0 引言

隨著各地大力發(fā)展區(qū)域性軌道交通建設(shè)，城市運(yùn)營(yíng)地鐵線網(wǎng)不斷密集，新建線路穿越既有線路工程項(xiàng)目也隨之增多。在地鐵隧道建設(shè)施工中，盾構(gòu)法施工以其特有優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用，盾構(gòu)穿越工程施工期間，既有運(yùn)營(yíng)地鐵結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定尤為重要，而傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式已無法滿足運(yùn)營(yíng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，本文以新建盾構(gòu)隧道下穿既有運(yùn)營(yíng)地鐵工程為例，研究多元智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在盾構(gòu)下穿高頻變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

1 工程概述

1.1 項(xiàng)目概況

新建5號(hào)線誠(chéng)信大道站~清水亭站區(qū)間隧道下穿既有3號(hào)線誠(chéng)信大道站~九龍湖站區(qū)間隧道，5號(hào)線下穿隧道及既有3號(hào)線隧道為盾構(gòu)隧道，隧道下穿位置距離既有3號(hào)線誠(chéng)信大道站約40m，距離新建的5號(hào)線誠(chéng)信大道站約48m。下穿位置對(duì)應(yīng)3號(hào)線區(qū)間隧道影響范圍上、下行線各22m。新建5號(hào)線區(qū)間隧道底埋深為24.1m，既有3號(hào)線隧道埋深為15.9m，5號(hào)線區(qū)間隧道與3號(hào)線區(qū)間隧道豎向最小凈距離為1.92m。（圖1）

圖1 盾構(gòu)隧道下穿位置關(guān)系圖

1.2 地質(zhì)條件

1.2.1 工程地質(zhì)特征

項(xiàng)目位于雙龍大道與誠(chéng)信大道交界處，地貌單元屬古秦淮河沖積平原，地形較平坦，地面吳淞高程在7.04～9.47m之間。

新建5號(hào)線車站外掛二層商業(yè)及風(fēng)道底板坐落于②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，三層車站底板坐落于②-3b2-3粉質(zhì)粘土及③-2b2-3粉質(zhì)粘土層中，臨時(shí)格構(gòu)柱樁基礎(chǔ)及地下連續(xù)墻底部坐落于K2c-3層強(qiáng)-中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層中。

1.2.2 水文特征

本工點(diǎn)場(chǎng)地地下水主要為孔隙潛水，局部分布有弱承壓水，其中孔隙潛水主要賦存于①-1雜填土、①-2素填土及②層新近沉積土中。①-1雜填土，結(jié)構(gòu)松散，①-2素填土，松軟，由軟-可塑狀粉質(zhì)粘土組成，夾碎塊，厚度不均，富水性一般，透水性一般。②層新近沉積土，均為粘性土（局部夾粉土），厚度較大，富水性差、透水性差。

2 監(jiān)測(cè)概況

2.1 監(jiān)測(cè)方法

為確保新建盾構(gòu)隧道盾構(gòu)下穿期間既有地鐵結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全，對(duì)其進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過采用多元智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，掌握盾構(gòu)下穿施工過程中對(duì)既有地鐵工程結(jié)構(gòu)引起的變化，為建設(shè)方及地鐵相關(guān)方提供及時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)成果和變形信息，評(píng)定施工對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響，及時(shí)判斷既有地鐵工程的結(jié)構(gòu)安全。

2.2 監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)

2.2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用多元智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集獲取、通訊傳輸、處理、分析、展示等環(huán)節(jié)，并最終進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和提供最優(yōu)治理方案。系統(tǒng)通過虛擬多串口擴(kuò)展模塊、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集控制模塊和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)依次通信連接，采用多線程并行通信方式實(shí)現(xiàn)虛擬多串口進(jìn)行多線程并行通信，同時(shí)支持多臺(tái)不同型號(hào)的傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，并自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理及平差計(jì)算，最終通過云平臺(tái)對(duì)監(jiān)測(cè)報(bào)表圖形化展示，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)成果的即時(shí)查看、實(shí)時(shí)分析、量化評(píng)價(jià)等功能。（圖2）

