基于高精度GPS的盾构隧道下穿河道河床变形监测

郭 稳，李鹏飞，鲍 艳，张明聚，高 阳，王国权，李 瑞，段宪锋

(1.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124；2.石家庄铁道大学大型结构健康监测与控制研究所，石家庄 050043；3.休斯顿大学，休斯顿 77204；4.中铁十七局集团第六工程有限公司，福州 350014；5.中国铁建华北投资发展有限公司，石家庄 050051)

随着我国地下轨道交通建设的快速发展，涌现出大量越江跨海盾构隧道工程，如上海长江隧道、武汉长江隧道、南京长江隧道、杭州庆春路过江隧道、杭州运河隧道、海宁钱江隧道等. 盾构下穿河道时，隧道覆土深度变薄，不利于顶部土层成拱，可能导致隧道上浮、河底冒顶、河底大面积坍塌等重大工程事故[1-3]. 因此在盾构施工过程尤其是跨越河流过程中，对其顶部土层的变形监测与分析尤为重要.

在盾构穿越河流、湖泊等工程施工过程中，地表不具备排水、注浆等条件，也不具备采用水准仪、全站仪等传统测量手段的条件，对施工期间河床土层变形监测和控制提出严峻考验. 目前，广大学者对盾构施工参数与地表沉降关系的理论研究和数值模拟较多[4-7]，对地表尤其是河床变形的连续监测则未见报道. 在盾构下穿水域施工过程中，一般根据经验或设置掘进试验段等手段，通过调整盾构参数[8]或加固河床[9-10]等方法来保证下穿施工的安全. 近年来，高精度全球定位系统(global positioning system，GPS)在地层变形监测中的应用越来越广泛[11-13]，张拯等[14]采用高精度GPS对某山岭隧道施工过程中的小范围地面沉降进行监测，将GPS监测结果与精密水准测量相比较，证明GPS监测结果精确、可靠. 吴玉苗等[15]探讨全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)变形监测方案及数据处理方法，结合盐水沟隧道工程实例验证了GNSS能满足变形监测的精度要求.

针对采用传统测量方法难以实现监测河床变形的问题，作者以石家庄地铁1号线会展中心—东庄站区间盾构隧道下穿滹沱河工程为例，介绍基于高精度GPS静态观测技术的河床变形监测方法. 首先，建立目标区域的GPS观测网，包括1台基站和6台监测站；然后，采用基于区域参考框架(NChina16)的精密单点定位技术评估基站稳定性；最后，采用载波相位差分技术，分别计算6台监测站相对于基站的三维位移时间序列. 根据盾构隧道施工期间对河床的沉降以及横向、纵向变形监测，分析双线盾构隧道先行线与后行线的相互影响.

1 工程简介

石家庄地铁1号线东庄站至会展中心站区间在K28+290 ～K28+760处下穿滹沱河主河槽，穿越段长度达470.0 m(见图1、2). 滹沱河是人工景观河，水深1.6～3.5 m，河水被下游堤坝拦住，盾构下穿河道区域水体为静水. 区间线路与滹沱河道中轴线夹角约61°，盾构下穿河道区间纵向坡度0.4%，滹沱河河床与隧道顶之间最小距离约14.0 m. 隧道外径6.0 m，内径5.4 m，左右线轴间距15.2 m. 管片采用通用契型环，由3个标准块、2个邻接块和1个封顶块组成，错缝拼装，标准环宽度为1.2 m，管片混凝土强度等级为C50，防水等级P10. 右线隧道为先行线，开挖位置领先左线约400.0 m.

穿越区间位于地下水位以上. 区间穿越滹沱河段隧道拱顶地层从上至下主要为： ①2素填土、 ②1粉细砂、④1粉质黏土、④3粉土、④4粉质黏土. 盾构开挖范围内主要地层为：④1粉细砂、④4粉质黏土、⑤1粉质黏土. 如图1所示.

2 GPS河床监测方案

2.1 GPS监测原理与数据处理方法

GPS技术是通过测量用户与至少4颗卫星之间的距离解算用户的三维坐标，用户坐标随时间的变化量即为用户位移时程. 近年来，随着GPS接收机的不断更新和数据处理算法的进步，GPS定位精度逐渐提高，已能够满足大多数工程结构变形监测的精度要求，因此，GPS技术已逐渐被用于工程结构健康监测[16-18]. 与传统的变形监测方法相比，GPS具有自动化程度高，测点之间无须通视，可实现动态和静态的实时变形监测等优点. 然而，由于高精度的GPS长期观测研究需要进行繁杂的数据处理，GPS技术在工程结构变形监测领域的研究和应用并不多见.

