下穿隧道盾构施工区间既有铁路轨道沉降三维可视化方法

杨杰，吴卫泽，刘宏 （.安徽上铁地方铁路开发有限公司，安徽 合肥 30094；.中铁四局集团有限公司设计研究院，安徽 合肥 300）

1 引言

近年来，我国城市轨道交通建设持续发展，全国城市轨道交通运营里程在2022 年底突破了1 万km。同时，既有铁路运营里程已经突破了15 万km，预计在2025 年达到17.5 万km 左右。在城市轨道交通建设中，地铁隧道下穿既有运营铁路与场站的工况越来越多。在下穿隧道盾构施工期间必然会对盾构区间既有铁路轨道产生扰动，从而影响铁路的安全运营，而既有铁路的运营也可能会对下穿隧道施工安全造成不利影响。因此，有必要对下穿隧道盾构施工区间的既有铁路轨道进行变形监测，掌握既有铁路轨道的变形情况和规律，及时采取必要措施保障既有铁路运营安全和下穿隧道施工安全。

传统变形监测中，往往通过变形值或一维变形曲线来表示监测点的变形情况，对于整体变形情况的显示不够直观，并且难以表达出数据所包含的所有信息。随着信息技术的发展，三维可视化在工程建设与变形监测领域的应用越来越多[1-4]。王福建等[5]利用布尔算法模拟了隧道掘进过程，并构建了隧道三维景观模型。Xie X Y 等[6]基于地面三维激光扫描技术，结合MATLAB 平台实现了盾构隧道的三维可视化监测。张耀平等[7]基于SURFER软件绘制了采空区地表沉降三维表面图、切面图，实现了更加直观的地表沉降显示。翟若明等[8]利用激光雷达点云数据，基于ArcGIS 软件设计并实现了变形监测三维可视化程序。张其琪[9]基于苏州地铁2 号线光纤监测数据，构建了盾构隧道三维模型并实现了二维数据云图的绘制，较为直观地显示了监测数据。周钊等[10]以南京地铁隧道光纤监测数据为基础，结合BIM 技术实现了盾构隧道的三维可视化监测。徐瑞等[11]基于三维GIS 技术阐述了三维可视化大坝监测平台的构建思路。詹显军等[12]利用等高线生成算法，结合热力图实现了检测数据的可视化。尽管已有诸多学者开展了监测数据三维可视化的研究，但由于监测数据源的多样和施工工况的差异，现有研究并不具备普遍适用性，并且关于新建地铁隧道下穿既有铁路区间的三维可视化监测研究较少。

本文以合肥市地铁4 号线天水路站至翠柏路站区间隧道下穿既有铁路场站项目为例，构建了下穿隧道盾构施工区间既有铁路轨道的三维可视化变形分析模型，全面直观地呈现了既有铁路轨道沉降信息，为既有铁路运营和下穿隧道施工安全提供数据支撑服务。

2 工程概况

合肥地铁4 号线天水路站至翠柏路站下穿合肥东编组站42 股道群，下穿隧道盾构区间长度约为2773m，其中盾构区间隧道下穿合肥东编组站的水平投影长度为270m，区间隧道平面图见图1。

图1 区间隧道平面图

本区间隧道防水等级为二级。区间隧道采用盾构法施工，隧道采用单层装配式衬砌结构，衬砌圆环内径5.4m、外径6.0m，为双面楔形通用环，由一块封顶块、两块邻接块和三块标准块组成，错缝拼装。衬砌混凝土强度等级C50，抗渗等级 P10，厚度 300mm，环宽1500mm。区间盾构隧道横断面见图2。

图2 隧道横断面图

为减小区间隧道施工完成地层发生的工后沉降并为规划线路预留建设条件，区间隧道下穿既有股道群，并在规划股道群区段采用加强型配筋管片，同时每环管片增设10 个二次注浆孔，配筋为C 型，当隧道下穿既有股道群施工时，及时进行同步注浆及二次补充注浆，将铁路路基沉降降低到最小。

