地铁盾构隧道施工江底沉降监测技术

崔 晓 李 伟

(1.中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133;2.杭州市地铁集团有限责任公司，浙江杭州 310026)

1 工程概况

杭州地铁1号线工程滨江站—富春路站区间隧道穿越钱塘江防汛墙和钱塘江，盾构穿越长度约1343m。隧道盾构推进到越江段时，其隧道上部覆土深度变小，如果距江底太近，容易发生江水下渗风险。本工程盾构越江段覆土深度在18m以上。为及时了解盾构推进过程中江底的变化情况，确保安全穿越，对越江段的水域江底地形变形监测具有重要的意义。

钱塘江闻堰以下的河段，水流经过杭州市区至澉浦注入杭州湾，河口呈巨大的喇叭形。由于杭州湾宽度自外向里急剧收缩，潮差沿程递增，澉浦潮差比海口增大约一倍，平均潮差达5.58m，最大潮差8.93m，澉浦潮平均流量达到19.5万m3/s，潮波向西传播时由于河床沿程抬高，潮波迅速破裂变形，到尖山附近形成举世闻名的钱江涌潮。潮头高度在海宁盐官—八堡一带通常可达1～2m，最大时3m以上，涌潮传播速度为5～7m/s。

根据上述水域水流的情况，要做好江底变形监测，主要的技术难点为:①减小潮汐对监测的影响;②尽可能的降低由于大风、江流等所形成的涌浪对监测船姿态的影响;③通过对平均声速的改正，提高测深的精度;④采用相位载波差分技术(RTK)进行坐标导航及实时水位验潮，确保所测高程为轴线上方，确保其潮位验潮的及时性;⑤在实际监测中，监测船无法十分准确地走在轴线上方，常会偏离轴线，所测得的高程也就并非是轴线上方的高程，所以需要采用DEM建模，求得其轴线上方的真正高程。

另外，在钱塘江上，容易受到大风、雾雷电、涌潮等因素的影响，主航道航行船舶密集也是影响水上监测工作正常有序进行的重要因素，不容忽视。

2 主要技术难点的解决办法

2.1 针对潮汐影响采取的措施

将测深系统和GPS系统结合起来，将GPS和声纳固定在“固定杆”的两端，安装在船的一侧(如有开孔，则可安装在监测船的开孔处)。用GPS测得声纳底部的高程，减去使用声纳测出的水深，即可获得水底高程。这样做的好处是，船在航行时，在涨潮和落潮时以及在江流的作用下，所导致的船只轻微摇晃，GPS亦会随着测量船的起伏变化而变化。

随着水面的不断变化，而GPS测得的声纳底部高程在同时间内发生变化，结合声纳测得的水深则可成功测得江底的高程。

2.2 针对声速影响采取的措施

(1)在实际监测工作中，对小于15m水深、流速不大的水域采用比对的办法进行声速改正。即使用测深板测得某位置的实际水深，再使用声纳测得该位置的水深，如果两者相差，则调整声纳的声速，直到测出正确水深为止。

(2)采用1998版《海道测量规范》计算声速公式

式中，C为声速/(m/s);T为温度/℃;S为盐度/1‰;D为深度/m。

通过计算声纳在不同水域的声速，从而求得平均声速。

(3)使用美国Odom公司的Digidar Pro声速剖面仪进行声速测量。

该系采用“环鸣”法进行声速测量，能够自动补偿海水的温度和盐度所造成的误差。该设备声速分辨率为0.1m/s，声速精度0.3m/s，采样速率10 Hz。

2.3 采用RTK实时验潮技术

使用美国Trimble 5700 GPS进行水上三维动态测量。该仪器精度高、工作稳定，并能给测深系统提供优异的位置导航。

该仪器RTK方式精度:水平1 cm+1×10-6D，垂直2 cm+1×10-6D。

在实际作业中，为方便求得高程异常，一般的作业方法是:使用GPS测量已知点A，然后测量所要测量点B，这时可以获得一个差值，设这个差值为Z，则有

由此可得B点的似大地水准面高程HRB=H84B-Z，此种简单的办法只能在小范围内使用(如图1所示)。

图1 GPS RTK实时验潮

另外还可以采取求相对高差的办法。通过测量两个点的WGS-84坐标，获取两个点之间的高差，然后用所联测的已知水准点进行转换。上面的已知A点的似大地水准面高程，使用GPS测量求得B点的似大地水准面的过程如下:

