TAM 技术在越江隧道结构监测的应用研究

苏东华　陈东梁　许钰

摘要 隧道结构的稳定与周边土体、地下水等因素紧密相关，周边环境的变化会引起隧道产生沉降变形，在隧道的运营过程中，须对其进行有规律的沉降监测，掌握隧道的沉降变形趋势为隧道安全运营提供技术保障。TAM 监测是一种摄影测量技术，文章结合上海市西藏南路隧道保护区施工监测，运用TAM 技术对隧道沉降及位移进行监测、分析，研究 TAM 技术在越江隧道结构监测中的适用性，对同类隧道的监测具有较好的借鉴作用。

关键词 TAM 技术;隧道监测;沉降位移;横向位移;潮汐

中图分类号 U455.4 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）10-0059-05

0 引言

为解决城市发展和交通问题，我国修建了大量的隧道，如地铁隧道、越江隧道、电力隧道等。截止2021年底，上海市在黄浦江上修建了17条越江道路隧道，平均每两千米岸线就有一条越江隧道。隧道极大地便利了交通，同时如何保障隧道的安全稳定运营须重点关注。隧道是一种地下工程，隧道结构与周边土体、地下水等因素紧密相关，临近隧道的基坑开挖[1]、地表的加载卸载[2]、近距离隧道的穿越[3]及地质变化等因素，容易引起土体的附加应力，不利于隧道结构的沉降稳定，过大的结构沉降、结构位移易导致隧道结构发生安全问题。另外，叶玲玲等研究[4]表明江水潮汐作用对隧道沉降也有一定的影响。该文以西藏南路隧道保护区施工监测为例，运用TAM技术高频次采集隧道保护区施工过程中的沉降及横向位移数据，结合黄浦江水位潮汐影响，分析隧道的结构变化特点与规律，为保障隧道结构安全提供技术支撑。

1 TAM技术的基本原理

TAM技术的结构监测是基于摄影测量原理，以相机的光轴平面为基准，利用靶点在光轴平面的位置变化来进行二维位移测量的一种高精度测量方法。

TAM技术可以进行多组相机组合，实现大范围的横向、竖向位移的精确测量。其核心是利用相机组合成一组光轴尺，通过检测各个测点至光轴尺的距离，测量各个测点的位移。原理如图1所示，TAM相机由前侧相机和后侧相机组成，是一对方向相反、同轴的相机，这对相机的光芯组成一组光轴尺，用来监测相邻2个TAM相机或 TAM 灯靶偏离光轴尺的径向位移， X 为隧道的径向方向，Y为隧道的横向，Z为隧道的沉降方向。

检测时，所有的相机在同一时刻对目标灯靶进行拍摄。如图2所示，相机2和3同时拍摄到2个相机之间的LED灯靶，通过测量这两个LED灯靶与相机2光轴线的间距，求得相机2光轴线与2个标靶的连接线之间的夹角，同理可求得相机3光轴线与两个灯靶连线之间的夹角，由此可以得出测点2光轴的转角Φ2。如此，可以获得由所有相机光轴组成的测量基准轴。通過该基准轴与各个测点的竖向和横向的距离，即可测量出所有测点相对于两个固定点的竖向和横向的相对位移。实时监测时，在电子标靶和相机安装完毕进行一次初始检测，检测得到各个电子标靶相对于固定点的竖向和横向差值作为初始值。以后按固定时间间隔进行自动检测。每次检测得到的各个电子标靶相对于固定点的竖向和横向差值，扣除其初始值即为相对位移值。

2 TAM技术在隧道监测的应用

2.1 工程概况

上海西藏南路隧道是上海市黄浦区与浦东新区之间的一条越江隧道，是上海市首条设有多匝道的软土越江隧道。整条隧道为双管双向四车道，越江段采用盾构法施工，圆形隧道的外径为11.36 m，内径为10.36 m，主线总长度2 670 m。隧道周边地理环境特殊，穿越原世博会园区，周边有大量施工建设项目，其中深大基坑的施工对隧道的沉降及侧向位移影响最为明显，如位移量过大将致使隧道结构破坏。

距离隧道最近的深基坑项目是世博A09A-01地块建设项目和世博会地区A片区A02B-01、A02B-02地块项目（图3所示），分别为地上13层地下四层深基坑结构及地上11层地下三层结构，结构最大开挖深度约25 m，基坑围护结构，距离隧道最近处仅10 m，两深基坑同时开挖施工，保护区覆盖范围重叠，经过调查分析，施工中对于沉降检测数据变化最直接影响的因素主要有以下两点：

（1）深大基坑大方量取土施工引起的隧道变形，最大卸载量达到12 万m³，由于周边土体卸载，荷载减少致使超固结土回弹引起隧道隆起。

（2）由于工期影响，卸土后支撑形成时间长，基坑暴露时间长是引起隧道变形的主要原因。

隧道结构一旦出现结构损坏，极难修复，如损坏情况严重，后果是灾难性的，无法估量的，为了防止隧道因保护区内深大基坑的施工作业，造成隧道结构变形损坏，实时掌握隧道结构变形情况，并对隧道变形情况进行有效预测，有必要对该区域进行实时监测。

深基坑施工期间，利用TAM技术自动监测基坑施工对隧道结构变形的影响。监测包括沉降、横向位移。通过视频图像分析检测技术，借助相机，灯靶、支架，工控机、4G路由器等，获取隧道结构的沉降、变形数据。参照上海市地方规范[5]及国家规范[6-7]设置预警值，让系统自动进行预警。通过监测数据采集及分析，精准地掌握隧道结构变形情况、损伤程度等。