GPS数据处理有两大类方法，绝对定位和相对定位. 绝对定位采用单个GNSS设备，根据单台GPS接收机所记录的观测信号、高精度卫星轨道和钟差以及误差修正模型来解算GPS天线相位中心的准确位置[19]. 精密单点定位(precise point positioning, PPP)是工程结构变形监测中应用最广泛的绝对定位方法之一. 相对定位采用2台或多台GPS设备同步观测，其中一台作为基站，另一台作为观测站. 通过卫星和接收机之间单次或多次差分来消除卫星钟差和大气误差等共同的误差，从而计算出观测站相对于基站的位置时间序列. 载波相位双差法(carrier phase double difference，CPDD)，是相对定位方法中最常用的一种. 这2种方法的详细对比可以参考Rizos等[20]，Liu等[21]、何明宪等[22]、代桃高[23]的研究. 与绝对定位方法相比，相对定位法在GPS结构监测项目中使用较多[24-26]，这主要是因为差分处理方法简单，不涉及精确的绝对位置，也不涉及参考框架和坐标转换等复杂处理环节，并且能够获得毫米级甚至亚毫米级的相对位置精度[27-28]. 在相对定位过程中，移动站的精度在很大程度上依赖于基站的稳定性，所以对基站的稳定性评价至关重要.

2.2 基站及监测站的布置

本观测项目建立由1台基站和6台监测站组成的永久GPS观测台网，用基于稳定局域参考框架的PPP技术评价基站的稳定性，用载波相位差分技术解算观测台站相对于基站的相对位移. 在盾构隧道下穿滹沱河区间内选取3个断面监测河床变形，每个断面内左、右线上分别安装1个监测站，并按照掘进方向依次编号为左线GPS1、GPS3、GPS5，右线GPS2、GPS4、GPS6，见图1、2.

各监测站GPS天线均安装在φ100×3的钢管顶端，钢管高出水面约2 m，钢管底部浇筑于800 mm×800 mm×600 mm的钢筋混凝土基座中，基座在盾构进入穿河区间之前2个月被沉入河底. 为增强钢管和基座的稳定性，在钢管上焊接4个斜撑，直接插入河床底部. 太阳能电池板和配电箱安装在独立的支架上，每块太阳能电池板为同断面上2台GPS接收机提供电源，见图3.

3 监测数据处理

3.1 基站稳定性分析

本观测方案拟用短基线的载波相位差分技术解算各监测站的变形，因此基站的稳定性直接影响河床变形监测精度. 为评估基站的长期稳定性，本文采用PPP技术解算基站在全球参考框架(IGS14)中24 h连续观测的平均位置，然后将相对于全球参考框架的位置转换到一个稳定的局域参考框架[29]，以避免长期静态观测中地球板块运动造成的影响. 本文选用Wang等[30]建立的华北稳定参考框架(NChina16)为局域参考框架. 该参考框架在水平方向的稳定性(精度)约为1.0 mm/a，在垂直方向约为 1.5 mm/a. 稳定台站相对于该参考框架的3个方向(东西、南北、垂直方向)位移时间序列将保持水平，即场地速度接近零.

PPP技术的变形测量精度通常用长期稳定GPS台站的位移时间序列的均方根误差(root mean square of errors，RMSE)来评估[31-32]. 图4为采用PPP技术解算的基站和监测站GPS1相对于华北稳定参考框架(NChina16)从2018年4月到12月的位移时程，其中每天的位移由24 h的观测结果解算得到. 选取基站从4月18日到12月7日的位移时程来评价PPP技术24 h平均测量的精度. 在竖直、南北、东西3个方向上的RMSE分别为9.6、2.8、2.9 mm. 观测点GPS1的位移时程表明该台站在5月26日经历了比较明显的竖向位移(沉降)，在水平方向的位移不明显. 盾构在5月26日10时下穿GPS1的位置，24 h单点绝对定位的精度不足以精确辨别GPS1在盾构通过前后的微小位移，因此本文用载波相位差分方法解算观测点相对于基站的相对位移时程. 根据Wang[33]的研究，载波相位差分法在基线小于约2 km的情况下，24 h连续观测能够达到亚毫米级的变形观测精度.