令a=H84-H84B，

则HRB=Hr+a，从而获得B点的似大地水准面高程。

2.4 内业处理

水域外业数据采集的特点:在野外数据采集时，船只是无法非常准确的航行在隧道轴线上方的。因此，如果单独测设隧道轴线上方的一条测线，则总会与隧道轴线有偏离。

内业数据处理对外业的要求:单条线本身是无法了解到一个面的情况的。即使要了解，那也就是完全凭经验把线上的某个点移到面上去，但这个经验的精度对监测工作来讲并不具备足够的理由。相反，要了解某个面上线的情况则十分容易。因此，在外业时沿隧道轴线两侧至少5～10m，测设至少3条测线，来构建一个监测工作面，而通过DEM建模进行科学的插值，则可提取该面上的任意一点高程。

3 水域江底变形监测作业方法

(1)采用二等水准的方法，精密测量GPS架设点的高程，确保水上测量高程的精度。

(2)正式监测施工前架设好岸台，安装好监测船上各种测量设备，做好调试工作，选择好各种参数(特别是声速)，使仪器处理最佳工作状态。

(3)在起算点位置架设好仪器，调试好基站，检查其接收卫星状态、卫星颗数、信号质量等，确保GPS处在良好工作状态。

(4)在施测船上装置好流动站，将测深系统与GPS系统联接好，调试好导航图，采用监测船低速走航式施测。

(5)每次监测时根据当次盾构切口里程确定监测范围，布设监测测线，并保证前后两次观测有足够的重叠对比区域，以了解江底隆陷变形速率。

(6)若监测仪器中途发生故障，则测线报废，重新施测。

(7)按设计测线多次覆盖，以保证监测范围内有足够的测点。

(8)外业各测量组必须在现场及时自检资料，发现问题应立即查明原因。

(9)潮位观测应早于水上施测15 min进行，至水上施测完工15 min后才告结束。

(10)施测结束后，外业数据采集负责人及时将采集数据送交内业人员进行后处理。

4 监测实施质量保证及相关技术要求

4.1 精度要求及保证

(1)江底地形监测:水底地形精度≤±10 cm。

(2)气象条件:水上测量区域受大雾、大风(台风、冷空气、季风等)、雷电、暴雨、涌潮等气象因素的影响较大，当恶劣气候的影响危及测量船航行安全时或江面涌浪较大、测量船的摇晃度已经超出了仪器的允许范围而无法进行正常测量时，暂停水上测量。

(3)质量保证:使用先进的导航定位和测量设备，配备技术好具有丰富水上测量经验的导航测量技术人员，具有导航定位和测量的实时质量监控，内业数据处理的质量监控和精度统计，测量数据的两级检查和一级验收，ISO质量管理体系，成熟的水上监测施工方案，齐全的测量规范等。

4.2 相关报警值设定

有关报警值:水底地形高程变化≤20 cm/次，即在外业或内业执行过程中发现江底地形异常变化(隆起或沉降值超过报警值)时，先行口头向有关各方报警，然后正式提交书面监测成果资料。考虑水底地形受水流冲刷等因素影响，本项目不设累计报警值。

5 江底地形背景值调查测量

在隧道盾构推进至防汛墙前两周，对江底地形先作精密测量，以形成背景资料，便于监测过程中作为基础地形进行对比，确保背景资料的真实可靠。

背景测线布置:沿隧道轴线走向施测，施测当天尽量避开大风大浪天气;施测区域为沿隧道轴线左右各30m的水域范围，每3～10m布设1条测线;测量时，监测船沿隧道轴线位置在施测区域内往返航行。为了检查测量数据的真实性，在整个施测区域进行多次重复测量，达到校验和提高精度的目的。

