既有地鐵隧道受盾構長距離并行影響的自動化變形監測研究

張立鋒 楊嘉威 顧城瑋

（1.廣東省重工建筑設計院有限公司，廣東 廣州 510670；2.河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000）

1 引言

隨著城市地鐵線路的高速發展，在建地鐵車站或隧道與既有運營地鐵線路之間的近距離施工日益增多。在臨近既有運營地鐵線路施工時，可能導致開挖面周邊土層孔隙水壓力平衡破壞，巖土體產生隆起、下沉或側向位移[1]，使既有運營地鐵線路產生變形，影響地鐵運營安全，因此要對既有運營地鐵線路開展變形監測，為施工安全及地鐵運營風險提供必要信息。傳統測量手段如水準儀、全站儀等，常被用來監測既有運營地鐵線路的變形，雖能獲取精度較高的數據，但也存在工作量大、人力成本高，且無法實現連續監測等問題。自動型全站儀在傳統全站儀基礎上集成了馬達驅動系統和自動目標識別等裝置，可實現目標棱鏡的自動搜索、照準、跟蹤和測量，具備全時段、高效率、實時性等優勢[2]，為地鐵隧道變形監測提供了新的技術手段。

上世紀90 年代起，諸多學者對自動型全站儀在變形監測中的應用展開了大量研究與開發，徠卡公司最早研發了TCA+APS Win 自動化監測系統，在德國地鐵中開始了地鐵隧道監測，此后又于本世紀初升級開發了GeoMoS 系統，應用于上海、南京等城市的地鐵隧道監測[3]；張莊學等[4]在湖南某發電站進行了大壩變形自動監測，開發了SMDAMS 自動監測系統，證明自動型全站儀可實現連續觀測，結果可達亞毫米級要求；張正祿等[5]結合工程需求，在武漢長江大橋和三峽庫區的變形監測中采用了自主研發的測量機器人變形監測系統，并將該系統進行推廣。本文以某市在建地鐵十二號線區間隧道工程為例，分析了自動型全站儀變形監測技術的相關原理，并在在建地鐵隧道工程中實現盾構長距離并行的既有地鐵隧道多站聯測，獲取施工各階段既有隧道監測數據，保證施工及地鐵運營安全，監測方法和結論可為類似項目提供指導和參考。

2 實驗原理

2.1 自動型全站儀變形監測技術原理

自動型全站儀變形監測系統主要由自動型全站儀、棱鏡組、網絡通訊設備、計算機和自動變形監測軟件等構成[6]，具體步驟為：（1）在既有地鐵隧道內安裝自動型全站儀和棱鏡；（2）通過網絡通訊設備實時傳輸監測數據至計算機；（3）在計算機中采用自動變形監測軟件，實現數據后處理。具體流程如圖1 所示。

圖1 自動型全站儀變形監測系統流程

長距離既有地鐵隧道變形監測時，隨著監測范圍增加，需布設多臺自動型全站儀進行多站聯測，多臺儀器間的坐標通過公共棱鏡建立聯系。為保證基準網解算精度，兩臺儀器間距離為100～120 米，公共棱鏡設在兩臺儀器的1/3 至2/3處，布設方案如圖2 所示[8]。

圖2 多站聯測外業布設方案

2.2 三維坐標解算原理

在計算機中采用自動變形監測軟件實現數據后處理，主要包括兩個過程[8]：

（1）利用測站點和基準點、公共點，后方交會獲得測站點的實時坐標。后方交會的公式為：

公式（1）中，A、B、C分別為已知的基準點坐標，α、β、γ分別為觀測的角度。

（2）根據已知后視點和實時測站坐標設站，利用全站儀極坐標三維測量原理，計算觀測點的三維坐標，計算公式為：

公式（2）中，（XA，YA，ZA）為觀測點的三維坐標，S為距離，α和β分別為水平角和垂直角。

3 實驗區域與數據獲取

實驗區域為某市在建的地鐵十二號線區間隧道工程，盾構在掘進過程中與既有地鐵四號線存在一段較長距離的線路隧道并行段，其中最小的水平距離僅為3.01m。兩條線路工程平面位置如圖3 所示。