3.2 观测点的位移时程

为了更加方便研究掘进过程中，测点位移与开挖方向之间的关系以及2条隧道开挖时的相互影响，作者将载波相位双差法解算结果在水平面内顺时针旋转63.7°，建立以掘进方向为X轴(纵向)，以垂直隧道轴线为Y轴(横向，从左线到右线方向为正)的平面坐标系，如图5所示.

由各监测站位置可得到各监测站对应的里程及环号，根据盾构施工监控数据可判断出盾构开挖面经过监测站的时间，见表1. 采用载波相位双差法分别解算其在观测间隔为24 h和1 h的平均位置，从而获得观测台站GPS1从4月10日到12月16日的观测结果，见图6. 在24 h连续观测情况下，对GPS1位移时程去除盾构施工影响后计算在竖直方向、水平横向和水平纵向的RMSE分别为0.7、0.4、0.5 mm，观测精度可达到亚毫米级. 观测间隔为1 h的情况下，GPS1位移时程去除盾构施工影响后在竖直方向、水平横向和水平纵向的均方根误差分别为8.7、5.6、9.6 mm，观测精度达到毫米级.

采用载波相位双差法解算6台监测站在24 h连续观测下的位移时间序列，见图7. 图7(a)(b)(c)分别表示GPS1和GPS2、GPS3和GPS4、GPS5和GPS6在竖直方向以及水平横向、水平纵向的位移时程，图中黑色虚线表示盾构经过右线各监测站的时间，红色虚线表示盾构经过左线各监测站的时间. 由图7可见，在竖直方向上，GPS1和GPS2在盾构通过过程中产生明显的永久沉降，累计约23 mm和20 mm；GPS3和GPS6观测到比较轻微的永久沉降，累计约10 mm；GPS4和GPS5未观测到明显的地面沉降. 在沿隧道轴线方向(水平纵向)上，各监测站中只有GPS1位移较大，其他均较小；在垂直隧道轴线方向(水平横向)上，各监测站位移主要表现为在盾构经过时向着相邻线路靠拢，其中，在先行线影响下，各监测站水平横向位移相对较小，在后行线影响下，各监测站水平横向位移较大，且先行线上监测站的水平横向位移比后行线上监测站的水平横向位移更大.

表1 各监测站对应环号及盾构经过时间

先行线对后行线上方各监测站的影响在竖直方向上较明显，水平方向引起的河床变形则很轻微(小于5 mm)，而后行线对先行线上方监测站的影响主要表现在水平横向上，在垂直方向几乎没有影响. 在后行线的影响下，先行线上的GPS2向后行线靠拢约1.0 cm，先行线上GPS6向后行线靠拢约1.5 cm.

4 河床变形分析

4.1 河床沉降

由图2可见，GPS1、GPS2所在位置隧道埋深相对其他4个监测站稍浅(约2.0 m),且GPS1、GPS2所在河床地层中杂填土土层相对较厚，根据地质勘查报告，该土层相对松散，故而GPS1、GPS2测站在盾构施工过程中沉降量明显大于其他4个监测站.

图8、9所示为采用相对定位法获取的GPS1和GPS2的每小时纵向沉降曲线. 由图8、9可见，GPS1处沉降约开始于5月25日12时，GPS2处沉降约开始于4月27日6时，根据盾构施工记录，GPS1沉降开始于刀盘距离测点约18.0 m时，GPS2沉降开始于刀盘距离测点约25.0 m时，即沉降在掌子面前方3～4倍盾构直径的地方开始出现. GPS1在开始沉降之前存在轻微隆起，最大沉降速率约为5 mm/d.

GPS1在开挖刀盘到达前约18 m时，沉降速率迅速增大，从刀盘即将到达测点下方直至盾尾脱出，沉降速率基本维持不变，盾尾脱出后沉降速率略有增大，然后逐渐减小. GPS2在开挖刀盘到达前约15.0 m时，沉降速率逐渐增大，直至盾尾脱出，盾尾脱出后，沉降速率逐渐减小. GPS监测结果显示，GPS1和GPS2沉降速率都是在盾尾脱出前后达到最大值.

4.2 纵向水平位移

GPS1每小时观测到的河床纵向水平位移与到掌子面距离的关系见图10. GPS1在掌子面到达之前约60.0 m时开始向前移动约10.0 mm，在掌子面到达之前约5.0 m时，逐渐向后回弹，前后移动范围达15.0 mm左右.

