運營高速鐵路隧道實時變形監測技術應用

張 拯， 莫傲然， 王軻軒， 曹云穎

(1.四川交大工程檢測咨詢有限公司，四川 成都 610031；2.成都天佑智云科技發展有限公司，四川 成都 610031；3.成都翰誠科技有限公司，四川 成都 610031；4.中國鐵路成都局集團有限公司成都高鐵工務段，四川 成都 610000)

高鐵速度快，平穩性高，行駛速度超過250 km/h，最高可達350 km/h，高速鐵路軌道線路需要具備特別高的平順性，才能保證高鐵在高速行駛過程中具有很高的舒適性和安全性。臨近高速鐵路隧道施工作業，土方開挖、機械振動等施工影響使得區域結構應力重新分配，可能致使高鐵運營線路隧道結構產生不可逆性變形，危及高鐵區段安全平穩運營。對受施工影響的高鐵區段進行變形監測是保證高鐵安全性和平順性的必要手段。

實時監測系統能夠做到同步連續監測，能夠滿足多測點、高頻次監測的要求。同時，監測系統一次布設便可持續發揮無縫實時監測作用，滿足運營期高鐵隧道的變形監測需求。本文結合受下穿施工影響的某運營期高速鐵路隧道變形監測工程，從安全、穩定、實時的需求出發，構建實時自動化變形監測系統，變形監測數據采集采用靜力水準儀，融合通信技術和計算機技術，實現對受下穿施工影響的運營期高速鐵路隧道結構的實時遠程自動化監測。

1 項目概況

某城市新建地鐵9#線隧道采用盾構法施工隧道壁襯砌的環寬為1.5 m，鋼筋混凝土管片的外徑為6 700 mm，內徑為6 000 mm，抗滲等級和襯砌強度分別為P12和C50。隧道下穿某高鐵隧道區段，為了確保高速鐵路的安全，需要對受施工影響的高鐵隧道區段進行變形監測以驗證下穿隧道施工對受影響高鐵區段的影響。

1.1 監測方案

根據現場情況并且結合相關規范，本項目監測內容主要為：對受下穿施工影響的隧道區段K12+900～K13+020段進行實時沉降監測，并通過人工周期沉降監測對實時監測成果進行檢核。

從高鐵隧道里程K12+900開始每隔10 m設置一個斷面，每個斷面包括2個實時監測點和3個人工監測點。實時監測點固定于隧道兩側電纜槽上方20 cm的隧道襯砌上；人工監測點分別位于隧道中線底座板上和實時監測點上方0.5 m的位置處，基準點布置在受影響區段范圍的隧道襯砌上。圖1所示為項目現場的監測點布設位置圖，人工監測點39個，實時監測點26個，基準點4個。

圖1 沉降自動化實時監測系統結構

監測時段覆蓋下穿運營期高速鐵路交叉施工全過程，實時監測采用24 h不間斷自動化測量手段進行數據采集，人工周期監測每周1～2次，下穿施工時1次/d，用于對實時監測數據檢核。

1.1.1 實時監測

自動化實時變形監測系統主要由數據采集器(液體靜力水準儀)、遠程監測數據傳輸系統、數據處理中心三部分構成。

將靜力水準儀基準點安置在一個穩定的點，其他監測點水準儀安置在高度相同的位置，當監測點相對于基準點發生沉降時，監測點水準儀內的液面會上升，反之則會下降。不同監測點水準儀內液面的高度升降，可以計算出每個監測點水準儀的累計沉降量[1]。

本項目采用振弦式液體靜力水準儀，其主要技術指標[2-3]：標準量程，100 mm；傳感器精度，±0.1%FS(±0.1 mm)；傳感器靈敏度，0.025%FS；溫度范圍，-20～+80℃(使用防凍液)。液體靜力水準儀中灌入適當防凍液，以減小溫度變化對監測結果的影響。

該系統在智能化計算機軟件的支持之下，通過無線的方式控制液體靜力水準儀對監測主體變形情況進行連續、實時數據采集，在24 h無人值守的情況下，以亞毫米級的精度全天候監測目標變形。

1.1.2 人工沉降監測

沉降變形的量測方法很多，但各種方法的使用條件不一，在方法選擇和施測時應合理選擇。采用高精度全站儀三角高程測定監測點的高程變化量(沉降量)。人工周期測量主要使用全站儀進行測量，其主要技術指標：水平角觀測測回數為6；測角對中誤差為1″；測邊相對中誤差≤1/100 000；每邊測回數，4測回；距離-測回讀數較差為1.0 mm；距離單程各測回較差為1.5 mm；氣象數據測定的最小讀數，溫度0.2 ℃；氣壓50 hPa。測量作業嚴格按照相關規范要求執行，每期監測任務完成后檢驗數據是否滿足精度要求，如不滿足則重新觀測[4]。

