淺議自動化監測在盾構下穿既有鐵路中應用

孫志

上海功大建設工程檢測有限公司 上海 200444

1 工程概況

既有鐵路為全封閉電氣化復線鐵路，采用P60鋼軌，無縫線路，有碴軌道，線間距為 4.8～5.0m，路基高約 4.0m。該工程下穿鐵路路基區域，隧道左右線拱頂距地表的豎向高度分別為4.6m、5.4m，隧道外徑為6.2m。主要穿越層為砂質粉土層、粉砂夾粉土層、砂質粉土層和粉砂層。盾構下穿鐵路北側為河道橋墩，盾構邊距離橋臺直徑 0.55m 管樁中心的最小水平距離為 3.02m。

2 監測網設計

2.1 控制網

穩定的控制網是監測系統的基礎。控制網布設首先要考慮施工現場地質條件、盾構施工方案、盾構施工影響范圍、監測對象以及現場的通視條件。選點盡量避開影響基準網點的穩定性或其他不確定性因素。根據現場條件，為削弱人為搬運儀器造成的照準誤差，須在下穿鐵路兩側各設置工作基點。在遠離施工區域且周邊無施工的穩定建構筑物上布設3個基準點，監測控制網采用統一布設的原則，將基準點與工作基點聯測，組建基準控制網。

2.2 坐標系

坐標系統一般選擇建立獨立坐標，定向方向一般與鐵路平行或盾構推進方向一致。其目的是：便于溝通、分析數據。現場采用自由設站的方式，以鐵路方向作為初始方向，建立獨立坐標系統。

2.3 控制網穩定性檢核

規范中要求監測控制網基準點需要至少一個雨季的自然沉降穩定后方可使用，實際生產中顯然無法達到，所以定期對控制網進行穩定性檢核是有必要的。基準網檢核分平面控制網檢核和高程控制網檢核，平面控制網利用方向法測邊測角檢核，高程控制網利用檢測測段高差的方法檢核。

基準網在使用前不間斷測量3～4次，取其穩定值數據作為基準網型參數。復核頻率為每月一次，獲取各期基準點的幾何關系進行比較。當校核數據異常時，依據坐標數據及位置關系找出變動顯著的基準點，舍棄不穩定的基準點。

根據實際的工期和工程進度，基準點布設在周邊基礎牢固構筑物。在初始觀測結束后，進行多測回測量，計算邊角關系。

3 精度分析

3.1 沉降位移

沉降位移變化采用極坐標法測量出基準點高程與待測監測點高程關系—全站儀自動采集目標（監測小棱鏡）豎盤與水平面夾角、斜距，利用三角函數計算初始高程，以其原理如圖1所示。自動化監測獲得基準點、監測點與儀器之間的高差，由此計算出監測點高程。由不同觀測周期高程數值相減得到沉降位移變化。

根據以上方法采集監測數據，在不考慮外界觀測條件因素，僅考慮全站儀的測距ms和測角誤差αm的影響，測點的中誤差為：

根據現場實際情況，以監測點距離測站點最遠距離130m，前、后視垂直角分別約為10°、5°為例，據此估算2個測回的中誤差約為0.7mm，滿足監測精度±1mm要求。

3.2 水平位移精度分析

根據自動化水平位移監測原理，自動化監測采用的全站儀測角中誤差為±0.5″，鐵路結構水平位移觀測點距離測站的最大距離約為130.0m。基于架設在固定強制對中裝置上，在不考慮外界條件情況下，觀測精度主要受測站點精度、測距誤差、水平角觀測誤差影響。根據現場測試數據，在無外界因素影響下，取測站點點位中誤差進行2個測回觀測監測點點位中誤差為：

4 主要施工節點變形監測

盾構下穿既有鐵路變形主要由無施工自然沉降變形、盾構穿越變形、工后沉降等，以下是盾構施工各階段的詳細特征[1]。

（1）盾構掘進前，地表受地下水位降低、水土流失產生的先期自然沉降，其主要表現為略微下沉，不參與計算施工影響。

（2）盾構掘進進入保護區范圍內，開始影響地表點，開挖面前端地表開始變形，此時對既有鐵路影響較小。此時表現為盾構開挖面前部變形，地表下沉或隆起，其主要原因在于盾構推力與土壓力不平衡導致，此時需重點監測，及時反饋。

（3）盾構掘進鐵路路基下部，由于路基注漿加固與重力推土，需根據監測數據調整盾構參數。此時盾構掘進層土體出現擾動，受上部壓力影響，應力向四周釋放，該施工節點需加密觀測，監測頻率調整至0.5h/次。

