蘇東華　陳東梁　許鈺

摘要 隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與周邊土體、地下水等因素緊密相關(guān)，周邊環(huán)境的變化會(huì)引起隧道產(chǎn)生沉降變形，在隧道的運(yùn)營過程中，須對(duì)其進(jìn)行有規(guī)律的沉降監(jiān)測(cè)，掌握隧道的沉降變形趨勢(shì)為隧道安全運(yùn)營提供技術(shù)保障。TAM 監(jiān)測(cè)是一種攝影測(cè)量技術(shù)，文章結(jié)合上海市西藏南路隧道保護(hù)區(qū)施工監(jiān)測(cè)，運(yùn)用TAM 技術(shù)對(duì)隧道沉降及位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析，研究 TAM 技術(shù)在越江隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中的適用性，對(duì)同類隧道的監(jiān)測(cè)具有較好的借鑒作用。

關(guān)鍵詞 TAM 技術(shù);隧道監(jiān)測(cè);沉降位移;橫向位移;潮汐

中圖分類號(hào) U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）10-0059-05

0 引言

為解決城市發(fā)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(shí)如何保障隧道的安全穩(wěn)定運(yùn)營須重點(diǎn)關(guān)注。隧道是一種地下工程，隧道結(jié)構(gòu)與周邊土體、地下水等因素緊密相關(guān)，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(zhì)變化等因素，容易引起土體的附加應(yīng)力，不利于隧道結(jié)構(gòu)的沉降穩(wěn)定，過大的結(jié)構(gòu)沉降、結(jié)構(gòu)位移易導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生安全問題。另外，葉玲玲等研究[4]表明江水潮汐作用對(duì)隧道沉降也有一定的影響。該文以西藏南路隧道保護(hù)區(qū)施工監(jiān)測(cè)為例，運(yùn)用TAM技術(shù)高頻次采集隧道保護(hù)區(qū)施工過程中的沉降及橫向位移數(shù)據(jù)，結(jié)合黃浦江水位潮汐影響，分析隧道的結(jié)構(gòu)變化特點(diǎn)與規(guī)律，為保障隧道結(jié)構(gòu)安全提供技術(shù)支撐。

1 TAM技術(shù)的基本原理

TAM技術(shù)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)是基于攝影測(cè)量原理，以相機(jī)的光軸平面為基準(zhǔn)，利用靶點(diǎn)在光軸平面的位置變化來進(jìn)行二維位移測(cè)量的一種高精度測(cè)量方法。

TAM技術(shù)可以進(jìn)行多組相機(jī)組合，實(shí)現(xiàn)大范圍的橫向、豎向位移的精確測(cè)量。其核心是利用相機(jī)組合成一組光軸尺，通過檢測(cè)各個(gè)測(cè)點(diǎn)至光軸尺的距離，測(cè)量各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移。原理如圖1所示，TAM相機(jī)由前側(cè)相機(jī)和后側(cè)相機(jī)組成，是一對(duì)方向相反、同軸的相機(jī)，這對(duì)相機(jī)的光芯組成一組光軸尺，用來監(jiān)測(cè)相鄰2個(gè)TAM相機(jī)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(cè)時(shí)，所有的相機(jī)在同一時(shí)刻對(duì)目標(biāo)燈靶進(jìn)行拍攝。如圖2所示，相機(jī)2和3同時(shí)拍攝到2個(gè)相機(jī)之間的LED燈靶，通過測(cè)量這兩個(gè)LED燈靶與相機(jī)2光軸線的間距，求得相機(jī)2光軸線與2個(gè)標(biāo)靶的連接線之間的夾角，同理可求得相機(jī)3光軸線與兩個(gè)燈靶連線之間的夾角，由此可以得出測(cè)點(diǎn)2光軸的轉(zhuǎn)角Φ2。如此，可以獲得由所有相機(jī)光軸組成的測(cè)量基準(zhǔn)軸。通過該基準(zhǔn)軸與各個(gè)測(cè)點(diǎn)的豎向和橫向的距離，即可測(cè)量出所有測(cè)點(diǎn)相對(duì)于兩個(gè)固定點(diǎn)的豎向和橫向的相對(duì)位移。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)，在電子標(biāo)靶和相機(jī)安裝完畢進(jìn)行一次初始檢測(cè)，檢測(cè)得到各個(gè)電子標(biāo)靶相對(duì)于固定點(diǎn)的豎向和橫向差值作為初始值。以后按固定時(shí)間間隔進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。每次檢測(cè)得到的各個(gè)電子標(biāo)靶相對(duì)于固定點(diǎn)的豎向和橫向差值，扣除其初始值即為相對(duì)位移值。