1.2 預警值設置

在不限速條件下，按照《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》(TB 10182-2017)的規定，因下穿施工受影響的高速鐵路豎向位移的限值為2 mm。本監測方案中采用三級預警機制，結合實際工程，各級預警值設置為：Ⅰ級預警，1.6 mm；Ⅱ級預警，1.8 mm；Ⅲ級預警，2.0 mm。

2 監測結果分析

2.1 實時沉降監測結果分析

靜力水準儀實時沉降監測系統在監測期間，外界溫度的變化會對液面的升降產生影響，從而導致實時監測數據的波動。同時，高速列車通過時產生的振動也會導致液面的波動。為了保證監測數據能真實有效地反映隧道監測斷面沉降變化趨勢，驗證外界溫度變化和高速列車通行產生振動對實時監測數據的影響，在實時監測系統調試完成后，高鐵隧道每個監測點的每日累計沉降量為當天所測量數據的平均值，分析26個監測點和基準點的監測數據。每個監測點水準儀的液面高度隨時間變化的值如圖2所示，每個監測點水準儀相對于基準點水準儀的變化值如圖3所示。

圖2 各監測點靜力水準儀液面高度變化

圖3 各監測點累計沉降變化

從圖2可以看出，各靜力水準儀數據呈現一定的波動性，其波動幅度主要跟現場施工強度有關。在監測前10 d期間，主要受隧道中列車頻繁經過影響，液面變化較穩定，中后期下穿隧道進行施工，現場受土方開挖、機械振動等影響，靜力水準儀液面變化較大。

累計沉降是各監測點累計變化量與基準點累計變化量的差值，能真實反映受下穿施工影響的隧道斷面的沉降變化，如圖3所示。下穿施工尚未進行期間，監測點累計沉降波動范圍在-0.2～0.5 mm內；下穿施工進行時，施工強度加大，累計沉降在-1.4～-0.2 mm內波動。整個監測期間，所有監測點沉降變形趨勢保持一致。監測點7A的沉降變化量最大，累計沉降達到1.39 mm，而此斷面另一監測點7B的累計沉降變化量是1.32 mm，所有監測點沉降變化量均小于Ⅰ級預警值1.6 mm。

2.2 實時沉降監測系統穩定性分析

為了檢驗實時沉降監測系統的穩定性，需要對各監測點累計沉降量的均值、最大絕對偏差和中誤差進行統計分析。最大絕對偏差表示數據相對于均值的變化范圍，中誤差表示數據相對于均值的離散程度，最大絕對偏差和中誤差越小，代表監測數據越穩定[5]。統計結果如表1所示。

表1 監測系統穩定性統計分析

從表1中可以看出，各監測點累計沉降值的均值、最大絕對偏差和中誤差均較小，說明監測點波動性不大，在該項目實施環境中，系統具有良好的穩定性。

2.3 人工沉降監測檢核

為驗證實時監測系統數據的準確性，在下穿工程施工過程中，對比分析實時和人工監測數據，如圖4所示，選取1#、7#、13#監測斷面上的人工和實時數據進行比對分析。

圖4 實時監測和人工周期監測成果對比

從第20天開始，地鐵隧道區間左線開始掘進至高速鐵路下方，7 d后左線完成穿越(即第20～27日為左線下穿時間)。地鐵隧道區間右線從第35天開始掘進至鐵路，7 d后右線完成穿越(第35～42日為右線下穿時間)。始發階段掘進速度2～4環/d，正常段掘進速度為6～8環/d。從圖中可以分析得出結論，在相同時間測量的數據來看，兩者的成果較差小于0.5 mm，且兩者表現的變形趨勢具有一致性，說明實時監測系統數據成果具有良好的準確性。

2.4 地表沉降與隧道沉降對比分析

對比分析受影響隧道區段每一斷面的實時監測數據與地表沉降數據，選取任意兩個斷面進行對比分析，如圖5所示。

圖5 隧道實時監測和地表沉降監測成果對比

通過人工監測的地表沉降數據與實時監測的隧道沉降數據對比，兩者的波動規律大致相同。觀察相同時間下的測量數據，兩者成果較差小于1 mm，說明地表沉降和隧道沉降的變化具有一致性。

3 結論

監測期間，實時沉降監測系統工作穩定，各液體靜力水準儀監測數據準確可靠，實時監測數據與人工周期監測成果具有良好的一致性。各斷面監測點沉降變化量均在Ⅰ級預警限值(1.6 mm)內，說明監測期間下穿工程施工未對運營高鐵隧道結構造成顯著影響。證明該實時監測系統能夠滿足運營期高鐵變形監測的遠程實時性要求，且具有較高監測精度，本文研究成果可為類似工程項目提供借鑒。