下穿隧道盾構施工區間既有鐵路軌道沉降三維可視化方法

楊杰，吳衛澤，劉宏 （.安徽上鐵地方鐵路開發有限公司，安徽 合肥 30094；.中鐵四局集團有限公司設計研究院，安徽 合肥 300）

1 引言

近年來，我國城市軌道交通建設持續發展，全國城市軌道交通運營里程在2022 年底突破了1 萬km。同時，既有鐵路運營里程已經突破了15 萬km，預計在2025 年達到17.5 萬km 左右。在城市軌道交通建設中，地鐵隧道下穿既有運營鐵路與場站的工況越來越多。在下穿隧道盾構施工期間必然會對盾構區間既有鐵路軌道產生擾動，從而影響鐵路的安全運營，而既有鐵路的運營也可能會對下穿隧道施工安全造成不利影響。因此，有必要對下穿隧道盾構施工區間的既有鐵路軌道進行變形監測，掌握既有鐵路軌道的變形情況和規律，及時采取必要措施保障既有鐵路運營安全和下穿隧道施工安全。

傳統變形監測中，往往通過變形值或一維變形曲線來表示監測點的變形情況，對于整體變形情況的顯示不夠直觀，并且難以表達出數據所包含的所有信息。隨著信息技術的發展，三維可視化在工程建設與變形監測領域的應用越來越多[1-4]。王福建等[5]利用布爾算法模擬了隧道掘進過程，并構建了隧道三維景觀模型。Xie X Y 等[6]基于地面三維激光掃描技術，結合MATLAB 平臺實現了盾構隧道的三維可視化監測。張耀平等[7]基于SURFER軟件繪制了采空區地表沉降三維表面圖、切面圖，實現了更加直觀的地表沉降顯示。翟若明等[8]利用激光雷達點云數據，基于ArcGIS 軟件設計并實現了變形監測三維可視化程序。張其琪[9]基于蘇州地鐵2 號線光纖監測數據，構建了盾構隧道三維模型并實現了二維數據云圖的繪制，較為直觀地顯示了監測數據。周釗等[10]以南京地鐵隧道光纖監測數據為基礎，結合BIM 技術實現了盾構隧道的三維可視化監測。徐瑞等[11]基于三維GIS 技術闡述了三維可視化大壩監測平臺的構建思路。詹顯軍等[12]利用等高線生成算法，結合熱力圖實現了檢測數據的可視化。盡管已有諸多學者開展了監測數據三維可視化的研究，但由于監測數據源的多樣和施工工況的差異，現有研究并不具備普遍適用性，并且關于新建地鐵隧道下穿既有鐵路區間的三維可視化監測研究較少。

本文以合肥市地鐵4 號線天水路站至翠柏路站區間隧道下穿既有鐵路場站項目為例，構建了下穿隧道盾構施工區間既有鐵路軌道的三維可視化變形分析模型，全面直觀地呈現了既有鐵路軌道沉降信息，為既有鐵路運營和下穿隧道施工安全提供數據支撐服務。

2 工程概況

合肥地鐵4 號線天水路站至翠柏路站下穿合肥東編組站42 股道群，下穿隧道盾構區間長度約為2773m，其中盾構區間隧道下穿合肥東編組站的水平投影長度為270m，區間隧道平面圖見圖1。

圖1 區間隧道平面圖

本區間隧道防水等級為二級。區間隧道采用盾構法施工，隧道采用單層裝配式襯砌結構，襯砌圓環內徑5.4m、外徑6.0m，為雙面楔形通用環，由一塊封頂塊、兩塊鄰接塊和三塊標準塊組成，錯縫拼裝。襯砌混凝土強度等級C50，抗滲等級 P10，厚度 300mm，環寬1500mm。區間盾構隧道橫斷面見圖2。

圖2 隧道橫斷面圖

為減小區間隧道施工完成地層發生的工后沉降并為規劃線路預留建設條件，區間隧道下穿既有股道群，并在規劃股道群區段采用加強型配筋管片，同時每環管片增設10 個二次注漿孔，配筋為C 型，當隧道下穿既有股道群施工時，及時進行同步注漿及二次補充注漿，將鐵路路基沉降降低到最小。