2 TAM技術(shù)在隧道監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

2.1 工程概況

上海西藏南路隧道是上海市黃浦區(qū)與浦東新區(qū)之間的一條越江隧道，是上海市首條設(shè)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(gòu)法施工，圓形隧道的外徑為11.36 m，內(nèi)徑為10.36 m，主線總長度2 670 m。隧道周邊地理環(huán)境特殊，穿越原世博會(huì)園區(qū)，周邊有大量施工建設(shè)項(xiàng)目，其中深大基坑的施工對(duì)隧道的沉降及側(cè)向位移影響最為明顯，如位移量過大將致使隧道結(jié)構(gòu)破壞。

距離隧道最近的深基坑項(xiàng)目是世博A09A-01地塊建設(shè)項(xiàng)目和世博會(huì)地區(qū)A片區(qū)A02B-01、A02B-02地塊項(xiàng)目（圖3所示），分別為地上13層地下四層深基坑結(jié)構(gòu)及地上11層地下三層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)最大開挖深度約25 m，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，距離隧道最近處僅10 m，兩深基坑同時(shí)開挖施工，保護(hù)區(qū)覆蓋范圍重疊，經(jīng)過調(diào)查分析，施工中對(duì)于沉降檢測(cè)數(shù)據(jù)變化最直接影響的因素主要有以下兩點(diǎn)：

（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(dá)到12 萬m3，由于周邊土體卸載，荷載減少致使超固結(jié)土回彈引起隧道隆起。

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

隧道結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞，極難修復(fù)，如損壞情況嚴(yán)重，后果是災(zāi)難性的，無法估量的，為了防止隧道因保護(hù)區(qū)內(nèi)深大基坑的施工作業(yè)，造成隧道結(jié)構(gòu)變形損壞，實(shí)時(shí)掌握隧道結(jié)構(gòu)變形情況，并對(duì)隧道變形情況進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，有必要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

深基坑施工期間，利用TAM技術(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)基坑施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形的影響。監(jiān)測(cè)包括沉降、橫向位移。通過視頻圖像分析檢測(cè)技術(shù)，借助相機(jī)，燈靶、支架，工控機(jī)、4G路由器等，獲取隧道結(jié)構(gòu)的沉降、變形數(shù)據(jù)。參照上海市地方規(guī)范[5]及國家規(guī)范[6-7]設(shè)置預(yù)警值，讓系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行預(yù)警。通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集及分析，精準(zhǔn)地掌握隧道結(jié)構(gòu)變形情況、損傷程度等。

2.2 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

在西藏南路隧道的西線養(yǎng)護(hù)樁號(hào)XZ1250～XZ1550的影響區(qū)域內(nèi)布置測(cè)點(diǎn)，對(duì)該段進(jìn)行整體的沉降與橫向位移變形監(jiān)測(cè)，依次布置燈靶與相機(jī)。以2個(gè)燈靶與1個(gè)相機(jī)的組合進(jìn)行配置，依次鋪開。設(shè)備安裝位置位于隧道燈帶與擋板之間，燈靶與相機(jī)采用穩(wěn)固的三腳架固定于隧道結(jié)構(gòu)上，設(shè)備安裝后不影響隧道的正常通行。

初步設(shè)置監(jiān)測(cè)范圍300 m，測(cè)點(diǎn)間距25 m，如圖4、圖5所示，數(shù)據(jù)采集頻率為1小時(shí)/次，采集精度為

