萬永世，王洪生，田曉龍，霍得嘯，范 劍

（1.天津市地球物理勘探中心，天津 300171）

對正式運營的軌道交通隧道結構進行監(jiān)測時，進出場時間通常會受到較多限制，24 h內的有效工作時間較短，若采用傳統(tǒng)人工監(jiān)測的方式難以完成隧道內監(jiān)測任務[1-3]。自動化監(jiān)測能實時監(jiān)測隧道結構變化，不僅節(jié)約了人力，而且免受進場時間的限制[4-6]。本文以蘇州市軌道交通6號線的軌道保護監(jiān)測項目為例，設計了該項目的工作方案，并對該軌道交通的運行區(qū)間進行長期監(jiān)測，包括橫向位移、縱向位移、豎向位移、凈空收斂和差異沉降[7-10]。結合項目成果，本文分析了該軌道交通的安全性和穩(wěn)定性，為及時判斷既有線結構安全和運營安全狀況提供了依據(jù)，為可能發(fā)生的事故提供了及時準確的預報，使有關各方有時間做出反應，避免惡性事故的發(fā)生，確保既有線路的安全運營。

1 工程概況

項目的監(jiān)測對象為蘇州市軌道交通6號線與既有3號線之間的李公堤西換乘站，車站長度為206.83 m，標準段寬度為23.10 m，站臺寬度為14 m，有效站臺中心里程處底板埋深約為27.4 m，車站頂板覆土約為2.90 m，換乘節(jié)點結構埋深約為27.50 m。監(jiān)測前對車站環(huán)境進行評估發(fā)現(xiàn)，導致車站形變的主要因素為：

1）基坑出現(xiàn)降水、土體卸載產(chǎn)生基坑變形，重載車輛和材料堆載、隧道掘進等施工活動易對周邊土體產(chǎn)生擾動；工程在坑內局部挖深較大部位施工時，可能進行局部降水產(chǎn)生影響。

2）水土流失易造成既有軌道交通結構車站變形、隧道管片開裂、滲漏水、隧道凈空變化甚至隧道結構變形過大等病害，嚴重的還將導致軌道結構變形，對列車的運營產(chǎn)生威脅。

3）車站或區(qū)間施工開挖面上部有微承壓水、下部有承壓水影響，施工過程中若水控制不利，則易產(chǎn)生滲漏水，導致水土流失、周邊土體變形，從而導致既有地鐵結構的變形。

4）地層較軟弱，變形敏感，基坑開挖時空效應明顯；主體結構施工期加載，通過已建成的下部結構將應力傳遞至下部巖土體，使得周邊巖土體應力重分布、周邊土體變形，從而導致既有地鐵結構的變形。

2 監(jiān)測方案

2.1 基準點布設

車站、區(qū)間施工過程中軌道保護監(jiān)測項目如表1所示。

表1 監(jiān)測項目及其監(jiān)測點數(shù)量

在自動化監(jiān)測的斷面測量中，需布設基準點作為變形監(jiān)測的起始依據(jù)，具體布設方案為：①基準點布設在項目變形區(qū)外30 m的穩(wěn)定位置處，上下行線各布設兩個基準點組；②每個基準點組包括6個L型小棱鏡基準點，所有儀器、設備的安裝位置均應滿足行車限界要求；③隧道上行線、下行線每6 m布設一個斷面，拱頂、拱腰兩側各布設一個點，道床布設兩個點，每個斷面共5個點；④車站、出入場線上行線、下行線每10 m布設一個斷面，側墻布設兩個點，道床布設一個點，每個斷面共3個點。各監(jiān)測項目報警值如表2所示。

表2 地鐵結構監(jiān)測報警值

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

1）水平位移觀測時，觀測點距離測站的最大距離D約為150 m，儀器的測角精度為0.5"。由于隧道中采用強制對中架設儀器，同時固定安裝小棱鏡，采用儀器固有的自動照準功能，因此觀測誤差主要來源于儀器的系統(tǒng)誤差。利用TS50型全站儀觀測最遠點的點位中誤差，儀器標稱精度為方向觀測精度±0.5"，測距±0.6 mm+1×10-6D，則有：

