運營中地鐵隧道變形的動態(tài)監(jiān)測方法及研究

趙凌云

摘要：上海地鐵隧道的變形及形變的因素有很多，包括地質(zhì)條件、地下水狀況、地表沉降、安保區(qū)違規(guī)施工等因素，均會對在建地鐵、運營地鐵產(chǎn)生一定影響。如果不能對地鐵隧道重點區(qū)間進行全天候?qū)崟r監(jiān)測，造成的后果難以估量。工程經(jīng)驗表明地鐵隧道一旦發(fā)生險情，將會造成巨大的災難和損失，民眾也會恐慌心理，對社會安定產(chǎn)生不良影響。本文借助某工程施工監(jiān)測狀況進行了分析，對緊鄰基坑施工擾動影響的隧道變形進行了全面合理的動態(tài)監(jiān)測，主要使用設(shè)備為全站儀，可實現(xiàn)24h無人值守連續(xù)監(jiān)測，每次監(jiān)測均可在地鐵運行間隔內(nèi)完成要求。監(jiān)測數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)可為后期施工提供一定的理論參考依據(jù)，為工程應用的順利實現(xiàn)打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道 變形監(jiān)測 基坑施工 安全控制

近年來上海地鐵的運營里程的不斷增加，數(shù)以千萬的日客流量已成為常態(tài)化，軌道交通大動脈的貫通，為城市高速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，為上海這座金融中心的提供了強大發(fā)展動力。隨著網(wǎng)絡化運營的發(fā)展，地鐵沿線周圍深基坑開挖作業(yè)不斷增多，部分基坑與地鐵隧道間距越來越小。加強運營期地鐵隧道的維保工作，減小緊鄰地鐵隧道基坑開挖、建筑施工等作業(yè)產(chǎn)生的負面影響，是當下地鐵運營期需主要考慮的任務。

信息化施工在當前在建地鐵，運營線路施工中貫穿始終，信息化作業(yè)可有效指導施工過程。施工中主要采用時空效應法、逆作法及注漿法等保護臨近隧道，避免隧道變形等狀況的發(fā)生。但上述一切要求需建立在對地鐵隧道變形的嚴密監(jiān)控基礎(chǔ)上。常規(guī)地鐵變形監(jiān)測方法主要有：連通管法、巴塞特等手段，對運營地鐵速調(diào)的監(jiān)測難度較高。原因在于地鐵一般運行時間短，運行期間相關(guān)操作人員嚴禁入內(nèi)。當前也有采用電水平、三維激光等監(jiān)測技術(shù)，考慮到高精度的需要，本文介紹無人看護、全自動的監(jiān)測方法，可在短期時間內(nèi)完成隧道的變形監(jiān)測，并及時提交數(shù)據(jù)成果，為臨近基坑施工及運營地鐵監(jiān)護可提供更加可靠的參考依據(jù)。

一、隧道監(jiān)測原則、要求分析

（一）隧道監(jiān)測原則

隧道監(jiān)測需要遵循以下原則：1.可靠性原則，作為監(jiān)測中最為關(guān)鍵的原則，需要格外的注意，為了有效的提升監(jiān)測的可靠性，可以采用高精度儀器，并注重對監(jiān)測點位的保護；2.多層次原則，在檢測對象的選擇上，要注意對位移和隧道內(nèi)力的考慮并兼顧其他監(jiān)測目的，主要采用儀器監(jiān)測及巡檢的方法；3.重點區(qū)間監(jiān)測原則，需要根據(jù)工程對象的不同合理的設(shè)置施工步驟，不切有針對性的對重點位置進行實時動態(tài)監(jiān)測，重點關(guān)注建筑物及地下管線的安全問題；4.方便實用性原則，從提高監(jiān)測便利度，控制監(jiān)測對施工干擾的角度出發(fā)，需要保證系統(tǒng)的安裝、測量等必須方便實用；5.經(jīng)濟合理。系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮儀器設(shè)備，儀器選擇方面，需要結(jié)合性能、價格等進行控制，保證檢測費用的合理。

