城市軌道交通運(yùn)營期隧道凈空收斂監(jiān)測(cè)方案及應(yīng)用研究

吳乃龍

(福州市勘測(cè)院，福建 福州 350108)

1 引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，城市軌道交通工程建設(shè)也在全國各大中城市如火如荼地進(jìn)行。為能及時(shí)掌握工程竣工后運(yùn)營期間隧道結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律、保證運(yùn)營安全，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)[1～3]則是非常必要的。目前國內(nèi)外實(shí)施最多的也是最常規(guī)的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目是結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)[4]，以及采用類似于CPIII控制網(wǎng)[5]實(shí)施的結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測(cè)。通過這兩個(gè)測(cè)項(xiàng)所獲得的監(jiān)測(cè)成果，主要是反映整體結(jié)構(gòu)相對(duì)于車站的豎向位移和水平位移變化情況，但無法反映結(jié)構(gòu)本身的變形情況(如隧道管片受壓、張拉情況就無法獲知)，而其對(duì)于結(jié)構(gòu)安全而言卻又是極其重要的。城市軌道交通工程主體結(jié)構(gòu)主要包括車站結(jié)構(gòu)、高架橋結(jié)構(gòu)、地面停車場(chǎng)和隧道結(jié)構(gòu)，一般情況下，運(yùn)營期時(shí)的車站結(jié)構(gòu)會(huì)被當(dāng)作一個(gè)擬定的穩(wěn)定剛體，地面停車場(chǎng)主要實(shí)施結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)，高架橋結(jié)構(gòu)主要實(shí)施結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)和水平位移監(jiān)測(cè)，而隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)是連接車站的主要構(gòu)筑物(高架橋也是常見區(qū)間構(gòu)筑物)，且大部分埋設(shè)于地下或江底，僅實(shí)施結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)和水平位移監(jiān)測(cè)顯然是不夠的。

為獲得隧道結(jié)構(gòu)自身各部位的變形情況，該文對(duì)隧道結(jié)構(gòu)凈空收斂監(jiān)測(cè)的布點(diǎn)方案、監(jiān)測(cè)方法等進(jìn)行了研究，并以福州市軌道交通2號(hào)線工程沙堤站至上街站區(qū)間下行線隧道結(jié)構(gòu)運(yùn)營期監(jiān)測(cè)為例，介紹收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)位埋設(shè)方案和相應(yīng)的收斂監(jiān)測(cè)方法，對(duì)收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度分析，檢驗(yàn)了數(shù)據(jù)成果的可靠性，并通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲得了隧道結(jié)構(gòu)自身的變形規(guī)律[6]。

2 凈空收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)及監(jiān)測(cè)方法

2.1 凈空收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)位埋設(shè)目的

隧道結(jié)構(gòu)斷面形狀多樣，該文以盾構(gòu)圓形隧道為例。為獲得結(jié)構(gòu)斷面處于張拉、受壓[7]狀態(tài)，可通過測(cè)量斷面橫向和豎向的形狀變化情況得知，對(duì)此，布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)形成的水平收斂基線則表示結(jié)構(gòu)斷面橫向的張拉、受壓狀態(tài)，豎向或側(cè)向收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)形成的豎向收斂基線則表示結(jié)構(gòu)斷面豎向的張拉、受壓狀態(tài)。一般情況下，橫向、豎向表現(xiàn)形式是互補(bǔ)的。

2.2 凈空收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方法

(1)收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置

水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于隧道腰部，左、右各一點(diǎn)；豎向收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于隧道底部和頂部，底部布設(shè)于道床中部，頂部點(diǎn)則為道床點(diǎn)垂直上方，即上、下各一點(diǎn)；側(cè)向收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于隧道結(jié)構(gòu)側(cè)向。收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)示意圖如圖1所示：

由圖1可知，每個(gè)斷面布設(shè)4點(diǎn)，組成2條收斂基線，即水平收斂基線、豎向或側(cè)向收斂基線。

(2)不同道床布設(shè)方案

常規(guī)隧道結(jié)構(gòu)道床所在斷面布設(shè)凈空收斂基線布設(shè)兩組，即水平基線和豎向基線各一組或水平基線和側(cè)向基線各一組，共兩種布設(shè)方案。這樣既可以獲得隧道結(jié)構(gòu)的收斂變化，也可獲得隧道結(jié)構(gòu)和道床組合結(jié)構(gòu)的收斂變化。

減震段內(nèi)的減震道床因行車時(shí)會(huì)有上下調(diào)整或震動(dòng)的情況，所以只布設(shè)水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)和側(cè)向收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)一種方案，組成的水平收斂基線和側(cè)向收斂基線，各一組。

圖1 收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)示意圖

2.3 凈空收斂監(jiān)測(cè)方法

(1)水平收斂基線測(cè)量方法

采用高精度自動(dòng)化全站儀進(jìn)行觀測(cè)。每5個(gè)或7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面為一組，在每組中間斷面位置下方收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)(亦是沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn))上架設(shè)儀器。

