程 巖

(中國鐵路上海局集團有限公司 上海樞紐指揮部，上海 200071)

滬寧高速鐵路設(shè)計最高速度350 km/h，目前運營最高速度300 km/h。正線線間距4.8 m。軌道結(jié)構(gòu)采用CRTS-Ⅰ型板式無砟軌道，到發(fā)線采用寬枕軌道結(jié)構(gòu)。地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿滬寧高速鐵路常州火車站路基，基本正交，2股正線和2股到發(fā)線下方已采用混凝土板+鉆孔灌注樁+CFG樁進行加固，如圖1所示。圖中Ⅰ,Ⅱ股道為高速鐵路正線，3,4,5,6股道為到發(fā)線。

圖1 地鐵盾構(gòu)施工與高速鐵路及附屬設(shè)施關(guān)系平面示意

地鐵盾構(gòu)穿越高速鐵路車站的監(jiān)測，還沒有成熟的規(guī)范和標準，國內(nèi)外也沒有成熟的經(jīng)驗可以借鑒。本文以新建地鐵盾構(gòu)區(qū)間穿越滬寧高速鐵路常州站的變形監(jiān)測為例，在計算分析盾構(gòu)施工對運營期高速鐵路的結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)施變形影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合運營高速鐵路的特點，設(shè)計變形監(jiān)測方案。采用基于機器人型全站儀的三維實時自動變形監(jiān)測系統(tǒng)對高速鐵路結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)施進行數(shù)據(jù)采集，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)及時處理與分析，指導(dǎo)盾構(gòu)施工，確保鐵路行車安全，形成一套完整的監(jiān)測方案。

1 地鐵盾構(gòu)穿越高速鐵路變形影響分析

高速鐵路行車對軌道不平順性要求嚴格，需嚴格控制地鐵盾構(gòu)工程所引起的鐵路沉降與變形以及對附屬建筑物的變形影響。因此需要對盾構(gòu)施工影響高速鐵路變形進行理論分析和模擬計算，主要內(nèi)容為：①計算分析地鐵盾構(gòu)施工對高速鐵路的影響，評價軌道沉降與變形是否滿足鐵路安全運營要求，分析混凝土筏板與樁基的變形是否滿足安全要求，并提出鐵路安全保護措施與建議。②計算分析地鐵區(qū)間盾構(gòu)施工對高速鐵路相關(guān)建構(gòu)筑物的影響，評價建構(gòu)筑物沉降與變形是否滿足安全要求，并提出保護措施與建議。③提出鐵路保護監(jiān)測要求。

采用有限元軟件MIDAS計算出施工對線路變形的影響范圍和大小。所建立的有限元模型如圖2所示，模型原點位于中間2#灌注樁處的地表。

圖2 盾構(gòu)區(qū)間對高速鐵路影響計算模型

經(jīng)過計算得出：盾構(gòu)施工造成滬寧高速鐵路路基沉降最大值小于6 mm，可滿足保護控制要求。施工過程中10 m 弦長路基沉降最大矢量差小于4 mm，可滿足計劃維修的靜態(tài)軌面平順性管理標準限值要求。

2 監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測范圍、內(nèi)容和頻率

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，盾構(gòu)穿越期間監(jiān)測東西方向上的范圍應(yīng)為隧道中心向兩側(cè)(東西沿鐵路軌道方向)各50 m的范圍內(nèi)的站臺、路基、軌道、接觸網(wǎng)立柱、雨棚柱及其他受影響鐵路相關(guān)的建(構(gòu))筑物，南北方向上的范圍為最外側(cè)股道中心線向外30 m。

行車條件下盾構(gòu)穿越期間鐵路線路監(jiān)測頻率見表1。盾構(gòu)穿越期間，根據(jù)實際情況可加密監(jiān)測頻率，對位移變化異常的特殊工況要適當加密觀測次數(shù)，必要時進行實時跟蹤監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果及時反饋到相關(guān)人員。另外，在盾構(gòu)穿越期間，有專職人員晝夜對站場環(huán)境巡視，及時觀察異常情況。

表1 盾構(gòu)穿越期間鐵路線路監(jiān)測頻率

2.2 監(jiān)測精度等級

建筑變形測量應(yīng)以中誤差作為衡量精度的指標，并以二倍中誤差作為極限誤差[1-2]。本項目根據(jù)盾構(gòu)施工穿越影響區(qū)內(nèi)的建筑類型、變形測量等級以及項目勘察、設(shè)計、施工方案，結(jié)合JGJ 8—2016《建筑變形測量規(guī)范》的要求，采用表2的觀測精度等級。