觀測的點位中誤差為：

誤差最大點的點位中誤差為±0.96 mm，滿足±3.0 mm的要求。在實際監(jiān)測中，基于隧道內的觀測條件和上述精度分析，采用徠卡TS50對隧道內的水平位移監(jiān)測點觀測兩測回，距離正倒鏡各觀測一次，以滿足精度要求。

2）豎向位移觀測時，采用強制對中一站式測量高差的單點高差精度推算，測得的水平距離D＝150 m，誤差md=0.7 mm；垂直角a=15°，誤差為0.5"。設邊長觀測值和角度觀測值是獨立觀測值，列函數(shù)式h=D×tgα，對函數(shù)求全微分，利用協(xié)方差傳播律求取兩點間高差的方差。由于觀測邊長和觀測角是相互獨立的，因此其方差陣為：

計算得到中誤差為0.72 mm，即150 m范圍內，在不考慮球氣差的影響下，精度小于1.0 mm。

3）凈空收斂計算采用全站儀三維非接觸軌道凈空位移量測新技術。其基本原理是利用全站儀自由設站遠距離測量點位不同時段的三維坐標，再將測量數(shù)據(jù)輸入計算機通過軟件進行后處理，每組斷面提供5條弦距的次變形量和累積變形量。其計算公式為：

最后輸出測點的三維位移矢量或測點相對收斂值。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)成果與分析

監(jiān)測數(shù)據(jù)共有67個點的橫向、縱向、豎向累積變化值及其變化速率，16個點對的凈空收斂累積值及其變化速率，15個點的差異沉降累積值及其變化速率。

本文首先分析67個點在3個方向上的累積變化情況，結果如圖1所示，可以看出，橫向位移均為負值，多數(shù)集中在-3～-2 mm之間，未超過表2中5 mm的預警值；縱向位移大多為正值，小于4 mm，少部分在-1～0 mm之間，未超過預警值；豎向位移絕大部分為正值，小于4 mm，未超過預警值。

圖1 3個方向的累積位移值/mm

變化速率對比如圖2所示，可以看出，橫向和縱向變化較穩(wěn)定，變化速率絕對值基本小于0.2 mm/d；豎向變化速率絕對值較大，在y296661和y296741兩點分別為0.788 027 mm/d和0.749 891 mm/d，但也未超過表2中的報警值。

圖2 變化速率對比圖/(mm/d)

凈空收斂累積值及其變化速率如圖3所示，可以看出，凈空收斂的點對中，沒有超過預警值的點，豎向變化速率較大的y296661所在點對累積值為-0.54 mm，變化速率為-0.32 mm/d，y296741所在點對累積值為-0.56 mm，變化速率為-0.44 mm/d，均在合理區(qū)間內。

圖3 凈空收斂累積值及其變化速率

差異沉降累積值及其變化速率如圖4所示，可以看出，差異沉降存在兩組逼近預警值的點對，y297215/y297315的累積沉降值為1.87 mm，y297315/y297415的累積沉降值為-1.85 mm。

圖4 差異沉降累積值及其變化速率

在上述監(jiān)測數(shù)據(jù)中，較明顯的沉降點為y296661、y296741、y297215、y297315、y297415，前兩個為頂部監(jiān)測點，后3個為道床監(jiān)測點，無側墻監(jiān)測點，說明該軌道側墻穩(wěn)定性較好；道床監(jiān)測點雖接近預警值，但距離控制值10 mm相差較大，且其變化速率未超過預警值，因此對這些較大的沉降值可不予考慮。

4 結語

本文設計了蘇州城市軌道換乘站的監(jiān)測方案，利用自動化監(jiān)測方案進行結構和道床監(jiān)測，獲取了橫向、縱向、豎向位移，計算了凈空收斂值和差異沉降值。結果表明，該設計方案符合工程項目需要，順利獲取了大量隧道內部監(jiān)測點的變化值，未受軌道持續(xù)運行影響；凈空收斂與差異沉降的計算值在誤差范圍內，變化速率未超過控制值；該換乘站所有監(jiān)測和計算成果均未超限，其安全性較好。