基于高精度GPS的盾構隧道下穿河道河床變形監測

摘要：針對難以通過傳統方法監測下穿河流隧道的河床變形問題，以某下穿河流的盾構隧道項目為研究背景，詳細介紹了GPS靜態觀測方法在河床變形中的應用。首先布置了區域監測網，再對河床變形與盾構施工的規律進行分析。監測結果表明，在掌子面距離監測站約3.5D時河床開始出現沉降，且盾尾脫出后沉降速率達到最大值，相比于先行線，后行線施工對地表橫向水平位移的影響更大。

關鍵詞：穿河隧道;河床變形監測;GPS;水平位移

0" "引言

隨著軌道交通建設技術的不斷發展，越來越多的跨河盾構隧道工程不斷涌現。對于下穿河道的隧道而言，隧道頂部因處于較薄的覆蓋土層，導致其難以成拱，容易出現隧道上浮、冒頂或坍塌等事故。故在跨河盾構施工時，應重視頂部土層的控制測量[1]。在施工跨河盾構工程時，因地表排水和注漿工作等較為困難，且沒有使用水準儀等常規測量技術的條件，因此對跨河盾構的河床土層變形開展施工控制具有一定難度。

當前，多數研究集中在盾構施工與地表沉降的關系，而較少開展關于河床變形監測的研究。在水域中開展盾構施工，多數是根據自身施工經驗或在試驗段開展掘進試驗的方式，通過對盾構參數進行調整或對河床進行加固等方式，確保施工的安全性。基于當前難以使用傳統測量技術對河床變形進行監測的問題，本文以某地鐵盾構隧道為研究對象，對河床變形監測應用GPS觀測技術開展了相應的研究分析。

1" "工程概況

某地鐵車站有470m的長度均下穿河流主河槽。該河流深度為1.5～3.4m，下游中的堤壩可有效攔截河水，盾構隧道所穿越水域的水體保持在靜止狀態。隧道與河流中軸線存在60°左右的夾角，該區間的盾構隧道縱向坡度為0.4%，隧道頂部與河床最小距離為14m。隧道內外徑分別為5.4m和6m，左右線相距約為15m。

以1.2m標準環寬度的通用型環作為隧道管片，采用C50等級的混凝土，防水等級為P10。先行線為隧道的右線，比起隧道的左線位置領先400m。隧道從拱頂地層以下的土質如圖1所示。

2" "GPS河床監測方案

2.1" "GPS監測原理與數據處理方法

通過對用戶和四顆及以上衛星的距離測量，以此對用戶三維坐標進行解算的方式即為GPS技術。當前，數據處理方法以及GPS接收機不斷更新換代，在一定程度上也使GPS定位精度不斷提高，已能滿足多數工程的監測要求，故工程結構中的健康監測已逐漸開始應用GPS技術。GPS比起傳統變形監測方法雖有自動化程度高和監測實時等優點，但因精度較高的GPS技術需要進行復雜的數據處理，導致GPS技術很少被應用到工程監測中。

GPS數據處理方法包括絕對定位以及相對定位兩大類。絕對定位指基于單個GNSS設備中的觀測信號等進行相位中心位置的解算[2]。當前，在工程結構變形監測中，絕對定位方法應用最廣泛的是精密單點定位技術。采用大于兩臺的GPS設備開展同步觀測的方法，即為相對定位方法，其將兩臺GPS設備分別用作基站以及觀測站，共同誤差可通過衛星與接收機間的差分進行消除。

載波相位雙差法是當前相對定位法中有著最廣泛應用的方法[3]。工程結構監測項目中應用最多的是相對定位法，其原因在于差分處理方法較為簡單，絕對位置無需過于精確，也不需要包含參考框架等較為復雜的處理環節。

2.2" "基站及觀測站

本觀測項目的GPS觀測臺網中基站和觀測站分別為1臺和6臺，基站穩定性主要通過PPP技術進行評估，觀測站與基站間相對位移的解算采用載波相位差分技術。隧道下穿位置的河床變形監測斷面共有3個，每個斷面左右線各安裝有一臺監測站，具體如圖2所示。

各個監測站的GPS天線均布置在直徑為100mm的鋼管上，鋼管頂端伸出水面2m，底端安設在混凝土基座中。將4個斜撐焊接到鋼管上，以提高鋼管穩定性。

3" "河床變形分析

3.1" "河床沉降

GPS1、GPS2監測站的埋深比其余測點稍淺2m，且這兩個測點所處河床存在相對較厚的雜填土。從地質報告中可以知道，該河床土層相對較為松散，因此相比于其余4個監測站，GPS1、GPS2監測站的沉降量更大。通過相對定位法計算GPS1、GPS22監測站每小時的縱向沉降，所得結果如圖3所示。

