运营高速铁路隧道实时变形监测技术应用

张 拯， 莫傲然， 王轲轩， 曹云颖

(1.四川交大工程检测咨询有限公司，四川 成都 610031；2.成都天佑智云科技发展有限公司，四川 成都 610031；3.成都翰诚科技有限公司，四川 成都 610031；4.中国铁路成都局集团有限公司成都高铁工务段，四川 成都 610000)

高铁速度快，平稳性高，行驶速度超过250 km/h，最高可达350 km/h，高速铁路轨道线路需要具备特别高的平顺性，才能保证高铁在高速行驶过程中具有很高的舒适性和安全性。临近高速铁路隧道施工作业，土方开挖、机械振动等施工影响使得区域结构应力重新分配，可能致使高铁运营线路隧道结构产生不可逆性变形，危及高铁区段安全平稳运营。对受施工影响的高铁区段进行变形监测是保证高铁安全性和平顺性的必要手段。

实时监测系统能够做到同步连续监测，能够满足多测点、高频次监测的要求。同时，监测系统一次布设便可持续发挥无缝实时监测作用，满足运营期高铁隧道的变形监测需求。本文结合受下穿施工影响的某运营期高速铁路隧道变形监测工程，从安全、稳定、实时的需求出发，构建实时自动化变形监测系统，变形监测数据采集采用静力水准仪，融合通信技术和计算机技术，实现对受下穿施工影响的运营期高速铁路隧道结构的实时远程自动化监测。

1 项目概况

某城市新建地铁9#线隧道采用盾构法施工隧道壁衬砌的环宽为1.5 m，钢筋混凝土管片的外径为6 700 mm，内径为6 000 mm，抗渗等级和衬砌强度分别为P12和C50。隧道下穿某高铁隧道区段，为了确保高速铁路的安全，需要对受施工影响的高铁隧道区段进行变形监测以验证下穿隧道施工对受影响高铁区段的影响。

1.1 监测方案

根据现场情况并且结合相关规范，本项目监测内容主要为：对受下穿施工影响的隧道区段K12+900～K13+020段进行实时沉降监测，并通过人工周期沉降监测对实时监测成果进行检核。

从高铁隧道里程K12+900开始每隔10 m设置一个断面，每个断面包括2个实时监测点和3个人工监测点。实时监测点固定于隧道两侧电缆槽上方20 cm的隧道衬砌上；人工监测点分别位于隧道中线底座板上和实时监测点上方0.5 m的位置处，基准点布置在受影响区段范围的隧道衬砌上。图1所示为项目现场的监测点布设位置图，人工监测点39个，实时监测点26个，基准点4个。

图1 沉降自动化实时监测系统结构

监测时段覆盖下穿运营期高速铁路交叉施工全过程，实时监测采用24 h不间断自动化测量手段进行数据采集，人工周期监测每周1～2次，下穿施工时1次/d，用于对实时监测数据检核。

1.1.1 实时监测

自动化实时变形监测系统主要由数据采集器(液体静力水准仪)、远程监测数据传输系统、数据处理中心三部分构成。

将静力水准仪基准点安置在一个稳定的点，其他监测点水准仪安置在高度相同的位置，当监测点相对于基准点发生沉降时，监测点水准仪内的液面会上升，反之则会下降。不同监测点水准仪内液面的高度升降，可以计算出每个监测点水准仪的累计沉降量[1]。

本项目采用振弦式液体静力水准仪，其主要技术指标[2-3]：标准量程，100 mm；传感器精度，±0.1%FS(±0.1 mm)；传感器灵敏度，0.025%FS；温度范围，-20～+80℃(使用防冻液)。液体静力水准仪中灌入适当防冻液，以减小温度变化对监测结果的影响。

该系统在智能化计算机软件的支持之下，通过无线的方式控制液体静力水准仪对监测主体变形情况进行连续、实时数据采集，在24 h无人值守的情况下，以亚毫米级的精度全天候监测目标变形。

1.1.2 人工沉降监测

沉降变形的量测方法很多，但各种方法的使用条件不一，在方法选择和施测时应合理选择。采用高精度全站仪三角高程测定监测点的高程变化量(沉降量)。人工周期测量主要使用全站仪进行测量，其主要技术指标：水平角观测测回数为6；测角对中误差为1″；测边相对中误差≤1/100 000；每边测回数，4测回；距离-测回读数较差为1.0 mm；距离单程各测回较差为1.5 mm；气象数据测定的最小读数，温度0.2 ℃；气压50 hPa。测量作业严格按照相关规范要求执行，每期监测任务完成后检验数据是否满足精度要求，如不满足则重新观测[4]。

