TAM 技術在越江隧道結構監測的應用研究

蘇東華　陳東梁　許鈺

摘要 隧道結構的穩定與周邊土體、地下水等因素緊密相關，周邊環境的變化會引起隧道產生沉降變形，在隧道的運營過程中，須對其進行有規律的沉降監測，掌握隧道的沉降變形趨勢為隧道安全運營提供技術保障。TAM 監測是一種攝影測量技術，文章結合上海市西藏南路隧道保護區施工監測，運用TAM 技術對隧道沉降及位移進行監測、分析，研究 TAM 技術在越江隧道結構監測中的適用性，對同類隧道的監測具有較好的借鑒作用。

關鍵詞 TAM 技術;隧道監測;沉降位移;橫向位移;潮汐

中圖分類號 U455.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）10-0059-05

0 引言

為解決城市發展和交通問題，我國修建了大量的隧道，如地鐵隧道、越江隧道、電力隧道等。截止2021年底，上海市在黃浦江上修建了17條越江道路隧道，平均每兩千米岸線就有一條越江隧道。隧道極大地便利了交通，同時如何保障隧道的安全穩定運營須重點關注。隧道是一種地下工程，隧道結構與周邊土體、地下水等因素緊密相關，臨近隧道的基坑開挖[1]、地表的加載卸載[2]、近距離隧道的穿越[3]及地質變化等因素，容易引起土體的附加應力，不利于隧道結構的沉降穩定，過大的結構沉降、結構位移易導致隧道結構發生安全問題。另外，葉玲玲等研究[4]表明江水潮汐作用對隧道沉降也有一定的影響。該文以西藏南路隧道保護區施工監測為例，運用TAM技術高頻次采集隧道保護區施工過程中的沉降及橫向位移數據，結合黃浦江水位潮汐影響，分析隧道的結構變化特點與規律，為保障隧道結構安全提供技術支撐。

1 TAM技術的基本原理

TAM技術的結構監測是基于攝影測量原理，以相機的光軸平面為基準，利用靶點在光軸平面的位置變化來進行二維位移測量的一種高精度測量方法。

TAM技術可以進行多組相機組合，實現大范圍的橫向、豎向位移的精確測量。其核心是利用相機組合成一組光軸尺，通過檢測各個測點至光軸尺的距離，測量各個測點的位移。原理如圖1所示，TAM相機由前側相機和后側相機組成，是一對方向相反、同軸的相機，這對相機的光芯組成一組光軸尺，用來監測相鄰2個TAM相機或 TAM 燈靶偏離光軸尺的徑向位移， X 為隧道的徑向方向，Y為隧道的橫向，Z為隧道的沉降方向。

檢測時，所有的相機在同一時刻對目標燈靶進行拍攝。如圖2所示，相機2和3同時拍攝到2個相機之間的LED燈靶，通過測量這兩個LED燈靶與相機2光軸線的間距，求得相機2光軸線與2個標靶的連接線之間的夾角，同理可求得相機3光軸線與兩個燈靶連線之間的夾角，由此可以得出測點2光軸的轉角Φ2。如此，可以獲得由所有相機光軸組成的測量基準軸。通過該基準軸與各個測點的豎向和橫向的距離，即可測量出所有測點相對于兩個固定點的豎向和橫向的相對位移。實時監測時，在電子標靶和相機安裝完畢進行一次初始檢測，檢測得到各個電子標靶相對于固定點的豎向和橫向差值作為初始值。以后按固定時間間隔進行自動檢測。每次檢測得到的各個電子標靶相對于固定點的豎向和橫向差值，扣除其初始值即為相對位移值。

2 TAM技術在隧道監測的應用

2.1 工程概況

上海西藏南路隧道是上海市黃浦區與浦東新區之間的一條越江隧道，是上海市首條設有多匝道的軟土越江隧道。整條隧道為雙管雙向四車道，越江段采用盾構法施工，圓形隧道的外徑為11.36 m，內徑為10.36 m，主線總長度2 670 m。隧道周邊地理環境特殊，穿越原世博會園區，周邊有大量施工建設項目，其中深大基坑的施工對隧道的沉降及側向位移影響最為明顯，如位移量過大將致使隧道結構破壞。

距離隧道最近的深基坑項目是世博A09A-01地塊建設項目和世博會地區A片區A02B-01、A02B-02地塊項目（圖3所示），分別為地上13層地下四層深基坑結構及地上11層地下三層結構，結構最大開挖深度約25 m，基坑圍護結構，距離隧道最近處僅10 m，兩深基坑同時開挖施工，保護區覆蓋范圍重疊，經過調查分析，施工中對于沉降檢測數據變化最直接影響的因素主要有以下兩點：

（1）深大基坑大方量取土施工引起的隧道變形，最大卸載量達到12 萬m3，由于周邊土體卸載，荷載減少致使超固結土回彈引起隧道隆起。

（2）由于工期影響，卸土后支撐形成時間長，基坑暴露時間長是引起隧道變形的主要原因。

隧道結構一旦出現結構損壞，極難修復，如損壞情況嚴重，后果是災難性的，無法估量的，為了防止隧道因保護區內深大基坑的施工作業，造成隧道結構變形損壞，實時掌握隧道結構變形情況，并對隧道變形情況進行有效預測，有必要對該區域進行實時監測。

深基坑施工期間，利用TAM技術自動監測基坑施工對隧道結構變形的影響。監測包括沉降、橫向位移。通過視頻圖像分析檢測技術，借助相機，燈靶、支架，工控機、4G路由器等，獲取隧道結構的沉降、變形數據。參照上海市地方規范[5]及國家規范[6-7]設置預警值，讓系統自動進行預警。通過監測數據采集及分析，精準地掌握隧道結構變形情況、損傷程度等。