6 施工跟踪监测

6.1 测量范围与监测频率

一般情况下，在江边浅滩或浅水区每天监测1次。当盾构进入江边坡至江心段时，每天进行2次江底隆陷变形实时测量，上、下午各提供一次监测数据和轴线地形剖面(特殊情况例外)。盾构停顿期需每天进行1次江底变形测量。监测范围为盾构切口前35m至切口后28m，盾构轴线左右各10m宽的范围。

对江中段，每月进行1次测量，测量范围沿盾构轴线600m长，横向范围为盾构轴线左右各10m宽的范围。前后两次测量至少搭接前次测量期间盾构的推进距离。

6.2 监测路线与测点布设

在盾构切口前后位置，沿盾构轴线和其左右两侧各3m、6m、10m左右，分别布设1条长63m的测线，共7条测线。沿监测路线每3～5m取1点，点号按轴线里程编号。

每月对切口前后各300m进行1次测量，沿轴线和其左右两侧各3m、6m、10m左右，布设3条测线，共7条测线。沿监测路线每3～5m取1点，点按轴线里程编号。

6.3 数据处理与成果提交

(1)检查及验收外业资料

包括定位资料是否完整;测深模拟记录是否清晰、连续;测线号、测点与定位记录是否一致(若不一致者报废整条测线);潮位资料计算是否正确等;涌浪补偿数据是否完整;仪器工作时间是否同步;野外作业各项记录是否完全。

(2)绘制潮位曲线

将潮位值绘成大比例潮位曲线，便于潮改取值，或直接按等分时间对应的潮位值输入计算机存盘，从原始的涌浪补偿数据中提取出有用的涌浪补偿数据。

(3)绘制航迹图

利用绘图软件根据定位记录绘制当次监测的航迹图(比例尺1/100)。

(4)挑选有效点位

利用计算机将当次监测区域沿隧道中心轴线左右各2m范围内的定位点选定并输出保存在文件中。

(5)提取有效的水深值

根据所挑选的有效定位点利用计算机提取出其对应的水深值;同时应比对在测深模拟剖面上记录的其相应的瞬时水深，特别注意消除风、浪对水深数据的影响。

(6)潮汐改正及涌浪补偿

利用涌浪补偿数据资料对潮改前的水深数据进行涌浪补偿;同时根据所作潮位曲线，对涌浪补偿后的水深值按时间进行潮汐改正(高程采用当地吴淞高程)，或直接利用计算机进行潮位改正。

(7)制作江底地形图(背景图)

将测点的高程值标注于航迹图上，作背景地形图。

(8)求解隧道轴线上的江底高程值

将选定点的高程值，由计算机进行网格化、滤波、平滑等技术处理，并使用DEM建模，求出当次监测隧道轴线上的江底高程值。

(9)绘制成果图表

用A3纸打印出隧道轴线江底地形对比剖面图(比例尺:水平1/200;垂直1/50)。对比内容为当次监测与上次监测原始背景的江底地形剖面。根据甲方要求，除提供江底隧道轴线地形的对比剖面图外，还提供类似陆域盾构监测的报表。

7 结束语

在盾构隧道施工过程中，通过江底沉降监测掌握了钱塘江江底土层在地铁盾构隧道施工过程中的动态变化，及时地进行了预测和信息反馈，用监测成果调整设计并指导施工，达到了信息化施工的目的，为以后的工程作了技术准备。

［1］夏明耀，曾进伦.地下工程设计施工手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1999

［2］周忠谟，易杰军，周琪.GPS卫星测量原理与应用［M］.北京:测绘出版社，1999

［3］GB 50308—2008 城市轨道交通工程测量规范［S］