表2 變形監(jiān)測精度等級

2.3 現(xiàn)場安全監(jiān)測控制標準

監(jiān)測變形控制指標應(yīng)在環(huán)境調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)其重要性和安全性進行綜合評估，并結(jié)合產(chǎn)權(quán)單位的要求進行確定。本工程的監(jiān)測控制標準最終以施工圖設(shè)計文件確定的控制標準為準。具體指標見表3。

表3 一般監(jiān)測項目控制指標及預(yù)警值

注：L為兩測量點間距離，mm。

2.4 三級預(yù)警機制的建立

監(jiān)測貫穿于施工的全過程，按照規(guī)定的程序，監(jiān)測結(jié)果要及時通報各參建單位。對于發(fā)出預(yù)警的情況，各參建單位通過會商及時調(diào)整施工措施，確保安全。嚴格按照三級預(yù)警機制組織施工，三級預(yù)警狀態(tài)判定見表4。

表4 三級預(yù)警狀態(tài)判定

3 實時三維動態(tài)自動化監(jiān)測技術(shù)

3.1 全站儀三維自由設(shè)站法

由于變形監(jiān)測區(qū)域不穩(wěn)定且環(huán)境復(fù)雜，因此基準點或工作基點通常設(shè)置在距離變形監(jiān)測區(qū)域較遠的相對穩(wěn)定區(qū)域，從而限制了變形監(jiān)測網(wǎng)的網(wǎng)形設(shè)計，實際觀測中也易受到更多的誤差源影響。而全站儀自由設(shè)站法不需要在基準點或工作基點上設(shè)站，可通過靈活的設(shè)站選擇來優(yōu)化監(jiān)測網(wǎng)形,削弱誤差源的影響，有效提高控制網(wǎng)的可靠性和精度[3-4]。

3.2 自由設(shè)站三維整體平差函數(shù)模型

三維整體平差的全站儀自由設(shè)站方法理論嚴密，將全站儀的直接觀測值(天頂距、斜距和水平方向值)作為原始數(shù)據(jù)建立觀測方程，從而得到誤差方程并依據(jù)最小二乘原理進行求解[5-6]。三維整體平差模型是一種對全站儀的水平方向值、天頂距和斜距進行直接處理的平差函數(shù)模型。全站儀三維自由設(shè)站時，需后視不少于2個已知控制點，即已知值一般多于6個，而全站儀設(shè)站的未知值僅4個，故需采用最小二乘平差的方法來求解全站儀設(shè)站的未知參數(shù)[7-8]。在實際進行監(jiān)測時，為確保成果的可靠性，已知控制點要多于2個，同時，為了實時的顯示監(jiān)測成果，必須實時解算。首先利用已知點坐標，運用最小二乘法計算設(shè)站點的坐標(X,Y,Z)及定向角(T)，然后便可利用極坐標法計算出監(jiān)測點的坐標。

3.3 自由測站變形監(jiān)測的精度

自由測站方法的優(yōu)勢在于設(shè)站靈活、精度可控。自由測站的精度可根據(jù)監(jiān)測需要，通過設(shè)站位置的選擇以及監(jiān)測點交會的次數(shù)來靈活控制，使之能夠滿足高速鐵路工程變形監(jiān)測的需要[7]。由于監(jiān)測區(qū)域具有較大的施工干擾,且地質(zhì)條件不穩(wěn)定,因此高速鐵路平面位移監(jiān)測網(wǎng)常布設(shè)為如圖3所示。

圖3 高速鐵路平面位移監(jiān)測網(wǎng)

按照圖3監(jiān)測網(wǎng)形，以1″級測角精度、1 mm+每千米1 mm測距精度的觀測精度在S1和S2測站上各觀測2個測回。經(jīng)過對多組模擬數(shù)據(jù)的平差計算，4個監(jiān)測點的精度均可達0.5 mm。實際監(jiān)測中，監(jiān)測結(jié)果會受到大氣環(huán)境、監(jiān)測點重復(fù)安裝誤差(以CPⅢ點的重復(fù)安裝為例，一般不超過0.4 mm)等的影響。通過合理設(shè)置監(jiān)測網(wǎng)網(wǎng)形，采用高精度的測量機器人，則該監(jiān)測方法能夠?qū)⑵矫嫖灰票O(jiān)測精度控制在1 mm內(nèi)。

3.4 實時三維動態(tài)自動化監(jiān)測系統(tǒng)