圖2 多元監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

①智能全站儀采集設(shè)備。根據(jù)監(jiān)測(cè)范圍、地鐵線路走向、本項(xiàng)目對(duì)應(yīng)段隧道既有變形情況，結(jié)合項(xiàng)目平縱斷面關(guān)系、隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況與監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、施工期間對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)可能存在影響，共使用2臺(tái)Leica TM30智能型全站儀（上、下行線各1臺(tái)）實(shí)施自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，完成各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的采集，從而反映隧道結(jié)構(gòu)的垂直位移、水平位移等變形情況。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用自主研發(fā)的多元智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)性能可靠且運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。在監(jiān)測(cè)工作實(shí)施前對(duì)影響范圍內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面普查，結(jié)合普查狀態(tài)與施工過程中地鐵結(jié)構(gòu)變形速率進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

②自動(dòng)化激光測(cè)距儀采集設(shè)備。由于本工程項(xiàng)目段隧道環(huán)境條件較差，隧道為直線段且點(diǎn)位布設(shè)較為密集，為避免小角度測(cè)量帶來的觀測(cè)誤差，本次隧道直徑收斂監(jiān)測(cè)采用激光測(cè)距儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)既有隧道直徑收斂進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度優(yōu)于±1.0mm，能夠很好地滿足地鐵隧道收斂監(jiān)測(cè)要求。

收斂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用HD-2NJ110型激光測(cè)距儀傳感器，該測(cè)距儀精度高、穩(wěn)定性好，通過發(fā)射激光束至目標(biāo)物體，利用反射光束精確計(jì)算距離，因此無需增設(shè)反射靶的情況下，也能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測(cè)，而且對(duì)目標(biāo)物體的尺寸面積要求比超聲波類型要求小，使得對(duì)遠(yuǎn)距離的小尺寸物體位置檢測(cè)成為可能。HD-2NJ110型測(cè)距儀測(cè)量響應(yīng)速度快，具有RS232/RS422接口能進(jìn)行自動(dòng)化連續(xù)監(jiān)測(cè)，通過數(shù)據(jù)采集通訊模塊把成果數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)浇K端，并通過服務(wù)器遠(yuǎn)程展示。

2.2.2 基準(zhǔn)點(diǎn)及工作基點(diǎn)布設(shè)

基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性是影響監(jiān)測(cè)成果精度的關(guān)鍵性因素，為保證基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定可靠，基準(zhǔn)點(diǎn)分別布設(shè)在項(xiàng)目變形區(qū)外60～80m誠(chéng)信大道站到九龍湖站區(qū)間隧道內(nèi)穩(wěn)定位置處，上下行線各布設(shè)2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)組，每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)組含8個(gè)L型小棱鏡基準(zhǔn)點(diǎn)。

為提高監(jiān)測(cè)成果精度，現(xiàn)場(chǎng)將全站儀工作基點(diǎn)的視線范圍控制在150m內(nèi)，在工作基點(diǎn)上安裝具有避震功能的強(qiáng)制對(duì)中支架，用于安置全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

盾構(gòu)下穿影響范圍為工程正上方對(duì)應(yīng)段及兩側(cè)各外擴(kuò)15m，全長(zhǎng)約52m，原則上每隔3m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面包括道床垂直位移、管片垂直位移、道床水平位移、水平收斂。上、下行線各布設(shè)18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共布設(shè)36個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。（圖3）

圖3 5號(hào)線盾構(gòu)下穿施工階段特征點(diǎn)位分布圖

2.3 監(jiān)測(cè)頻率

盾構(gòu)穿越過程中，5號(hào)線左線盾構(gòu)先穿越3號(hào)線上行線，后穿越3號(hào)線下行線。本次施工于1月1日進(jìn)入3號(hào)線上行線影響區(qū)（開挖面至監(jiān)測(cè)斷面距離8D范圍），頻率1天/次，1月2日距離27環(huán)，頻率4h/次，1月3日距離18環(huán)，頻率2h/次，1月5日盾構(gòu)刀盤推進(jìn)到3號(hào)線上行線隧道平面投影線的下方，頻率為30min/次，1月8日盾尾脫離3號(hào)線下行線隧道投影線，頻率為1h/次，正下方穿越歷時(shí)4天；同時(shí)，隨著盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)離既有3號(hào)線，監(jiān)測(cè)頻率也逐步放緩。于1月16日盾構(gòu)機(jī)完成接收工作，脫離3號(hào)線下行線投影邊線48m，頻率為12h/次。