3 下穿隧道施工区间既有铁路轨道变形监测

合肥东编组站为二级四场规模，作为枢纽内唯一技术作业站，承担了淮南铁路、合九铁路、宁西铁路和枢纽内各站货物列车的到发、解编作业，运营任务较大。在下穿隧道盾构施工期间，既有铁路依然需要正常运营。为了保障既有铁路运营和下穿隧道施工安全，利用测量机器人自动化监测系统，对下穿隧道施工区间既有铁路轨道进行连续的监测，每条铁路左右两侧轨道上布置监测点，其中10 条相邻轨道变形监测点布置示意图见图3。

图3 监测点布置示意图

从图3 可以看出，监测点横纵跨度约为100m，主要沿下穿盾构隧道掘进方向布设，监测点通过辅助装置成对布设在左右两侧铁路轨道上，沿铁轨方向的间隔约为10m。由于既有铁路仍需正常运营，传统人工测量方法效率低、工作强度较大且进场测量时间无法保证，因此在本项目中采用测量机器人自动化监测系统进行监测。在利用测量机器人自动化监测系统进行监测时，首先通过学习测量模块采集各监测点的初始信息，然后在自动学习模块的控制下对各监测点三维坐标进行周期性连续自动采集。既有铁路轨道变形监测点初始三维模型如图4所示。

图4 铁路轨道监测点初始三维模型

从图4 可以看出，既有铁路轨道监测点高程最大值和最小值之间的差值较小，整体高低起伏变化较小，说明该监测区域整体较为平整，监测点高程变化对数据采集影响可以忽略不计。

4 铁路轨道变形三维可视化分析

从下穿隧道区间盾构施工开始至结束后的一段时间内总共进行了58 期的观测，在施工期间以每天观测一期的频率进行监测。为了消除测量过程中环境因素的影响，采用极坐标差分法对数据进行处理，以第一期监测数据为参考值，获得了后57 期的变形值。在施工结束后，铁轨沉降趋于稳定，为了详细分析下穿隧道盾构施工期间既有铁路轨道变形情况，选取第1、5、9、13、17、21、25和29期的监测数据构建了三维可视化沉降模型，见图5。

图5 既有铁路轨道累积沉降三维可视化模型

从图5整体分析可以看出，第1期铁路轨道沉降量为0，在下穿隧道盾构施工初期（第1～9 期），铁路轨道沉降逐步出现明显沉降，随着施工的进行，沉降速率变慢，但依然出现了持续沉降，到施工中后期（第25～29 期），铁路轨道沉降逐渐趋于稳定，变化较小。

通过详细分析发现，在第1～5 期过程中，首先是盾构施工区域开始出现沉降，所以三维模型显示部分出现了沉降，但沉降量在1mm以内；随着盾构施工的进行到第9 期时，在下穿隧道盾构施工方向出现了明细“沟状”沉降，离下穿隧道中线越远，沉降量越小；在下穿隧道施工完成后的一段时间内，铁路轨道依然出现了持续沉降，但沉降速率逐步减小，第9～13 期的沉降变化量小于第5～9 期的变化量。因此，第25～29 期三维模型显示变化较小，说明铁轨沉降已趋于稳定。

从监测数据可以看出，铁轨最大沉降量约为4mm，其沉降规律符合正常情况，说明该项目施工防治措施较好，没有因为下穿隧道施工影响既有铁路的正常运营，可以为后续同类型项目提供重要参考。

5 结语

针对下穿隧道盾构施工对既有铁路轨道变形的影响，提出了一种三维可视化变形分析方法，更加直观地呈现变形监测结果，主要结论有以下三点。

①构建了监测点三维模型可视化平台，通过监测点三维模型可以直观地了解各监测点分布情况。以第一期监测数据为基准，获取了各期监测的变形量，并采用地表沉降三维模型图进行了直观的显示，提高了变形分析的直观性，为下穿隧道施工防治措施的制定和实施提供了可靠依据。

②在下穿隧道盾构施工开始时，施工区域铁轨持续沉降，且距离盾构区域越近，沉降量越大；在盾构施工进行一段时间后，已经开挖区域的铁轨沉降趋势放缓；在盾构施工完成后，铁轨变形趋于稳定，不再继续沉降。

③在本项目中，铁轨最大累积沉降量约为4mm，单日沉降量不超过1mm，没有对铁路运营造成破坏性影响，说明本项目的施工防治措施较好，可以为后续类似项目提供有利参考。