采用自主研發(fā)的實時三維動態(tài)自動化監(jiān)測軟件系統(tǒng)，程序自動驅(qū)動LEICA TM30全站儀完成多測回觀測，觀測時可完成各項限差指標控制。電子原始觀測文件通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器，在服務(wù)器端，將原始觀測數(shù)據(jù)存放至數(shù)據(jù)庫，并對其進行嚴密平差，得出各監(jiān)測點的三維坐標。將結(jié)果按時序存儲，系統(tǒng)會自動生成成果報表，客戶端可查詢監(jiān)測的各項數(shù)據(jù)和報表。當監(jiān)測成果超限時系統(tǒng)還會自動提醒報警(如圖4所示)。

圖4 實時三維自動化監(jiān)測工作示意

4 工程應(yīng)用

盾構(gòu)穿越期間實時三維動態(tài)自動化監(jiān)測系統(tǒng)在21 d內(nèi)完成了對站臺沉降、軌道沉降與位移、路基沉降與位移、雨棚柱和接觸網(wǎng)立柱的沉降與位移共144個監(jiān)測點，每個點227次的觀測。盾構(gòu)穿越后，自動監(jiān)測系統(tǒng)繼續(xù)對每個監(jiān)測點在100 d內(nèi)跟蹤監(jiān)測74次。系統(tǒng)每15 min內(nèi)對1組監(jiān)測目標完成數(shù)據(jù)采集，實時平差計算得到監(jiān)測點的三維坐標并生成成果報表。

選取盾構(gòu)中心線正上方高鐵正線間路基的5個監(jiān)測點數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果和CGJ1208點位沉降時程圖進行分析，見圖5。圖中CGJ1208號監(jiān)測點位于盾構(gòu)中心線正上方，正線路基間，下穿工點為豎曲線上坡，分為3個階段，即盾頭切入階段(10月25日—11月8日)、盾尾脫離階段(11月8日—11月15日)和注漿階段(11月15日—11月28日)。

圖5 高鐵正線間CGJ1208測點路基沉降時程曲線

由圖5可知，盾頭進入后擠壓土層等綜合作用下路基總體略有隆起，此時在實時監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)下施工單位及時調(diào)整土壓平，同時要求坡度保持相對的平穩(wěn)，控制糾偏量，減少對土體的擾動,整個變化由10月27日的-0.6 mm變化到11月8日的+0.6 mm(以下沉降數(shù)值為“+”均為隆起，“-”均為下沉),累計變化量為+1.2 mm，沉降速率為+0.09 mm/d。其中11月2日—11月3日為盾構(gòu)機械故障期，盾構(gòu)掘進停滯，在掘進過程中隆起的路基有所回落，沉降變化由11月2日的+0.5 mm到11月3日為-0.7 mm，累計變化量為-1.2 mm，沉降速率為-1.2 mm/d。11月8日—11月15日盾尾完全通過后，路基出現(xiàn)明顯下沉，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢，沉降量由11月3日的+0.6 mm，變化到11月15日為-1.9 mm，累計變化量為-2.5 mm，變化速率為0.3 mm/d，盾構(gòu)施工單位及時調(diào)整盾構(gòu)參數(shù)，11月15日—11月28日在監(jiān)測數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下進行二次注漿，下沉的路基逐漸向正常值回彈，逐步解除報警。沉降量由11月15日的-1.9 mm，變化到11月28日為-0.1 mm，累計變化量為+1.8 mm，變化速率為0.12 mm/d。為防止二次注漿過量或注漿量不足，在二次注漿過程中施工單位根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的沉隆變化的情況，采取多次少量注漿的方式，最終使路基及軌道的沉降接近正常值。

盾構(gòu)穿越期間監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了前期有限元模擬計算結(jié)果的正確性，以及提出的相應(yīng)鐵路安全和保護性措施的正確性。

5 結(jié)語

1)對穿越運營高速鐵路的地鐵盾構(gòu)施工，在目前沒有成熟監(jiān)控測量規(guī)范標準的情況下，應(yīng)先進行高速鐵路變形影響分析，結(jié)合高速鐵路控制保護標準提出監(jiān)控測量的范圍、內(nèi)容和頻率，并據(jù)此制定監(jiān)控測量方案，同時采用測量機器人自動化三維監(jiān)測系統(tǒng)，是一種有效的技術(shù)方法，經(jīng)實踐檢驗可行，具有較高的應(yīng)用推廣價值。

2)采用實時三維自動化監(jiān)測系統(tǒng)，可以克服運營高速鐵路行車密度大、上下車旅客多、監(jiān)測點位埋設(shè)困難、數(shù)量大、監(jiān)測頻次密集等不利因素，可高效開展工作。

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