地鐵盾構隧道施工江底沉降監測技術

崔 曉 李 偉

(1.中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133;2.杭州市地鐵集團有限責任公司，浙江杭州 310026)

1 工程概況

杭州地鐵1號線工程濱江站—富春路站區間隧道穿越錢塘江防汛墻和錢塘江，盾構穿越長度約1343m。隧道盾構推進到越江段時，其隧道上部覆土深度變小，如果距江底太近，容易發生江水下滲風險。本工程盾構越江段覆土深度在18m以上。為及時了解盾構推進過程中江底的變化情況，確保安全穿越，對越江段的水域江底地形變形監測具有重要的意義。

錢塘江聞堰以下的河段，水流經過杭州市區至澉浦注入杭州灣，河口呈巨大的喇叭形。由于杭州灣寬度自外向里急劇收縮，潮差沿程遞增，澉浦潮差比海口增大約一倍，平均潮差達5.58m，最大潮差8.93m，澉浦潮平均流量達到19.5萬m3/s，潮波向西傳播時由于河床沿程抬高，潮波迅速破裂變形，到尖山附近形成舉世聞名的錢江涌潮。潮頭高度在海寧鹽官—八堡一帶通常可達1～2m，最大時3m以上，涌潮傳播速度為5～7m/s。

根據上述水域水流的情況，要做好江底變形監測，主要的技術難點為:①減小潮汐對監測的影響;②盡可能的降低由于大風、江流等所形成的涌浪對監測船姿態的影響;③通過對平均聲速的改正，提高測深的精度;④采用相位載波差分技術(RTK)進行坐標導航及實時水位驗潮，確保所測高程為軸線上方，確保其潮位驗潮的及時性;⑤在實際監測中，監測船無法十分準確地走在軸線上方，常會偏離軸線，所測得的高程也就并非是軸線上方的高程，所以需要采用DEM建模，求得其軸線上方的真正高程。

另外，在錢塘江上，容易受到大風、霧雷電、涌潮等因素的影響，主航道航行船舶密集也是影響水上監測工作正常有序進行的重要因素，不容忽視。

2 主要技術難點的解決辦法

2.1 針對潮汐影響采取的措施

將測深系統和GPS系統結合起來，將GPS和聲納固定在“固定桿”的兩端，安裝在船的一側(如有開孔，則可安裝在監測船的開孔處)。用GPS測得聲納底部的高程，減去使用聲納測出的水深，即可獲得水底高程。這樣做的好處是，船在航行時，在漲潮和落潮時以及在江流的作用下，所導致的船只輕微搖晃，GPS亦會隨著測量船的起伏變化而變化。

隨著水面的不斷變化，而GPS測得的聲納底部高程在同時間內發生變化，結合聲納測得的水深則可成功測得江底的高程。

2.2 針對聲速影響采取的措施

(1)在實際監測工作中，對小于15m水深、流速不大的水域采用比對的辦法進行聲速改正。即使用測深板測得某位置的實際水深，再使用聲納測得該位置的水深，如果兩者相差，則調整聲納的聲速，直到測出正確水深為止。

(2)采用1998版《海道測量規范》計算聲速公式

式中，C為聲速/(m/s);T為溫度/℃;S為鹽度/1‰;D為深度/m。

通過計算聲納在不同水域的聲速，從而求得平均聲速。

(3)使用美國Odom公司的Digidar Pro聲速剖面儀進行聲速測量。

該系采用“環鳴”法進行聲速測量，能夠自動補償海水的溫度和鹽度所造成的誤差。該設備聲速分辨率為0.1m/s，聲速精度0.3m/s，采樣速率10 Hz。

2.3 采用RTK實時驗潮技術

使用美國Trimble 5700 GPS進行水上三維動態測量。該儀器精度高、工作穩定，并能給測深系統提供優異的位置導航。

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

在實際作業中，為方便求得高程異常，一般的作業方法是:使用GPS測量已知點A，然后測量所要測量點B，這時可以獲得一個差值，設這個差值為Z，則有

由此可得B點的似大地水準面高程HRB=H84B-Z，此種簡單的辦法只能在小范圍內使用(如圖1所示)。

圖1 GPS RTK實時驗潮

另外還可以采取求相對高差的辦法。通過測量兩個點的WGS-84坐標，獲取兩個點之間的高差，然后用所聯測的已知水準點進行轉換。上面的已知A點的似大地水準面高程，使用GPS測量求得B點的似大地水準面的過程如下:

令a=H84-H84B，

則HRB=Hr+a，從而獲得B點的似大地水準面高程。

2.4 內業處理

水域外業數據采集的特點:在野外數據采集時，船只是無法非常準確的航行在隧道軸線上方的。因此，如果單獨測設隧道軸線上方的一條測線，則總會與隧道軸線有偏離。

內業數據處理對外業的要求:單條線本身是無法了解到一個面的情況的。即使要了解，那也就是完全憑經驗把線上的某個點移到面上去，但這個經驗的精度對監測工作來講并不具備足夠的理由。相反，要了解某個面上線的情況則十分容易。因此，在外業時沿隧道軸線兩側至少5～10m，測設至少3條測線，來構建一個監測工作面，而通過DEM建模進行科學的插值，則可提取該面上的任意一點高程。

3 水域江底變形監測作業方法

(1)采用二等水準的方法，精密測量GPS架設點的高程，確保水上測量高程的精度。

(2)正式監測施工前架設好岸臺，安裝好監測船上各種測量設備，做好調試工作，選擇好各種參數(特別是聲速)，使儀器處理最佳工作狀態。

(3)在起算點位置架設好儀器，調試好基站，檢查其接收衛星狀態、衛星顆數、信號質量等，確保GPS處在良好工作狀態。

(4)在施測船上裝置好流動站，將測深系統與GPS系統聯接好，調試好導航圖，采用監測船低速走航式施測。

(5)每次監測時根據當次盾構切口里程確定監測范圍，布設監測測線，并保證前后兩次觀測有足夠的重疊對比區域，以了解江底隆陷變形速率。

(6)若監測儀器中途發生故障，則測線報廢，重新施測。

(7)按設計測線多次覆蓋，以保證監測范圍內有足夠的測點。

(8)外業各測量組必須在現場及時自檢資料，發現問題應立即查明原因。

(9)潮位觀測應早于水上施測15 min進行，至水上施測完工15 min后才告結束。

(10)施測結束后，外業數據采集負責人及時將采集數據送交內業人員進行后處理。

4 監測實施質量保證及相關技術要求

4.1 精度要求及保證

(1)江底地形監測:水底地形精度≤±10 cm。

(2)氣象條件:水上測量區域受大霧、大風(臺風、冷空氣、季風等)、雷電、暴雨、涌潮等氣象因素的影響較大，當惡劣氣候的影響危及測量船航行安全時或江面涌浪較大、測量船的搖晃度已經超出了儀器的允許范圍而無法進行正常測量時，暫停水上測量。

(3)質量保證:使用先進的導航定位和測量設備，配備技術好具有豐富水上測量經驗的導航測量技術人員，具有導航定位和測量的實時質量監控，內業數據處理的質量監控和精度統計，測量數據的兩級檢查和一級驗收，ISO質量管理體系，成熟的水上監測施工方案，齊全的測量規范等。

4.2 相關報警值設定

有關報警值:水底地形高程變化≤20 cm/次，即在外業或內業執行過程中發現江底地形異常變化(隆起或沉降值超過報警值)時，先行口頭向有關各方報警，然后正式提交書面監測成果資料。考慮水底地形受水流沖刷等因素影響，本項目不設累計報警值。

5 江底地形背景值調查測量

在隧道盾構推進至防汛墻前兩周，對江底地形先作精密測量，以形成背景資料，便于監測過程中作為基礎地形進行對比，確保背景資料的真實可靠。

背景測線布置:沿隧道軸線走向施測，施測當天盡量避開大風大浪天氣;施測區域為沿隧道軸線左右各30m的水域范圍，每3～10m布設1條測線;測量時，監測船沿隧道軸線位置在施測區域內往返航行。為了檢查測量數據的真實性，在整個施測區域進行多次重復測量，達到校驗和提高精度的目的。