(2)豎向和側(cè)向收斂基線測(cè)量方法

采用激光測(cè)距儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。觀測(cè)時(shí)，將測(cè)距儀底部凹槽放置下方收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，瞄準(zhǔn)隧道頂部或上方側(cè)向收斂點(diǎn)的反光標(biāo)靶瞄準(zhǔn)標(biāo)志進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3 數(shù)據(jù)處理與精度分析

3.1 水平收斂基線數(shù)據(jù)處理與精度估計(jì)

(1)水平收斂基線數(shù)據(jù)處理

根據(jù)每個(gè)斷面左右2個(gè)測(cè)點(diǎn)的三維空間位置(X、Y、Z)坐標(biāo)，計(jì)算兩點(diǎn)之間收斂線的長(zhǎng)度，兩期之間固定收斂線的長(zhǎng)度差值即為收斂變形值。收斂線的長(zhǎng)度計(jì)算公式如下：

(1)

式中：L表示固定收斂線長(zhǎng)度；

XAXBYAYBZAZB表示觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)分量。

(2)水平收斂基線精度估計(jì)

觀測(cè)時(shí)，以當(dāng)前觀測(cè)斷面組為單位，在中間斷面任意設(shè)站，以最遠(yuǎn)斷面左側(cè)收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)為后視定向點(diǎn)，采用全圓觀測(cè)法觀測(cè)一測(cè)回方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用一點(diǎn)一方向形式進(jìn)行數(shù)據(jù)平差。

水平收斂基線由兩個(gè)水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成，而水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)誤差來源主要為：測(cè)點(diǎn)棱鏡對(duì)中誤差mj、儀器的測(cè)角儀器的測(cè)角精度mc和測(cè)距精度ms。

即水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)精度為：

(2)

式中：mp表示水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)精度；

S表示測(cè)站與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離；

ρ為常數(shù)206265。

根據(jù)式(2)，水平收斂基線精度則為：

(3)

3.2 豎向和側(cè)向收斂基線數(shù)據(jù)處理

采用測(cè)距儀進(jìn)行3次獨(dú)立觀測(cè)，取均值作為觀測(cè)成果。

3.3 豎向和側(cè)向收斂基線精度估計(jì)

豎向和側(cè)向收斂基線是采用測(cè)距儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的，其誤差來源主要是：測(cè)距儀的標(biāo)稱精度my，瞄準(zhǔn)標(biāo)靶精度mb，下方凹槽套準(zhǔn)精度mt。

即單次測(cè)量豎向和側(cè)向收斂基線的精度為：

(4)

3.4 精度指標(biāo)

根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》GB50911-2013[9]的要求，收斂監(jiān)測(cè)基線精度指標(biāo)應(yīng)滿足表1所示：

收斂基線精度指標(biāo)要求 表1

4 工程實(shí)例

福州市軌道交通2號(hào)線沙堤站至上街站下行線區(qū)間里程ZK10+696至ZK12+293，隧道結(jié)構(gòu)均采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工，其中區(qū)間里程ZK11+234至ZK11+541為高等減震段。通過分析區(qū)間地質(zhì)條件、施工工法及線路設(shè)計(jì)等已有資料，編制了運(yùn)營期監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)書，制定了隧道結(jié)構(gòu)凈空收斂監(jiān)測(cè)方案。

4.1 凈空收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)原則

隧道結(jié)構(gòu)凈空收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)擬布設(shè)于隧道結(jié)構(gòu)體上，且與線路沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在同一斷面。其布設(shè)原則為：

(1)盾構(gòu)區(qū)間隧道每隔16環(huán)(明挖法和礦山法區(qū)間隧道每隔 19.2 m)布設(shè)一個(gè)斷面；

(2)區(qū)間隧道的第一環(huán)、最后一環(huán)布設(shè)一個(gè)斷面；

(3)在地質(zhì)條件不良地段、施工階段已出現(xiàn)較大差異變形地段、出現(xiàn)過事故地段、施工采取過特殊處理地段、隧道出現(xiàn)大面積滲漏地段、管片破壞地段、正在進(jìn)行病害治理地段適當(dāng)加密布點(diǎn)，加密布點(diǎn)方式為每隔16環(huán)(19.2 m)一個(gè)常規(guī)斷面的基礎(chǔ)上內(nèi)插一個(gè)斷面(每隔8環(huán)或 9.6 m)的方式布設(shè)。

4.2 凈空收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方法

(1)整體布設(shè)情況

區(qū)間內(nèi)常規(guī)道床段布設(shè)水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)和豎向收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)或側(cè)向收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中豎向收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)和側(cè)向收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)依次交替間隔布設(shè)；減震道床段布設(shè)水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)和側(cè)向收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