從圖3可以看出，GPS1以及GPS2的沉降分別開始于5月25日和4月27日。在GPS1監測站和GPS2監測站中，當測點與刀盤分別距離為18m和25m時開始出現沉降，即隧道沉降在測點與掌子面距離為3～4倍盾構直徑時就會出現。GPS1監測站出現沉降之前會先表現出輕微隆起的現象，沉降速率最大值為5mm/d。

GPS1監測站與刀盤距離18m時，沉降速率增長較快，之后維持不變。當盾尾脫出后沉降速率先小部分增長，之后再降低。在GPS2監測點與刀盤有15m的距離時，沉降速率開始增加，盾尾脫出后有所降低。GPS1、GPS2監測點在盾構尾部脫出后沉降速率才達到最大值。

3.2" "縱向水平位移

GPS1監測站與掌子面的距離和河床在每小時產生的縱向水平之間的關系如圖4所示。GPS1在與掌子面距離約60m時，約向前有10mm的移動。在與掌子面距離5m時，開始向后移動，前后約有15mm的移動距離。在本工程項目中盾構總推力約為20.5kN，左線盾構總推力隨著環號變化的規律如圖5所示。

在GPS1監測站所處的環號之前，左線總推力比理論值大。左線總推力在經過GPS3、GPS5、GPS2、GPS4、GPS6監測站時，保持有22KN左右的總推力。分析認為，其是導致GPS1監測站出現明顯縱向水平位移的原因。

GPS1監測站的地表縱向水平位移在與掌子面有5m的距離時，表現出向后反彈的情況。當監測站與掌子面的距離越來越遠時，縱向水平位移開始趨于0。孔隙水壓力的邊界中不透水的范圍為1D（D為盾構直徑），因此GPS1監測站在距離掌子面5m時，剛好位于滲透邊界內，其下方位置的土體開始釋放應力，使其出現向后反彈的水平縱向位移。

3.3" "橫向水平位移

本文基于GPS實測數據，分析隧道先后行線地表水平位移間的關系。左線盾構施工到各個監測站時，各監測站有橫向水平位移出現，右線施工對水平橫向變形僅有較小的影響，僅GPS1、GPS2監測站出現約5mm的位移。在施工后行線時，先行線受到較大影響，導致各測點橫向水平位移偏大。橫向位移與距離的關系如圖6所示。

先行線測點在施工后行線過程中，橫向水平位移表現為負值，即朝向隧道軸線位置出現水平位移。后行線中的1、3測點距離隧道軸線較近，因此無水平橫向位移。GPS5在隧道右側，出現正值的橫向水平位移。后行線的施工，使得兩側河床有靠攏至隧道軸線的位移出現。對后行線左側監測站水平位移進行擬合可知，河床水平位移與其到隧道軸線橫向距離存在線性關系，施工后行線時對其左側約產生了23m的影響。因后行線僅GPS5監測站位于其右側，因此本文未對線路右側范圍的位移開展討論。

4" "結語

本文針對難以通過傳統方法監測下穿河流隧道的河床變形問題，以某下穿河流的盾構隧道項目為研究背景，詳細介紹了GPS靜態觀測方法在河床變形中的應用。首先布置了區域監測網，再對河床變形與盾構施工的規律進行分析，從而得到以下結論：

河床在監測站與掌子面距離較近時表現出先隆起后沉降的規律，當監測站與掌子面距離約3.5D時開始出現沉降，且速率不斷增加，沉降速率到盾構尾部脫出后達到最大值，之后則不斷降低。

地表縱向水平位移受盾構施工時的總推力的影響較大。較大的施工總推力下，地表縱向水平位移有向前移動的趨勢，并在掌子面距離測點約0.8D時，逐漸產生向后移動的趨勢，測點的地表縱向水平位移在盾構經過后趨于0。

后行線對地表橫向水平位移有較大影響，且施工后行線對先行線上的測點有較大影響。后行線的施工，導致兩側河床出現朝向隧道軸線靠攏的位移，可對約3.5D范圍內的河床產生水平橫向位移影響。

參考文獻

[1] 王志芬.盾構隧道下穿既有河道的數值變形分析[J].市政技術，2021，39（2）：93-97.

[2] 周高烽，朱東峰，姜懷祖.雙線地鐵盾構隧道下穿既有河道施工對地層變形的影響分析[J].四川建筑，2020，40（4）：115-118.

[3] 薛子斌，朱考飛，張云毅，等.盾構隧道下穿河道施工控制技術"[J].工程建設與設計，2019（9）：192-193+212.