（二）地鐵隧道變形監(jiān)測的要求

首先，監(jiān)測目的。運營地鐵隧道監(jiān)測主要考慮隧道變形規(guī)律、形變特性，在保證地鐵運行安全的基礎(chǔ)上進行基坑開挖作業(yè)，為基坑開發(fā)提供合理的監(jiān)測依據(jù)。

其次，監(jiān)測要求?；邮┕な且粋€動態(tài)、連續(xù)工程，地鐵隧道受施工影響，其實際施工位置也是變化的，為此需要加強隧道變形的連續(xù)監(jiān)測。運營地鐵隧道中，一般大部分時間是全封閉狀態(tài)，不允許人員進入。為此，需要在隧道內(nèi)設(shè)置自動化監(jiān)測系統(tǒng)，借助先進儀器設(shè)備替代傳統(tǒng)人工操作，提高隧道水平、垂直方向監(jiān)測的精確性。并且，需要考慮地鐵運行時間狀況，一般地鐵運行時間較短，監(jiān)測系統(tǒng)需要實時監(jiān)測受影響區(qū)域的隧道變形狀況。某項目中，結(jié)合綜合樓的設(shè)計圖紙及上海市地鐵保護相關(guān)文件要求，確定監(jiān)測對象為地鐵區(qū)間隧道基坑沿線60m及兩端延伸30m位置，共計120m。監(jiān)測內(nèi)容主要包括基坑影響區(qū)域范圍內(nèi)的隧道水平、垂直位移。

二、監(jiān)測系統(tǒng)的組成

一套完整的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，一般無需外接干預，便可實現(xiàn)自動觀測、記錄、存儲、報表編制等功能。監(jiān)測系統(tǒng)包括兩個重要組成部分，那就是硬件和軟件，具體包括以下內(nèi)容：Leica TS30全站儀、計算機、相關(guān)軟件、供電及通信電纜等。

Leica TS30全站儀可以自動進行棱鏡的識別，可以發(fā)揮獨特的跟蹤功能還需要具有自校準、自動跟蹤的能力；合理同時對多個目標進行操作，具有重復測量的功能，可以隨時變化監(jiān)測方式，進行正倒鏡測量等操作?？紤]到全站儀是通過三維坐標來完成測量過程的，只需要進行一次就可以實現(xiàn)對垂直和水平方面的測量，具體的監(jiān)測系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

三、監(jiān)測結(jié)果的探討

（一）監(jiān)測斷面點的布置

根據(jù)現(xiàn)場狀況、監(jiān)測方案，某工程地鐵隧道區(qū)間布置了自動化監(jiān)測斷面13個，每個斷面布置了5-7個監(jiān)測點，一共86個監(jiān)測棱鏡，斷面間距為5m。借助Leica TS30全站儀進行連續(xù)監(jiān)測。人工監(jiān)測17個、2個為收斂斷面、13個軌距與差異沉降斷面，還有兩個應變監(jiān)測斷面，夜間停車后一般需要借助人工監(jiān)測完成作業(yè)。

（二）監(jiān)測方案

首先，監(jiān)測組織，現(xiàn)場一般會成立一個盾構(gòu)下穿監(jiān)測組，該小組需要及時與業(yè)主、施工方的密切配合，并對盾構(gòu)下穿過程進行全程跟蹤，實現(xiàn)24小時連續(xù)監(jiān)測，借助自動化系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)測和指導作業(yè)的目的。監(jiān)測施工中，監(jiān)測組、盾構(gòu)機操控室電話相連接，一般間隔0.5h便會進行一次位移觀測，間隔1h會形成一份完整的報告，每拼裝一環(huán)管片后，匯報一次掘進參數(shù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)，主要包括：行進速度、刀盤扭矩、注漿量及出土量等。監(jiān)測工作具有準確、及時、高效的特點，可做到三方聯(lián)動效應，保證施工人員、專家可結(jié)合自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)信息進行調(diào)整，控制土倉壓力、千斤頂推力、注漿壓力等滿足施工要求。并可再次對觀測數(shù)據(jù)的變化趨勢進行分析和預測，做到隧道信息的全面科學管理，加強信息化施工建設(shè)水平的大幅提升。