0.2 mm，后期可根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反饋，分析隧道結(jié)構(gòu)變形情況，視結(jié)構(gòu)變形情況及保護(hù)區(qū)基坑施工階段的變化，對(duì)數(shù)據(jù)采集頻率進(jìn)行增加或減少。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 沉降位移分析

以測(cè)點(diǎn)1及測(cè)點(diǎn)13為基準(zhǔn)靶，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集并導(dǎo)入系統(tǒng)，自動(dòng)生成測(cè)點(diǎn)2至測(cè)點(diǎn)12的沉降位移的時(shí)間序列圖，其中測(cè)點(diǎn)2至測(cè)點(diǎn)7的沉降位移如圖6所示。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：

（1）最大沉降變形部位是測(cè)點(diǎn)5至測(cè)點(diǎn)9，即監(jiān)測(cè)區(qū)域的中間部位，同時(shí)也是距離深大基坑施工最近的區(qū)域。測(cè)點(diǎn)5至測(cè)點(diǎn)9，隨著時(shí)間推移，測(cè)點(diǎn)間的沉降差異逐漸變大。

（2）各個(gè)時(shí)間段的形態(tài)呈周期性變化，白天的沉降變形達(dá)到最大。

（3）除去干擾波動(dòng)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(cè)點(diǎn)1及測(cè)點(diǎn)13為基準(zhǔn)靶，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集并導(dǎo)入系統(tǒng)，自動(dòng)生成測(cè)點(diǎn)2至測(cè)點(diǎn)12的橫向位移的時(shí)間序列圖，其中測(cè)點(diǎn)2至測(cè)點(diǎn)7的橫向位移如圖7所示。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：

（1）最大沉降變形形態(tài)呈雙峰型。且隨著時(shí)間推移，各測(cè)點(diǎn)間的相對(duì)橫向位移增大。

（2）各個(gè)時(shí)間段的形態(tài)呈密集周期性變化。測(cè)點(diǎn)3存在向內(nèi)位移趨勢(shì)，測(cè)點(diǎn)6、7、8存在向外位移趨勢(shì)，最大向外位移為10 mm，最大向內(nèi)位移為7 mm。

3.3 潮汐對(duì)于隧道沉降及橫向位移影響分析

上海市河道、水系發(fā)達(dá)，地質(zhì)條件較為特殊，多為地下水位高的軟土地質(zhì)。根據(jù)葉玲玲等的研究[4]，上海臨近黃浦江地區(qū)的地下水位受潮汐影響，離江越近影響越大。該次監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)榕R江區(qū)域，離黃浦江浦東江岸的距離為100 m左右區(qū)域分析該項(xiàng)目所測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)區(qū)域位移數(shù)據(jù)受江水潮汐的影響較大。圖8為黃浦公園潮汐監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀察到的監(jiān)測(cè)時(shí)段的潮汐變化值及基于此數(shù)據(jù)的潮汐周期分析結(jié)果。根據(jù)圖8可以觀察潮汐具有431.81 h的顯著周期。

綜合上述結(jié)果，監(jiān)測(cè)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(duì)沉降位移和橫向位移的影響不容忽視。

關(guān)于潮汐對(duì)深基坑周邊隧道的影響，如圖10所示，潮汐變化直接導(dǎo)致深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的壓力變化，引起擋土墻的變形和位移，橫向位移對(duì)潮位變化更敏感。而沉降位移則是地下水變化導(dǎo)致側(cè)向壓力差異、浮力差異等眾多要因作用的結(jié)果，因而表現(xiàn)出長周期的特征。

關(guān)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(jù)國家海洋局海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jié)束語

該文以TAM技術(shù)在西藏南路隧道保護(hù)區(qū)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)為例，通過自動(dòng)監(jiān)測(cè)采集的沉降變形數(shù)據(jù)，分析隧道周邊深大基坑和江水潮汐對(duì)隧道結(jié)構(gòu)沉降變形的影響，研究越江隧道在結(jié)構(gòu)方面的運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)，保障隧道運(yùn)營安全。下一步可對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)觀察，分析研究隧道結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，預(yù)測(cè)變化趨勢(shì)，指導(dǎo)隧道運(yùn)維，更有效地保障隧道結(jié)構(gòu)的安全。

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