城市轨道交通运营期隧道净空收敛监测方案及应用研究

吴乃龙

(福州市勘测院，福建 福州 350108)

1 引 言

随着国民经济迅猛发展，城市轨道交通工程建设也在全国各大中城市如火如荼地进行。为能及时掌握工程竣工后运营期间隧道结构的变形规律、保证运营安全，对其进行结构变形监测[1～3]则是非常必要的。目前国内外实施最多的也是最常规的结构变形监测项目是结构沉降监测[4]，以及采用类似于CPIII控制网[5]实施的结构水平位移监测。通过这两个测项所获得的监测成果，主要是反映整体结构相对于车站的竖向位移和水平位移变化情况，但无法反映结构本身的变形情况(如隧道管片受压、张拉情况就无法获知)，而其对于结构安全而言却又是极其重要的。城市轨道交通工程主体结构主要包括车站结构、高架桥结构、地面停车场和隧道结构，一般情况下，运营期时的车站结构会被当作一个拟定的稳定刚体，地面停车场主要实施结构沉降监测，高架桥结构主要实施结构沉降监测和水平位移监测，而隧道区间结构是连接车站的主要构筑物(高架桥也是常见区间构筑物)，且大部分埋设于地下或江底，仅实施结构沉降监测和水平位移监测显然是不够的。

为获得隧道结构自身各部位的变形情况，该文对隧道结构净空收敛监测的布点方案、监测方法等进行了研究，并以福州市轨道交通2号线工程沙堤站至上街站区间下行线隧道结构运营期监测为例，介绍收敛监测点位埋设方案和相应的收敛监测方法，对收敛监测数据进行了精度分析，检验了数据成果的可靠性，并通过监测数据获得了隧道结构自身的变形规律[6]。

2 净空收敛监测点位布设及监测方法

2.1 净空收敛监测点位埋设目的

隧道结构断面形状多样，该文以盾构圆形隧道为例。为获得结构断面处于张拉、受压[7]状态，可通过测量断面横向和竖向的形状变化情况得知，对此，布设监测点时，水平收敛监测点形成的水平收敛基线则表示结构断面横向的张拉、受压状态，竖向或侧向收敛监测点形成的竖向收敛基线则表示结构断面竖向的张拉、受压状态。一般情况下，横向、竖向表现形式是互补的。

2.2 净空收敛监测点布设方法

(1)收敛监测点布设位置

水平收敛监测点布设于隧道腰部，左、右各一点；竖向收敛监测点布设于隧道底部和顶部，底部布设于道床中部，顶部点则为道床点垂直上方，即上、下各一点；侧向收敛监测点布设于隧道结构侧向。收敛监测点位布设示意图如图1所示：

由图1可知，每个断面布设4点，组成2条收敛基线，即水平收敛基线、竖向或侧向收敛基线。

(2)不同道床布设方案

常规隧道结构道床所在断面布设净空收敛基线布设两组，即水平基线和竖向基线各一组或水平基线和侧向基线各一组，共两种布设方案。这样既可以获得隧道结构的收敛变化，也可获得隧道结构和道床组合结构的收敛变化。

减震段内的减震道床因行车时会有上下调整或震动的情况，所以只布设水平收敛监测点和侧向收敛监测点一种方案，组成的水平收敛基线和侧向收敛基线，各一组。

图1 收敛监测点位布设示意图

2.3 净空收敛监测方法

(1)水平收敛基线测量方法

采用高精度自动化全站仪进行观测。每5个或7个监测断面为一组，在每组中间断面位置下方收敛监测点(亦是沉降监测点)上架设仪器。

(2)竖向和侧向收敛基线测量方法

采用激光测距仪进行数据采集。观测时，将测距仪底部凹槽放置下方收敛监测点上，瞄准隧道顶部或上方侧向收敛点的反光标靶瞄准标志进行数据采集。

3 数据处理与精度分析

3.1 水平收敛基线数据处理与精度估计

(1)水平收敛基线数据处理

根据每个断面左右2个测点的三维空间位置(X、Y、Z)坐标，计算两点之间收敛线的长度，两期之间固定收敛线的长度差值即为收敛变形值。收敛线的长度计算公式如下：

(1)

式中：L表示固定收敛线长度；

XAXBYAYBZAZB表示观测点的坐标分量。

(2)水平收敛基线精度估计

观测时，以当前观测断面组为单位，在中间断面任意设站，以最远断面左侧收敛监测点为后视定向点，采用全圆观测法观测一测回方式进行数据采集，采用一点一方向形式进行数据平差。

水平收敛基线由两个水平收敛监测点组成，而水平收敛监测点误差来源主要为：测点棱镜对中误差mj、仪器的测角仪器的测角精度mc和测距精度ms。

即水平收敛监测点精度为：

(2)

式中：mp表示水平收敛监测点精度；

S表示测站与监测点的距离；

ρ为常数206265。

根据式(2)，水平收敛基线精度则为：

(3)

3.2 竖向和侧向收敛基线数据处理

采用测距仪进行3次独立观测，取均值作为观测成果。

3.3 竖向和侧向收敛基线精度估计

竖向和侧向收敛基线是采用测距仪进行数据采集的，其误差来源主要是：测距仪的标称精度my，瞄准标靶精度mb，下方凹槽套准精度mt。

即单次测量竖向和侧向收敛基线的精度为：

(4)