一般狀況下，地鐵停運后需要及時進行人工復測，并與實時監(jiān)控數(shù)據(jù)進行核對比較，保證整個監(jiān)測作業(yè)的合理性，從而提高盾構(gòu)穿越施工的安全等級。為了保證監(jiān)測結(jié)果具有代表性，需要加強變形位置的合理選擇，一般選擇3個斷面，在每個斷面兩邊各取一點，分析其變化趨勢。endprint

其次，監(jiān)測結(jié)果分析。從圖2中分析可以得出下述幾點結(jié)論：第一、5.9-5.10日、6.1-6.3之間，隧道發(fā)生較為明顯的沉降趨勢，表明盾構(gòu)施工在進入下方邊緣時，發(fā)生了快速沉降，原因在于隧道結(jié)構(gòu)較為敏感，一般需要借助盾構(gòu)機進行土倉壓力的控制，避免隧道結(jié)構(gòu)進一步沉降；第二，從5.16-6.2日的沉降狀況分析可得出，沉降趨勢變化較為穩(wěn)定，說明施工中，盾構(gòu)機脫離4號線行進至穩(wěn)定區(qū)域后，盾構(gòu)參數(shù)仍較為穩(wěn)定，可及時進行背后注漿、二次注漿管理。雖然后續(xù)仍有工后沉降，但是沉降量仍較小，無法對地鐵結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生過多負面影響。該項目中左線穿越完成后，最大累計沉降為7.0-7.1mm，在變形控制規(guī)定范圍之內(nèi)；第三，右線穿越后，由于現(xiàn)場設(shè)備發(fā)生的故障問題，導致盾構(gòu)機掘進時間延長，在地鐵其他線軌區(qū)內(nèi)停留時間過長，引起了隧道結(jié)構(gòu)的過渡沉降，危害極大，這一沉降呈現(xiàn)出明顯波動的趨勢；第四、6.2-6.9期間內(nèi)沉降趨勢又有顯著變化，呈現(xiàn)增加趨勢，沉降速率也有一定提高，表明右線穿越時，地鐵結(jié)構(gòu)的重疊影響極為嚴重，反應靈敏度增加，但是其他盾構(gòu)參數(shù)仍維持在較為穩(wěn)定的區(qū)間，屬于勻速快速運行。6.9日之后，發(fā)生了少量沉降作用，累計數(shù)據(jù)為（9.0±0.2）mm之內(nèi)；左右累計沉降為（16.0±0.2）mm，均在變形控制范圍之內(nèi)；第五、穿越完成后，需要加強后續(xù)監(jiān)測，提高隧道結(jié)構(gòu)變形、沉降變形的管理和預測。結(jié)果表明，隧道穿越初期具有一定規(guī)律性，如初期沉降量較大，原因在于該類穿越是始發(fā)穿越，相關(guān)設(shè)備，尤其是盾構(gòu)機的參數(shù)不滿足最佳狀態(tài)，需要根據(jù)工程特點及時進行設(shè)備的調(diào)節(jié)，保證盾構(gòu)機可及時轉(zhuǎn)換狀態(tài)，提高參數(shù)設(shè)置的合理性，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)達到穩(wěn)定、均勻的狀態(tài)。一般可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷盾構(gòu)機狀態(tài)，監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定、勻速，表明盾構(gòu)機正在勻速、快速前進；如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)少量突出數(shù)值，極大或極小數(shù)值，表明地質(zhì)狀況可能發(fā)生改變，也有可能是盾構(gòu)機、拼裝機等設(shè)備發(fā)生的問題，故障狀況下進行了監(jiān)測，這種裝置需要及時停止設(shè)備運行，進行設(shè)備故障查找，并采取合理措施進行管理，避免沉降量過大引發(fā)的危害。當速調(diào)穿越施工結(jié)束后，如果發(fā)生微小沉降作用引發(fā)的變形，但是整個趨勢大體平緩，表面發(fā)生了滯后沉降作用，需要及時進行后續(xù)處理，如加強監(jiān)測作業(yè)的時間等，結(jié)合項目施工特點進行管理。