(2)收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)

水平方向收斂基線采用在收斂測(cè)線兩端固定精密監(jiān)測(cè)小棱鏡的方式布設(shè)；豎向和側(cè)向收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)時(shí)，考慮到運(yùn)營監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，頂部和上端側(cè)向收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)若采用棱角布設(shè)，則有墜落的風(fēng)險(xiǎn)，從而對(duì)運(yùn)行中的列車造成安全隱患，為此，頂部和上端側(cè)向收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)則采用具有反光標(biāo)靶的反射片代替，并與下方道床或下方側(cè)向收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)形成豎向或側(cè)向收斂基線。為提高測(cè)點(diǎn)利用率，下方測(cè)點(diǎn)同時(shí)作為沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

(3)布設(shè)時(shí)注意事項(xiàng)

布設(shè)收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)嚴(yán)格注意避免侵入設(shè)備限界，不影響軌道上其他重要設(shè)施的使用功能，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行了調(diào)整。由于盾構(gòu)管片接縫處結(jié)構(gòu)較為薄弱，本次收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)時(shí)將收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在管片正中央，避免了對(duì)其造成破壞。

4.3 凈空收斂監(jiān)測(cè)方法和精度估計(jì)

(1)水平收斂基線測(cè)量

本次水平收斂基線采用LEICA TM50(0.5″，0.6+1 ppm)高精度自動(dòng)化全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在常規(guī)線性隧道結(jié)構(gòu)，每7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面為一組，在第4個(gè)斷面位位置沉降點(diǎn)上架設(shè)儀器；在小半徑曲線線性隧道，則根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際視線情況進(jìn)行調(diào)整，一般每5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面為一組，在第3個(gè)斷面位位置沉降點(diǎn)上架設(shè)儀器。收斂斷面觀測(cè)示意圖如圖2所示：

圖2 凈空收斂觀測(cè)示意圖

(2)水平收斂基線精度估計(jì)

假設(shè)棱鏡對(duì)中誤差為mj=0.5 mm，最遠(yuǎn)收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離測(cè)站S=60 m，根據(jù)式(3)，有：

(5)

由上可知，水平收斂基線精度符合規(guī)范要求(表1小于 3 mm要求)。

(3)豎向和側(cè)向收斂基線測(cè)量

豎向和側(cè)向收斂基線采用LEICA DISTO X810(±1 mm)激光測(cè)距儀進(jìn)行獨(dú)立觀測(cè)3次，取均值作為最終結(jié)果。

(4)豎向和側(cè)向收斂基線精度估計(jì)

假設(shè)瞄準(zhǔn)標(biāo)靶精度mb=0.5 mm，下方凹槽套準(zhǔn)精度mt=0.5 mm，則根據(jù)式(4)，獨(dú)立觀測(cè)3次時(shí)，豎向或側(cè)向收斂基線精度mz3為：

(6)

由上可知，豎向和側(cè)向收斂基線精度符合規(guī)范要求(表1小于 3 mm要求)。

4.4 凈空收斂數(shù)據(jù)成果

水平收斂基線長(zhǎng)度采用式(1)進(jìn)行計(jì)算，豎向和側(cè)向收斂基線采用測(cè)距儀獨(dú)立觀測(cè)3次取均值作為成果，沙上區(qū)間下行線運(yùn)營期監(jiān)測(cè)周期為每季度進(jìn)行一次，第三期的數(shù)據(jù)部分成果和區(qū)間累計(jì)收斂變化量曲線圖分別如表2、圖3所示：

沙上區(qū)間下行線第三期收斂監(jiān)測(cè)成果表 表2

圖3 沙上區(qū)間下行線收斂監(jiān)測(cè)累計(jì)變化量曲線圖

由圖3可知，沙上區(qū)間下行線隧道結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)出，水平收斂基線變大、豎向和側(cè)向收斂基線變小的趨勢(shì)，即隧道結(jié)構(gòu)自身處于受壓的狀態(tài)。

5 結(jié) 論

隧道凈空收斂監(jiān)測(cè)是運(yùn)營期非常重要的一個(gè)測(cè)項(xiàng)，水平收斂和豎向或側(cè)向收斂的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可明顯表現(xiàn)出隧道結(jié)構(gòu)自身的受壓或張拉狀態(tài)，二者表現(xiàn)出的數(shù)據(jù)形式是相反的(即一個(gè)變大另一個(gè)則變小)，又是相互印證的；其次，通過分析連續(xù)多期的分收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還能更好地掌握隧道結(jié)構(gòu)各處變形的狀態(tài)和變化趨勢(shì)，為工程安全運(yùn)營、維護(hù)提供更多有效有方向的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。最后，隧道凈空收斂的數(shù)據(jù)變化往往伴隨著隧道沉降[8]和隧道水平位移，三者密不可分的聯(lián)系還有待進(jìn)一步研究。