2.2 监测布点

在西藏南路隧道的西线养护桩号XZ1250～XZ1550的影响区域内布置测点，对该段进行整体的沉降与横向位移变形监测，依次布置灯靶与相机。以2个灯靶与1个相机的组合进行配置，依次铺开。设备安装位置位于隧道灯带与挡板之间，灯靶与相机采用稳固的三脚架固定于隧道结构上，设备安装后不影响隧道的正常通行。

初步设置监测范围300 m，测点间距25 m，如图4、图5所示，数据采集频率为1小时/次，采集精度为

0.2 mm，后期可根据实时监测数据的反馈，分析隧道结构变形情况，视结构变形情况及保护区基坑施工阶段的变化，对数据采集频率进行增加或减少。

3 监测数据分析

3.1 沉降位移分析

以测点1及测点13为基准靶，通过计算机技术，监测数据自动采集并导入系统，自动生成测点2至测点12的沉降位移的时间序列图，其中测点2至测点7的沉降位移如图6所示。

监测数据表明：

（1）最大沉降变形部位是测点5至测点9，即监测区域的中间部位，同时也是距离深大基坑施工最近的区域。测点5至测点9，随着时间推移，测点间的沉降差异逐渐变大。

（2）各个时间段的形态呈周期性变化，白天的沉降变形达到最大。

（3）除去干扰波动影响，最大沉降位移为30 mm，最大上浮位移也为30 mm。

3.2 横向位移分析

以测点1及测点13为基准靶，通过计算机技术，监测数据自动采集并导入系统，自动生成测点2至测点12的横向位移的时间序列图，其中测点2至测点7的横向位移如图7所示。

监测数据表明：

（1）最大沉降变形形态呈双峰型。且随着时间推移，各测点间的相对横向位移增大。

（2）各个时间段的形态呈密集周期性变化。测点3存在向内位移趋势，测点6、7、8存在向外位移趋势，最大向外位移为10 mm，最大向内位移为7 mm。

3.3 潮汐对于隧道沉降及横向位移影响分析

上海市河道、水系发达，地质条件较为特殊，多为地下水位高的软土地质。根据叶玲玲等的研究[4]，上海临近黄浦江地区的地下水位受潮汐影响，离江越近影响越大。该次监测区域为临江区域，离黄浦江浦东江岸的距离为100 m左右区域分析该项目所测数据，监测区域位移数据受江水潮汐的影响较大。图8为黄浦公园潮汐监测点观察到的监测时段的潮汐变化值及基于此数据的潮汐周期分析结果。根据图8可以观察潮汐具有431.81 h的显著周期。

综合上述结果，监测期间，潮汐、沉降位移、横向位移均有明显的周期特征，说明潮汐对沉降位移和横向位移的影响不容忽视。

关于潮汐对深基坑周边隧道的影响，如图10所示，潮汐变化直接导致深基坑围护结构所承受的压力变化，引起挡土墙的变形和位移，横向位移对潮位变化更敏感。而沉降位移则是地下水变化导致侧向压力差异、浮力差异等众多要因作用的结果，因而表现出长周期的特征。

关于潮汐的周期和沉降位移、横向位移的周期不一致的问题，隧道位移变化的周期（214.6 h）约为潮汐周期（431.8 h）的一半，根据国家海洋局海洋沉积与环境地质重点实验室苏乔[8]的研究，地下水位的24 h周期影响较大，与潮位差异显著。即可以理解为潮汐通过土壤影响地下水位，但是通过土壤滤波作用，地下水位的周期不同于潮汐水位。

4 结束语

该文以TAM技术在西藏南路隧道保护区结构监测为例，通过自动监测采集的沉降变形数据，分析隧道周边深大基坑和江水潮汐对隧道结构沉降变形的影响，研究越江隧道在结构方面的运维风险，保障隧道运营安全。下一步可对隧道结构变形进行长期监测观察，分析研究隧道结构变形规律，预测变化趋势，指导隧道运维，更有效地保障隧道结构的安全。

参考文献

[1]刘伯成， 包昊， 姚方正， 等. 基于随机场理论的隧道开挖对附近建筑物的不均匀沉降及地表变形的影响分析[J]. 河南科学， 2020（8）： 1258-1263.

[2]康成， 梅国雄， 梁荣柱， 等. 地表临时堆载诱发下既有盾构隧道纵向变形分析[J]. 岩土力学， 2018（12）： 4605-4616.

[3]王前林. 隧道掘进对周围土体的沉降影响分析[J]. 河南科学， 2017（5）： 773-777.

[4]叶玲玲. 上海市地下水位与潮汐关系的初步探讨[J]. 上海地质， 1982（2）： 34-35.

[5]盾构法隧道结构服役性能鉴定规范： DGTJ08-2123—2013[S]. 上海：上海市城乡建設和交通委员会， 2013.

[6]盾构法隧道施工及验收规范： GB 50446—2017[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2017.

[7]城市轨道交通工程监测技术规范： GB 50911—2013[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2013.

[8]苏乔， 徐兴永， 陈广泉， 等. 基于面板数据分析的潮汐对地下水的影响研究[J]. 海洋环境科学， 2017（5）： 741-745.