四、隧道變形影響因素分析

（一）施工期的影響

地鐵施工變形的主要原因在于：盾構(gòu)機推動周邊土壤、灌漿施工等引起的負面現(xiàn)象。隧道施工一般是盾構(gòu)推進半年后開工，隧道變形、土體變形等一般是作業(yè)期間便會形成；鋪設(shè)隧道前，需要及時將接縫螺栓擰緊，并考慮二次預緊的作用。再者，土壓平衡盾構(gòu)、施工工藝等將會對土體產(chǎn)生負面影響，隧道施工變形一般是均勻的，在量值區(qū)間內(nèi)，對縱向變形的負面影響相對較少。

（二）隧道上方載荷

地表上方一般不是空曠區(qū)域，可能有建筑體、設(shè)備、工廠等，容易產(chǎn)生地表加載作用，進而會引起地鐵隧道縱向不均勻性。如果地鐵隧道是飽和黏土，考慮到隧道下側(cè)土體反作用力影響，下土層壓縮模量會與未修建隧道前偏小，同時受擾動土層的長時間下沉固結(jié)的地鐵隧道在地層表面加載時候仍在緩緩持續(xù)，因此加載施工時，土層壓縮厚度比正常狀況下更大，地表加載量可能會更小，進而會產(chǎn)生較為輕微的隧道下土層下沉問題。

（三）周邊基坑施工

地鐵隧道在四周開挖基坑作業(yè)中，可能會引發(fā)隧道變形，主要表現(xiàn)：基坑隆起、基坑斜向變形。施工中，如果基坑向下開挖，一般會對土體產(chǎn)生垂直方向的作用力，引起基坑底部土體的反彈問題等不容忽視。此外，還需要考慮周圍土體對基坑的擠壓作用力，避免基坑底部土體水平作用力的負面影響，該狀況會導致基坑底部土體向上隆起問題嚴重。再者，基坑開挖深度增加，基坑內(nèi)外高度差會逐漸加大，這種高差所引起的加載力也會增加，會推動基坑四周土體向內(nèi)部運動，產(chǎn)生明顯的隆起問題。

基坑開挖底部土體的斜向變形，如果基坑開挖失去部分土體，該土體的支撐作用會大打折扣，為此需要考慮基坑的擠推作用力等要素?；幼鳂I(yè)一般是先開挖、后支撐，周邊土體的作用力很明顯，一般都會產(chǎn)生水平位移。如果基坑深度不斷增加，基坑內(nèi)外土體的高度差將會增加，四周土體均會有向中間運動的趨勢，將會引起基坑周邊發(fā)生快速沉降的問題?；又苓呁馏w向下、向坑內(nèi)運動，導致隧道斜下方會產(chǎn)生極為明顯的縱向變形問題，需要引起施工方的重視。

五、結(jié)語

本文針對地鐵隧道中的隧道變形問題、監(jiān)測方法等進行了探討，主要探討了無人看守、實時監(jiān)測、動態(tài)管理的方法。工程研究表明，監(jiān)測系統(tǒng)可充分滿足系統(tǒng)工程的要求，具有監(jiān)測速度快、精度高、負面影響小及自動化程度極高的優(yōu)勢，可在地鐵運行時間內(nèi)完成所需的動態(tài)監(jiān)測。借助監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)測結(jié)果可為后期基坑施工打下良好基礎(chǔ)，提供準確的指導數(shù)據(jù)。

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（作者單位：上海地鐵維護保障有限公司）endprint