圖3 兩條線路工程平面位置

在既有地鐵四號線隧道里程YDK19+275～535m 間，根據2.1 節多站聯測外業布設方案開展自動化監測，共布設斷面27 個、自動型全站儀2 臺（分別位于里程340m 和535m 處）。兩臺自動型全站儀均選用徠卡TM30系列，自動變形監測軟件選用廣東省重工建筑設計院有限公司自主研發的WebMoS 安全智能監測與預警一體化云平臺，監測周期自2022 年1 月10 日在建盾構左線進入影響范圍起，至2023 年3 月5 日在建盾構雙線貫通結束，獲取監測周期14 個月間受在建地鐵十二號線盾構掘進影響既有地鐵四號線隧道變形監測數據。

4 實驗結果與分析

4.1 既有地鐵四號線隧道位移變形分析

整理14 個月內的監測數據，繪制沿隧道里程方向的豎向和橫向位移變形曲線圖，分別如圖4 和圖5所示。由圖可知，2022 年1 月在建盾構左線進入影響范圍前，既有線未見明顯變形；2022 年8 月左線盾構掘進并貫通后，既有線周圍巖土體平衡受到破壞，隧道出現不同程度的位移，沉降槽明顯，其中豎向位移最大為-0.87mm，對應里程524m 處，橫向位移最大為7.01mm，對應里程424m 處；接著，在建盾構右線進入影響范圍至盾構右線貫通后，既有四號線隧道位移逐漸增大，此時豎向位移最大為2.08mm，對應里程484m處，橫向位移最大為-6.67mm，對應里程424m 處。

圖4 豎向位移變形曲線

圖5 橫向位移變形曲線

對在建盾構貫通后位移量最大的位置，進一步提取該監測斷面的時序變形值，分別如圖6 和7 所示。其中，2022 年7 月前，在建盾構左線掘進時隧道無明顯位移趨勢；2022 年8 月至10 月，在建盾構左線貫通而右線掘進，隧道豎向及橫向位移趨勢明顯，主要體現為豎向隆起、橫向朝遠離盾構一側位移；2022 年11 月后，盾構掘進的影響逐漸降低，變形區域穩定。

圖6 豎向位移最大位置（里程484m）時序變形曲線

圖7 橫向位移最大位置（里程424m）時序變形曲線

4.2 自動化聯測與人工水準監測結果對比分析

利用2022 年8 月1 日的實測水準數據，分析實驗所得監測數據中豎向位移精度，驗證多站聯測外業布設方案的精度及可靠性。先提取道床1 號點和2 號點該時間段自動化聯測與人工水準監測結果，共52 個點位，分別繪制對比曲線圖，如圖8 和圖9 所示，對比計算結果如表1 所示。實測水準數據由棱鏡旁的水準點監測所得，導致兩者位移量并非完全相同，但從曲線趨勢看，自動化聯測與人工水準監測結果除個別粗差點外位移基本一致，絕對誤差均小于1mm，標準差為2.27mm，均方根誤差為0.48mm。結果表明，實驗監測數據中豎向位移精度較高，多站聯測外業布設方案合理，監測效果較好，可為施工及地鐵運營安全提供支持。

表1 自動化與人工水準對比結果

圖8 道床1號點自動化與人工水準對比曲線

5 結論

本文以某市在建地鐵十二號線區間隧道工程為例，采用自動型全站儀多站聯測技術監測盾構長距離并行的既有地鐵隧道，主要結論如下：

（1）盾構長距離并行時，既有地鐵隧道變形受掘進影響，2022 年8 月至10 月隧道豎向及橫向位移趨勢明顯，變形表現為豎向隆起、橫向朝遠離盾構一側位移。（2）監測周期內，既有地鐵隧道豎向位移最大為2.08mm，橫向位移最大為-6.67mm，盾構掘進的影響于雙線貫通后降低，變形區域逐漸穩定。（3）實驗采用的多站聯測外業布設方案合理，自動化聯測與人工水準監測結果一致，精度較高，可為類似工程提供指導。