1.2 预警值设置

在不限速条件下，按照《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》(TB 10182-2017)的规定，因下穿施工受影响的高速铁路竖向位移的限值为2 mm。本监测方案中采用三级预警机制，结合实际工程，各级预警值设置为：Ⅰ级预警，1.6 mm；Ⅱ级预警，1.8 mm；Ⅲ级预警，2.0 mm。

2 监测结果分析

2.1 实时沉降监测结果分析

静力水准仪实时沉降监测系统在监测期间，外界温度的变化会对液面的升降产生影响，从而导致实时监测数据的波动。同时，高速列车通过时产生的振动也会导致液面的波动。为了保证监测数据能真实有效地反映隧道监测断面沉降变化趋势，验证外界温度变化和高速列车通行产生振动对实时监测数据的影响，在实时监测系统调试完成后，高铁隧道每个监测点的每日累计沉降量为当天所测量数据的平均值，分析26个监测点和基准点的监测数据。每个监测点水准仪的液面高度随时间变化的值如图2所示，每个监测点水准仪相对于基准点水准仪的变化值如图3所示。

图2 各监测点静力水准仪液面高度变化

图3 各监测点累计沉降变化

从图2可以看出，各静力水准仪数据呈现一定的波动性，其波动幅度主要跟现场施工强度有关。在监测前10 d期间，主要受隧道中列车频繁经过影响，液面变化较稳定，中后期下穿隧道进行施工，现场受土方开挖、机械振动等影响，静力水准仪液面变化较大。

累计沉降是各监测点累计变化量与基准点累计变化量的差值，能真实反映受下穿施工影响的隧道断面的沉降变化，如图3所示。下穿施工尚未进行期间，监测点累计沉降波动范围在-0.2～0.5 mm内；下穿施工进行时，施工强度加大，累计沉降在-1.4～-0.2 mm内波动。整个监测期间，所有监测点沉降变形趋势保持一致。监测点7A的沉降变化量最大，累计沉降达到1.39 mm，而此断面另一监测点7B的累计沉降变化量是1.32 mm，所有监测点沉降变化量均小于Ⅰ级预警值1.6 mm。

2.2 实时沉降监测系统稳定性分析

为了检验实时沉降监测系统的稳定性，需要对各监测点累计沉降量的均值、最大绝对偏差和中误差进行统计分析。最大绝对偏差表示数据相对于均值的变化范围，中误差表示数据相对于均值的离散程度，最大绝对偏差和中误差越小，代表监测数据越稳定[5]。统计结果如表1所示。

表1 监测系统稳定性统计分析

从表1中可以看出，各监测点累计沉降值的均值、最大绝对偏差和中误差均较小，说明监测点波动性不大，在该项目实施环境中，系统具有良好的稳定性。

2.3 人工沉降监测检核

为验证实时监测系统数据的准确性，在下穿工程施工过程中，对比分析实时和人工监测数据，如图4所示，选取1#、7#、13#监测断面上的人工和实时数据进行比对分析。

图4 实时监测和人工周期监测成果对比

从第20天开始，地铁隧道区间左线开始掘进至高速铁路下方，7 d后左线完成穿越(即第20～27日为左线下穿时间)。地铁隧道区间右线从第35天开始掘进至铁路，7 d后右线完成穿越(第35～42日为右线下穿时间)。始发阶段掘进速度2～4环/d，正常段掘进速度为6～8环/d。从图中可以分析得出结论，在相同时间测量的数据来看，两者的成果较差小于0.5 mm，且两者表现的变形趋势具有一致性，说明实时监测系统数据成果具有良好的准确性。

2.4 地表沉降与隧道沉降对比分析

对比分析受影响隧道区段每一断面的实时监测数据与地表沉降数据，选取任意两个断面进行对比分析，如图5所示。

图5 隧道实时监测和地表沉降监测成果对比

通过人工监测的地表沉降数据与实时监测的隧道沉降数据对比，两者的波动规律大致相同。观察相同时间下的测量数据，两者成果较差小于1 mm，说明地表沉降和隧道沉降的变化具有一致性。

3 结论

监测期间，实时沉降监测系统工作稳定，各液体静力水准仪监测数据准确可靠，实时监测数据与人工周期监测成果具有良好的一致性。各断面监测点沉降变化量均在Ⅰ级预警限值(1.6 mm)内，说明监测期间下穿工程施工未对运营高铁隧道结构造成显著影响。证明该实时监测系统能够满足运营期高铁变形监测的远程实时性要求，且具有较高监测精度，本文研究成果可为类似工程项目提供借鉴。