3 數(shù)據(jù)分析

選取盾構(gòu)下穿期間既有線特征斷面道床及管片垂直位移變化情況生成歷時(shí)曲線圖如圖4。

圖4 5號(hào)線盾構(gòu)下穿施工階段特征斷面道床及管片階段變化量曲線圖

由于新建盾構(gòu)隧道與既有線極為接近，且地質(zhì)狀態(tài)較差，盾構(gòu)下穿期間既有線變形明顯，主要表現(xiàn)為前期抬升、后期沉降。具體情況為，盾構(gòu)穿過既有3號(hào)線上行線正下方后，盾構(gòu)施工開始對(duì)既有線隧道產(chǎn)生影響，道床垂直位移與管片垂直位移出現(xiàn)明顯抬升，其中峰值時(shí)期盾構(gòu)切口穿過3號(hào)線上行線正下方后，上行線特征斷面Z8、Z9、Z10道床上抬量分別為10.7mm、12.0mm、9.8mm，管片上抬量分別為8.3 mm、9.3 mm、7.5mm，且當(dāng)日3號(hào)線隧道上行線瞬時(shí)（30min）隆起曾最高達(dá)1.8mm。同時(shí)，Z8、Z9、Z10斷面水平收斂也產(chǎn)生明顯擴(kuò)張，當(dāng)日變化量分別為外擴(kuò)6.9mm、6.5mm、4.9mm。在控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度及注漿參數(shù)后抬升速率逐漸趨緩，隨后上、下行線道床垂直位移上抬量達(dá)到最大值14.6mm（Z9）、5.4mm（Y9）；盾構(gòu)機(jī)盾尾通過3號(hào)線下行線正下方后，道床、管片均呈現(xiàn)下沉趨勢(shì)；在脫出盾尾5環(huán)后既有線線沉降速度較快，上行線特征斷面當(dāng)日平均沉降-2.2mm；隨著盾構(gòu)接收完成，隧道結(jié)構(gòu)處于緩慢下沉狀態(tài)，平均沉降-0.5mm/d；后期，針對(duì)3號(hào)線下行線進(jìn)行多次疊交注漿施工后，既有線出現(xiàn)輕微回隆，隨后繼續(xù)緩慢下沉。

盾構(gòu)機(jī)接收后，為保障穿越后3號(hào)線安全運(yùn)營(yíng)，采取了一系列補(bǔ)償注漿措施，在5號(hào)線隧道上部注漿孔對(duì)應(yīng)3號(hào)線隧道底部土體進(jìn)行拱頂補(bǔ)強(qiáng)注漿，從而形成長(zhǎng)期、均勻、穩(wěn)定的加固體，依靠土體應(yīng)力補(bǔ)償?shù)脑?，使既有線趨向于穩(wěn)定；近半月的沉降速率有所緩解，上行線最大-0.115mm/d，下行線最大-0.107mm/d。

4 結(jié)語(yǔ)

①結(jié)合地鐵5號(hào)線盾構(gòu)下穿既有3號(hào)線工程實(shí)例，闡述多元智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理、方法及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，并根據(jù)下穿期間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析盾構(gòu)下穿工程對(duì)既有線的具體影響。盾構(gòu)下穿過程中，既有線正投影段出現(xiàn)前期隆起、后期沉降的變形趨勢(shì)，在控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度和注漿參數(shù)后，隆起情況有所減弱，在盾構(gòu)下穿完成后，既有線處于持續(xù)緩慢下沉狀態(tài)，說明既有線受盾構(gòu)推進(jìn)擾動(dòng)較大，土體變形受影響時(shí)間也較長(zhǎng)。盾構(gòu)進(jìn)入接收井后至今，既有線隧道結(jié)構(gòu)處于緩慢下沉趨勢(shì)，在新建隧道內(nèi)部針對(duì)既有線下方進(jìn)行多次疊交注漿施工后，既有線出現(xiàn)輕微回隆，沉降趨勢(shì)逐漸減緩。根據(jù)連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，盾構(gòu)施工過程中，注漿施工起到了減緩和穩(wěn)定既有線結(jié)構(gòu)變形的作用。

②采用多元智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行全時(shí)段監(jiān)測(cè)，通過對(duì)激光測(cè)距儀、全站儀智能化整合，用于盾構(gòu)下穿既有地鐵線路期間高頻觀測(cè)，頻率最高達(dá)30min/次，即時(shí)反映地鐵結(jié)構(gòu)變形情況，為地鐵建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、施工等多方提供準(zhǔn)確高效的決策依據(jù)，確保下穿工程順利完工，也為類似地質(zhì)盾構(gòu)下穿既有地鐵工程項(xiàng)目的開展積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。