2.2 監測布點

在西藏南路隧道的西線養護樁號XZ1250～XZ1550的影響區域內布置測點，對該段進行整體的沉降與橫向位移變形監測，依次布置燈靶與相機。以2個燈靶與1個相機的組合進行配置，依次鋪開。設備安裝位置位于隧道燈帶與擋板之間，燈靶與相機采用穩固的三腳架固定于隧道結構上，設備安裝后不影響隧道的正常通行。

初步設置監測范圍300 m，測點間距25 m，如圖4、圖5所示，數據采集頻率為1小時/次，采集精度為

0.2 mm，后期可根據實時監測數據的反饋，分析隧道結構變形情況，視結構變形情況及保護區基坑施工階段的變化，對數據采集頻率進行增加或減少。

3 監測數據分析

3.1 沉降位移分析

以測點1及測點13為基準靶，通過計算機技術，監測數據自動采集并導入系統，自動生成測點2至測點12的沉降位移的時間序列圖，其中測點2至測點7的沉降位移如圖6所示。

監測數據表明：

（1）最大沉降變形部位是測點5至測點9，即監測區域的中間部位，同時也是距離深大基坑施工最近的區域。測點5至測點9，隨著時間推移，測點間的沉降差異逐漸變大。

（2）各個時間段的形態呈周期性變化，白天的沉降變形達到最大。

（3）除去干擾波動影響，最大沉降位移為30 mm，最大上浮位移也為30 mm。

3.2 橫向位移分析

以測點1及測點13為基準靶，通過計算機技術，監測數據自動采集并導入系統，自動生成測點2至測點12的橫向位移的時間序列圖，其中測點2至測點7的橫向位移如圖7所示。

監測數據表明：

（1）最大沉降變形形態呈雙峰型。且隨著時間推移，各測點間的相對橫向位移增大。

（2）各個時間段的形態呈密集周期性變化。測點3存在向內位移趨勢，測點6、7、8存在向外位移趨勢，最大向外位移為10 mm，最大向內位移為7 mm。

3.3 潮汐對于隧道沉降及橫向位移影響分析

上海市河道、水系發達，地質條件較為特殊，多為地下水位高的軟土地質。根據葉玲玲等的研究[4]，上海臨近黃浦江地區的地下水位受潮汐影響，離江越近影響越大。該次監測區域為臨江區域，離黃浦江浦東江岸的距離為100 m左右區域分析該項目所測數據，監測區域位移數據受江水潮汐的影響較大。圖8為黃浦公園潮汐監測點觀察到的監測時段的潮汐變化值及基于此數據的潮汐周期分析結果。根據圖8可以觀察潮汐具有431.81 h的顯著周期。

綜合上述結果，監測期間，潮汐、沉降位移、橫向位移均有明顯的周期特征，說明潮汐對沉降位移和橫向位移的影響不容忽視。

關于潮汐對深基坑周邊隧道的影響，如圖10所示，潮汐變化直接導致深基坑圍護結構所承受的壓力變化，引起擋土墻的變形和位移，橫向位移對潮位變化更敏感。而沉降位移則是地下水變化導致側向壓力差異、浮力差異等眾多要因作用的結果，因而表現出長周期的特征。

關于潮汐的周期和沉降位移、橫向位移的周期不一致的問題，隧道位移變化的周期（214.6 h）約為潮汐周期（431.8 h）的一半，根據國家海洋局海洋沉積與環境地質重點實驗室蘇喬[8]的研究，地下水位的24 h周期影響較大，與潮位差異顯著。即可以理解為潮汐通過土壤影響地下水位，但是通過土壤濾波作用，地下水位的周期不同于潮汐水位。

4 結束語

該文以TAM技術在西藏南路隧道保護區結構監測為例，通過自動監測采集的沉降變形數據，分析隧道周邊深大基坑和江水潮汐對隧道結構沉降變形的影響，研究越江隧道在結構方面的運維風險，保障隧道運營安全。下一步可對隧道結構變形進行長期監測觀察，分析研究隧道結構變形規律，預測變化趨勢，指導隧道運維，更有效地保障隧道結構的安全。

參考文獻

[1]劉伯成， 包昊， 姚方正， 等. 基于隨機場理論的隧道開挖對附近建筑物的不均勻沉降及地表變形的影響分析[J]. 河南科學， 2020（8）： 1258-1263.

[2]康成， 梅國雄， 梁榮柱， 等. 地表臨時堆載誘發下既有盾構隧道縱向變形分析[J]. 巖土力學， 2018（12）： 4605-4616.

[3]王前林. 隧道掘進對周圍土體的沉降影響分析[J]. 河南科學， 2017（5）： 773-777.

[4]葉玲玲. 上海市地下水位與潮汐關系的初步探討[J]. 上海地質， 1982（2）： 34-35.

[5]盾構法隧道結構服役性能鑒定規范： DGTJ08-2123—2013[S]. 上海：上海市城鄉建設和交通委員會， 2013.

[6]盾構法隧道施工及驗收規范： GB 50446—2017[S]. 北京：中國建筑工業出版社， 2017.

[7]城市軌道交通工程監測技術規范： GB 50911—2013[S]. 北京：中國建筑工業出版社， 2013.

[8]蘇喬， 徐興永， 陳廣泉， 等. 基于面板數據分析的潮汐對地下水的影響研究[J]. 海洋環境科學， 2017（5）： 741-745.