（4）盾構穿越路基后，由于路基與地表監測點出現下沉，變化較快，重點監測。

工后變化，土體蠕變至固結，沉降變化趨于緩和，降低監測頻率。

5 建立施工模型

本次模擬數值計算地鐵盾構隧道開挖選用Plaxis3D有限元軟件，選取既有鐵路沿線方向為Y軸，與鐵路水平垂直方向為X軸，豎直方向為Z軸，既有鐵路上行線、下行線以及盾構隧道上行線、下行線與橋墩橋臺位置關系如圖1所示。

模型幾何型尺寸長（x軸方向）70m，寬（y軸方向）62m，土層選取到了地表以下標高－30m。計算模型共建立單元數39781個，節點數62220個，平均元素大小2.769m，最小元素大小0.09364m。建立了包括巖土體、2號橋墩、3號橋臺、框架、樁體和隧道在內的有限元計算模型。

在實際的計算過程中，樁基通過embedded樁單元模擬，并按7∶1的斜度對樁進行了布置。考慮實際的工期安排，擬對土體堆重階段安排10天，盾構掘進實際進度約每天掘進7.2m，70m隧道長度總共9.7天。

圖1 橋臺、框架、橋臺、路基和堆土位置模型關系圖

6 盾構掘進變形分析

盾構掘進過程中，選取了10個典型的工況進行了數值計算分析，考慮了0.5%的地層損失率。先施工左線隧道，再施工右線隧道。有限元盾構掘進過程模擬具有特征性的10個工況，分別為：

工況1：入場線盾構隧道掘進至普鐵路基西側坡腳位置；

工況2：入場線盾構隧道掘進至上行線股道中心位置；

工況3：入場線盾構隧道掘進至下行線股道中心位置；

工況4：入場線盾構隧道掘進至普鐵路基東側坡腳位置；

工況5：入場線盾構隧道貫通；

工況6：出場線盾構隧道掘進至普鐵路基西側坡腳位置；

工況7：出場線盾構隧道掘進至滬昆上行線股道中心位置；

工況8：出場線盾構隧道掘進至滬昆下行線股道中心位置；

工況9：出場線盾構隧道掘進至普鐵路基東側坡腳位置；

工況10：出場線盾構隧道貫通；

6.1 模擬盾構掘進總體沉降分析

在掘進開挖至既有鐵路路基注漿加固區前，地鐵盾構隧道周圍總的沉降值為6mm；穿越注漿加固區后，由于地鐵盾構隧道掘進所引起的位移最大變化值約為15mm。

6.2 模擬盾構掘進對路基沉降的影響分析

不同工況下路基表面沿鐵路縱向方向位移曲線（圖2）可以發現路基中部表面沉降量最大值位置隨著盾構隧道的開挖不斷往入場線隧道開挖上方移動，且路基總體沉降量逐漸增大，盾構掘進施工完成后路基總的沉降量最大值約15.7mm，沿鐵路縱向方向每10m最大沉降量差值小于6mm。

不同工況下2號橋墩、框架和3號橋臺沿 y 軸方向水平位移曲線（圖3），可以發現水平位移具有較為明顯的階段性，在盾構隧道開挖后先減小，后隨時間增長逐漸變大，其中側向位移增長速率比較明顯的階段是隧道開挖至路基中心附近位置處，2號橋墩總的水平位移為 0.62mm，3號橋臺水平位移值最大為0.81mm。

圖2 不同工況下路基表面沿鐵路縱向方向位移曲線

圖3 2號橋墩、框架和3號橋臺沿鐵路縱向方向水平位移曲線

6.3 盾構掘進實際變形

盾構施工在掘進至既有鐵路路基注漿加固區前，地鐵盾構隧道開挖面點先隆起3.4～8.6mm，掘進后盾尾沉降值為5.4～9.2mm，過程變化最大量為17.8mm；盾構施工進入注漿加固區后，鐵路路基監測點隆起最大值1.2mm；在盾構掘進至脫離鐵路保護區范圍，最終沉降最大變化值約為1.4mm，過程變化最大量為2.6mm。

盾構掘進過程中，水平位移監測點由于埋設較淺，變化方向基本與土體運動方向相反變化；2號橋墩監測點水平位移為1.2mm，3號橋臺水平位移為3.1mm。在盾構離開路基后，變化趨于收斂。

7 結束語

利用三維數值分析軟件 Plaxis3D 對盾構下穿既有鐵路變形影響展開了工況分析。在添加框架支撐和注漿預加固等條件下，可發現盾構掘進過程，實測變化與預測變化基本一致[2]，但路基沉降值較模擬小；變化方向存在部分差異，水平變化值較模擬數據整體偏大。

8 結束語

自動化監測是本項目盾構下穿既有鐵路監控技術的主要手段，監測技術設計基本滿足現場施工監控要求，能夠基本反應模擬數據的變化趨勢，對盾構施工控制起到指示作用。