在盾构施工过程中，地表纵向(沿隧道轴线方向)水平位移的研究较少. 陈仁朋等[34]认为土压平衡盾构推进过程中的总推力由刀盘面板阻力、刀盘开口阻力和盾壳四周摩阻力三部分组成，并给出总推力计算的理论公式. 根据文献[29]提供的理论计算公式，本工程中盾构总推力估计值约为20.5 MN. 左线盾构推进过程中千斤顶实际总推力随环号的变化见图11. 左线推进至GPS1所在环号之前，总推力均明显大于理论计算值，而在经过GPS3、GPS5以及右线各监测站(GPS2、GPS4、GPS6)时，总推力均维持在22 MN左右，分析认为这正是GPS1在纵向水平位移明显的原因.

在掌子面到达GPS1下方之前约5.0 m(0.8D)时，地表纵向水平位移开始向后回弹，掌子面逐渐远离后，纵向水平位移逐渐恢复为0. 由于孔隙水压力不透水边界为1D范围[35]，因此在掌子面距离监测站约5.0 m时，GPS1位于刀盘开挖所产生的渗透边界以内，测站下方土体产生应力释放，从而导致GPS1水平纵向位移向后回弹.

4.3 横向水平位移

目前，国内外学者对双线盾构隧道先行线与后行线在施工过程中的相互影响问题进行了大量研究，但主要以理论分析、数值模拟和模型试验为主. 丁智等[36]对软土地区双线盾构施工过程中先行线与后行线在地表沉降变形中的相互影响进行分析，发现后行线对地表沉降的影响更大，但没有涉及先行线与后行线在地表水平位移中的相互影响. 刘玮等[37]以广佛城际铁路隧道为例，通过实测数据，分析了后行线施工对先行线管片水平附加位移量的影响，但没有监测地表变形. 本文根据GPS实测数据，对双线盾构施工过程中先行线和后行线在地表水平位移中的相互影响进行分析.

在本观测项目中，各监测站横向(垂直隧道轴线方向)水平位移主要发生于左线(后行线)盾构经过各监测站时，见图7. 在右线(先行线)施工影响下，河床水平横向变形较小，只有GPS1和GPS2记录到约5.0 mm的水平横向位移. 在后行线施工影响下，先行线上各监测站横向水平位移相对较大. 后行线对水平横向位移的影响见图12. 在后行线盾构通过时，位于先行线上的各监测站(GPS2、GPS4、GPS6)横向水平均为负(即向后行隧道轴线方向靠拢)；位于后行线上的各监测站中，GPS1和GPS3距离后行隧道轴线较近，水平横向位移几乎为0，GPS5位于后行隧道右侧，横向水平为正(向后行隧道轴线方向靠拢). 在后行线施工影响下，线路中心两侧河床均向后行隧道轴线方向靠拢. 对后行隧道轴线左侧各监测站(GPS1、GPS2、GPS3、GPS4、GPS6)水平横向位移进行拟合可见，在后行线左侧，河床水平横向位移与到后行线轴线之间的横向距离呈线性关系，后行线施工在其左侧的影响范围约为23 m (3.5D). 由于后行线右侧只有GPS5一个测站，故本文暂不对线路右侧水平横向位移影响范围进行讨论.

5 结论

1) 基于高精度GPS技术的地铁隧道下穿河道引起河床变形的长期监测方法具有精度高、自动化、全天候监测等优点. 该方法可根据工程需要解算不同时间间隔的河床平均变形(相对位移)时间序列，由24 h连续观测值解算的平均变形可达到亚毫米级的精度，由1 h连续观测值解算的平均变形可达到毫米级的精度. GPS相对定位方法在盾构施工影响下的河床变形监测中可行.

2) 在掌子面到达测站之前，河床表现为先隆起后沉降，沉降开始于掌子面到达前3～4D. 沉降开始后，速率逐渐增大，至盾尾脱出前后，沉降速率达到最大值，继而沉降速率逐渐减小.

3) 在水平方向上，地表纵向水平位移受盾构总推力影响比较明显，在较大总推力影响下，地表纵向水平位移表现为先向前移动，在掌子面到达测站前约0.8D时，地表纵向水平位移向后回弹，最终地表纵向水平位移在盾构经过后逐渐恢复为0.

4) 后行线对地表横向水平位移的影响比先行线的影响大，且后行线对先行线上各测站的影响比对后行线上各测站的影响更大. 在后行线影响下，隧道两侧河床在水平方向上均向隧道轴线靠拢，后行线对左侧河床在水平横向上的影响范围约为3.5D.