6 施工跟蹤監測

6.1 測量范圍與監測頻率

一般情況下，在江邊淺灘或淺水區每天監測1次。當盾構進入江邊坡至江心段時，每天進行2次江底隆陷變形實時測量，上、下午各提供一次監測數據和軸線地形剖面(特殊情況例外)。盾構停頓期需每天進行1次江底變形測量。監測范圍為盾構切口前35m至切口后28m，盾構軸線左右各10m寬的范圍。

對江中段，每月進行1次測量，測量范圍沿盾構軸線600m長，橫向范圍為盾構軸線左右各10m寬的范圍。前后兩次測量至少搭接前次測量期間盾構的推進距離。

6.2 監測路線與測點布設

在盾構切口前后位置，沿盾構軸線和其左右兩側各3m、6m、10m左右，分別布設1條長63m的測線，共7條測線。沿監測路線每3～5m取1點，點號按軸線里程編號。

每月對切口前后各300m進行1次測量，沿軸線和其左右兩側各3m、6m、10m左右，布設3條測線，共7條測線。沿監測路線每3～5m取1點，點按軸線里程編號。

6.3 數據處理與成果提交

(1)檢查及驗收外業資料

包括定位資料是否完整;測深模擬記錄是否清晰、連續;測線號、測點與定位記錄是否一致(若不一致者報廢整條測線);潮位資料計算是否正確等;涌浪補償數據是否完整;儀器工作時間是否同步;野外作業各項記錄是否完全。

(2)繪制潮位曲線

將潮位值繪成大比例潮位曲線，便于潮改取值，或直接按等分時間對應的潮位值輸入計算機存盤，從原始的涌浪補償數據中提取出有用的涌浪補償數據。

(3)繪制航跡圖

利用繪圖軟件根據定位記錄繪制當次監測的航跡圖(比例尺1/100)。

(4)挑選有效點位

利用計算機將當次監測區域沿隧道中心軸線左右各2m范圍內的定位點選定并輸出保存在文件中。

(5)提取有效的水深值

根據所挑選的有效定位點利用計算機提取出其對應的水深值;同時應比對在測深模擬剖面上記錄的其相應的瞬時水深，特別注意消除風、浪對水深數據的影響。

(6)潮汐改正及涌浪補償

利用涌浪補償數據資料對潮改前的水深數據進行涌浪補償;同時根據所作潮位曲線，對涌浪補償后的水深值按時間進行潮汐改正(高程采用當地吳淞高程)，或直接利用計算機進行潮位改正。

(7)制作江底地形圖(背景圖)

將測點的高程值標注于航跡圖上，作背景地形圖。

(8)求解隧道軸線上的江底高程值

將選定點的高程值，由計算機進行網格化、濾波、平滑等技術處理，并使用DEM建模，求出當次監測隧道軸線上的江底高程值。

(9)繪制成果圖表

用A3紙打印出隧道軸線江底地形對比剖面圖(比例尺:水平1/200;垂直1/50)。對比內容為當次監測與上次監測原始背景的江底地形剖面。根據甲方要求，除提供江底隧道軸線地形的對比剖面圖外，還提供類似陸域盾構監測的報表。

7 結束語

在盾構隧道施工過程中，通過江底沉降監測掌握了錢塘江江底土層在地鐵盾構隧道施工過程中的動態變化，及時地進行了預測和信息反饋，用監測成果調整設計并指導施工，達到了信息化施工的目的，為以后的工程作了技術準備。

［1］夏明耀，曾進倫.地下工程設計施工手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，1999

［2］周忠謨，易杰軍，周琪.GPS衛星測量原理與應用［M］.北京:測繪出版社，1999

［3］GB 50308—2008 城市軌道交通工程測量規范［S］