方法，更加直觀地呈現(xiàn)變形監(jiān)測結(jié)果，主要結(jié)論有以下三點。

①構(gòu)建了監(jiān)測點三維模型可視化平臺，通過監(jiān)測點三維模型可以直觀地了解各監(jiān)測點分布情況。以第一期監(jiān)測數(shù)據(jù)為基準，獲取了各期監(jiān)測的變形量，并采用地表沉降三維模型圖進行了直觀的顯示，提高了變形分析的直觀性，為下穿隧道施工防治措施的制定和實施提供了可靠依據(jù)。

②在下穿隧道盾構(gòu)施工開始時，施工區(qū)域鐵軌持續(xù)沉降，且距離盾構(gòu)區(qū)域越近，沉降量越大；在盾構(gòu)施工進行一段時間后，已經(jīng)開挖區(qū)域的鐵軌沉降趨勢放緩；在盾構(gòu)施工完成后，鐵軌變形趨于穩(wěn)定，不再繼續(xù)沉降。

③在本項目中，鐵軌最大累積沉降量約為4mm，單日沉降量不超過1mm，沒有對鐵路運營造成破壞性影響，說明本項目的施工防治措施較好，可以為后續(xù)類似項目提供有利參考。