3 下穿隧道施工區間既有鐵路軌道變形監測

合肥東編組站為二級四場規模，作為樞紐內唯一技術作業站，承擔了淮南鐵路、合九鐵路、寧西鐵路和樞紐內各站貨物列車的到發、解編作業，運營任務較大。在下穿隧道盾構施工期間，既有鐵路依然需要正常運營。為了保障既有鐵路運營和下穿隧道施工安全，利用測量機器人自動化監測系統，對下穿隧道施工區間既有鐵路軌道進行連續的監測，每條鐵路左右兩側軌道上布置監測點，其中10 條相鄰軌道變形監測點布置示意圖見圖3。

圖3 監測點布置示意圖

從圖3 可以看出，監測點橫縱跨度約為100m，主要沿下穿盾構隧道掘進方向布設，監測點通過輔助裝置成對布設在左右兩側鐵路軌道上，沿鐵軌方向的間隔約為10m。由于既有鐵路仍需正常運營，傳統人工測量方法效率低、工作強度較大且進場測量時間無法保證，因此在本項目中采用測量機器人自動化監測系統進行監測。在利用測量機器人自動化監測系統進行監測時，首先通過學習測量模塊采集各監測點的初始信息，然后在自動學習模塊的控制下對各監測點三維坐標進行周期性連續自動采集。既有鐵路軌道變形監測點初始三維模型如圖4所示。

圖4 鐵路軌道監測點初始三維模型

從圖4 可以看出，既有鐵路軌道監測點高程最大值和最小值之間的差值較小，整體高低起伏變化較小，說明該監測區域整體較為平整，監測點高程變化對數據采集影響可以忽略不計。

4 鐵路軌道變形三維可視化分析

從下穿隧道區間盾構施工開始至結束后的一段時間內總共進行了58 期的觀測，在施工期間以每天觀測一期的頻率進行監測。為了消除測量過程中環境因素的影響，采用極坐標差分法對數據進行處理，以第一期監測數據為參考值，獲得了后57 期的變形值。在施工結束后，鐵軌沉降趨于穩定，為了詳細分析下穿隧道盾構施工期間既有鐵路軌道變形情況，選取第1、5、9、13、17、21、25和29期的監測數據構建了三維可視化沉降模型，見圖5。

圖5 既有鐵路軌道累積沉降三維可視化模型

從圖5整體分析可以看出，第1期鐵路軌道沉降量為0，在下穿隧道盾構施工初期（第1～9 期），鐵路軌道沉降逐步出現明顯沉降，隨著施工的進行，沉降速率變慢，但依然出現了持續沉降，到施工中后期（第25～29 期），鐵路軌道沉降逐漸趨于穩定，變化較小。

通過詳細分析發現，在第1～5 期過程中，首先是盾構施工區域開始出現沉降，所以三維模型顯示部分出現了沉降，但沉降量在1mm以內；隨著盾構施工的進行到第9 期時，在下穿隧道盾構施工方向出現了明細“溝狀”沉降，離下穿隧道中線越遠，沉降量越??；在下穿隧道施工完成后的一段時間內，鐵路軌道依然出現了持續沉降，但沉降速率逐步減小，第9～13 期的沉降變化量小于第5～9 期的變化量。因此，第25～29 期三維模型顯示變化較小，說明鐵軌沉降已趨于穩定。

從監測數據可以看出，鐵軌最大沉降量約為4mm，其沉降規律符合正常情況，說明該項目施工防治措施較好，沒有因為下穿隧道施工影響既有鐵路的正常運營，可以為后續同類型項目提供重要參考。

5 結語

針對下穿隧道盾構施工對既有鐵路軌道變形的影響，提出了一種三維可視化變形分析方法，更加直觀地呈現變形監測結果，主要結論有以下三點。

①構建了監測點三維模型可視化平臺，通過監測點三維模型可以直觀地了解各監測點分布情況。以第一期監測數據為基準，獲取了各期監測的變形量，并采用地表沉降三維模型圖進行了直觀的顯示，提高了變形分析的直觀性，為下穿隧道施工防治措施的制定和實施提供了可靠依據。

②在下穿隧道盾構施工開始時，施工區域鐵軌持續沉降，且距離盾構區域越近，沉降量越大；在盾構施工進行一段時間后，已經開挖區域的鐵軌沉降趨勢放緩；在盾構施工完成后，鐵軌變形趨于穩定，不再繼續沉降。

③在本項目中，鐵軌最大累積沉降量約為4mm，單日沉降量不超過1mm，沒有對鐵路運營造成破壞性影響，說明本項目的施工防治措施較好，可以為后續類似項目提供有利參考。