3.4 精度指标

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》GB50911-2013[9]的要求，收敛监测基线精度指标应满足表1所示：

收敛基线精度指标要求 表1

4 工程实例

福州市轨道交通2号线沙堤站至上街站下行线区间里程ZK10+696至ZK12+293，隧道结构均采用盾构法进行施工，其中区间里程ZK11+234至ZK11+541为高等减震段。通过分析区间地质条件、施工工法及线路设计等已有资料，编制了运营期监测技术设计书，制定了隧道结构净空收敛监测方案。

4.1 净空收敛监测点的布设原则

隧道结构净空收敛监测点拟布设于隧道结构体上，且与线路沉降监测点布设在同一断面。其布设原则为：

(1)盾构区间隧道每隔16环(明挖法和矿山法区间隧道每隔 19.2 m)布设一个断面；

(2)区间隧道的第一环、最后一环布设一个断面；

(3)在地质条件不良地段、施工阶段已出现较大差异变形地段、出现过事故地段、施工采取过特殊处理地段、隧道出现大面积渗漏地段、管片破坏地段、正在进行病害治理地段适当加密布点，加密布点方式为每隔16环(19.2 m)一个常规断面的基础上内插一个断面(每隔8环或 9.6 m)的方式布设。

4.2 净空收敛监测点布设方法

(1)整体布设情况

区间内常规道床段布设水平收敛监测点和竖向收敛监测点或侧向收敛监测点，其中竖向收敛监测点和侧向收敛监测点依次交替间隔布设；减震道床段布设水平收敛监测点和侧向收敛监测点。

(2)收敛监测点位布设

水平方向收敛基线采用在收敛测线两端固定精密监测小棱镜的方式布设；竖向和侧向收敛监测点布设时，考虑到运营监测周期长，顶部和上端侧向收敛监测点若采用棱角布设，则有坠落的风险，从而对运行中的列车造成安全隐患，为此，顶部和上端侧向收敛监测点则采用具有反光标靶的反射片代替，并与下方道床或下方侧向收敛监测点形成竖向或侧向收敛基线。为提高测点利用率，下方测点同时作为沉降监测点。

(3)布设时注意事项

布设收敛监测点时严格注意避免侵入设备限界，不影响轨道上其他重要设施的使用功能，并根据现场实际情况对监测点位置进行了调整。由于盾构管片接缝处结构较为薄弱，本次收敛监测点埋设时将收敛监测点布设在管片正中央，避免了对其造成破坏。

4.3 净空收敛监测方法和精度估计

(1)水平收敛基线测量

本次水平收敛基线采用LEICA TM50(0.5″，0.6+1 ppm)高精度自动化全站仪进行监测。在常规线性隧道结构，每7个监测断面为一组，在第4个断面位位置沉降点上架设仪器；在小半径曲线线性隧道，则根据现场实际视线情况进行调整，一般每5个监测断面为一组，在第3个断面位位置沉降点上架设仪器。收敛断面观测示意图如图2所示：

图2 净空收敛观测示意图

(2)水平收敛基线精度估计

假设棱镜对中误差为mj=0.5 mm，最远收敛监测点距离测站S=60 m，根据式(3)，有：

(5)

由上可知，水平收敛基线精度符合规范要求(表1小于 3 mm要求)。

(3)竖向和侧向收敛基线测量

竖向和侧向收敛基线采用LEICA DISTO X810(±1 mm)激光测距仪进行独立观测3次，取均值作为最终结果。

(4)竖向和侧向收敛基线精度估计

假设瞄准标靶精度mb=0.5 mm，下方凹槽套准精度mt=0.5 mm，则根据式(4)，独立观测3次时，竖向或侧向收敛基线精度mz3为：

(6)

由上可知，竖向和侧向收敛基线精度符合规范要求(表1小于 3 mm要求)。

4.4 净空收敛数据成果

水平收敛基线长度采用式(1)进行计算，竖向和侧向收敛基线采用测距仪独立观测3次取均值作为成果，沙上区间下行线运营期监测周期为每季度进行一次，第三期的数据部分成果和区间累计收敛变化量曲线图分别如表2、图3所示：

沙上区间下行线第三期收敛监测成果表 表2

图3 沙上区间下行线收敛监测累计变化量曲线图

由图3可知，沙上区间下行线隧道结构整体呈现出，水平收敛基线变大、竖向和侧向收敛基线变小的趋势，即隧道结构自身处于受压的状态。

5 结 论

隧道净空收敛监测是运营期非常重要的一个测项，水平收敛和竖向或侧向收敛的监测数据可明显表现出隧道结构自身的受压或张拉状态，二者表现出的数据形式是相反的(即一个变大另一个则变小)，又是相互印证的；其次，通过分析连续多期的分收敛监测数据，还能更好地掌握隧道结构各处变形的状态和变化趋势，为工程安全运营、维护提供更多有效有方向的监测数据。最后，隧道净空收敛的数据变化往往伴随着隧道沉降[8]和隧道水平位移，三者密不可分的联系还有待进一步研究。