基于分層標(biāo)組沉降監(jiān)測(cè)的基坑工程降水對(duì)鄰近地鐵隧道的影響分析

許 言

（1. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2. 自然資源部地面沉降監(jiān)測(cè)與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072；3. 上海地面沉降控制工程技術(shù)研究中心，上海 200072）

近20年來(lái)，上海軌道交通、鐵路樞紐、高速公路等現(xiàn)代化城市交通生命線工程不斷投入運(yùn)營(yíng)。由于中心城區(qū)出現(xiàn)了持續(xù)性的不均勻地面沉降[1-4]，同時(shí)大規(guī)模城市建設(shè)活動(dòng)引發(fā)的工程性沉降越來(lái)越顯著[5-6]，對(duì)重大基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生了不同程度的影響。針對(duì)以上問(wèn)題，上海自2006年以來(lái)在全市地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的總體框架下，在重大基礎(chǔ)設(shè)施沿線建設(shè)了大量水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)及淺部土層分層沉降監(jiān)測(cè)標(biāo)組，形成既相對(duì)獨(dú)立、又與中心城水準(zhǔn)網(wǎng)緊密聯(lián)系的重大基礎(chǔ)設(shè)施地面沉降骨干監(jiān)測(cè)網(wǎng)，對(duì)工程性沉降發(fā)生的主要土層開展分層監(jiān)測(cè)，提高了重大基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)營(yíng)的地質(zhì)保障能力。

分層標(biāo)是一組埋設(shè)在不同深度松散土層分界面位置的地面水準(zhǔn)觀測(cè)標(biāo)志，其目的是為掌握各類性質(zhì)土層在垂直方向上的壓縮或回彈變形量，研究其變形規(guī)律，為分析地面沉降產(chǎn)生的機(jī)理、建立預(yù)警預(yù)報(bào)機(jī)制提供數(shù)據(jù)支撐[7-11]。分層標(biāo)被廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)江三角洲[12-13]、華北平原[14-15]、汾渭盆地[16]等地面沉降重點(diǎn)發(fā)育地區(qū)，以往對(duì)于分層標(biāo)的研究多集中于對(duì)區(qū)域地面沉降背景下的土層動(dòng)態(tài)變形特征分析[17-18]，但對(duì)現(xiàn)有重大基礎(chǔ)設(shè)施沿線分層標(biāo)組監(jiān)測(cè)成效的研究與分析較少，尤其是局部工程建設(shè)活動(dòng)影響下的土體分層變形監(jiān)測(cè)。

隨著軌道交通、高架橋梁、越江隧道等城市交通生命線工程運(yùn)營(yíng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，重大基礎(chǔ)設(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)與城市安全和發(fā)展的關(guān)系越來(lái)越密切，其重要性日益突出。本文擬利用現(xiàn)有重大基礎(chǔ)設(shè)施沿線分層標(biāo)組的監(jiān)測(cè)成果，開展工程降水活動(dòng)對(duì)鄰近地鐵隧道影響的分層標(biāo)組沉降監(jiān)測(cè)分析。

1 案例工程概況

選取的案例工程為上海某地鐵換乘車站的基坑降水工程（見(jiàn)圖1）。該工程鄰近的地鐵A線已開通運(yùn)營(yíng)多年，與在建地鐵B線呈十字型換乘，換乘車站I的主體結(jié)構(gòu)采用1000 mm厚地下連續(xù)墻作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，深度為46 m（標(biāo)高-43.5m），采用明挖順筑法施工。該基坑降水工程于2011年12月設(shè)備進(jìn)場(chǎng)，至2013年2月完成降壓井封井，共歷時(shí)約1年2個(gè)月。施工的基坑范圍內(nèi)淺部主要以粉性土和黏性土為主，是基坑降水的主要疏干地層（見(jiàn)表1）。基坑范圍內(nèi)分布有⑦層承壓水，地層為粉砂或粉細(xì)砂，富水性好，但含水層頂面極不穩(wěn)定，含水層厚度在3～15 m不等。根據(jù)基坑開挖深度，端頭井基坑進(jìn)入第⑤3層中上部，標(biāo)準(zhǔn)段基坑進(jìn)入第⑤1層底部，圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入⑦2底部，隔斷了⑦層承壓水。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)概況

案例工程周邊建有一組分層標(biāo)（見(jiàn)圖1），編號(hào)分別為FS#1、FS#2、FS#3、FS#4和FS#5（詳見(jiàn)表2），位于換乘車站Ⅰ的北側(cè)，距離最近的地鐵A線隧道中軸線約40 m（位于隧道50 m保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)），用于監(jiān)測(cè)案例工程所在區(qū)域的土體變形情況。

表1 場(chǎng)地地層特性表Table 1 Characteristics of soil layer in the case site

由表2可以看出，研究區(qū)域內(nèi)的地鐵A線隧道均埋置于分層標(biāo)FS#2和FS#3標(biāo)底之間的④層灰色淤泥質(zhì)黏土中。該分層標(biāo)組FS場(chǎng)地處配建有一口⑦層承壓含水層水位監(jiān)測(cè)井（見(jiàn)圖1），井深52.6 m，濾水管位于埋深40.8～45.5 m處。

表2 分層標(biāo)組監(jiān)測(cè)信息統(tǒng)計(jì)表Table 2 Monitoring information of the extensometer group

圖1 案例工程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the case project

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)鄰近地鐵隧道埋置的位置，將分層標(biāo)組監(jiān)測(cè)的土層劃分為隧道上覆土層、隧道埋置土層和隧道下臥壓縮層（⑨層承壓含水層頂板以上，詳見(jiàn)表2）。依據(jù)地鐵隧道長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的軌道沉降數(shù)據(jù)，繪制了累積沉降綜合曲線圖（圖2），其中土體分層沉降曲線基于分層標(biāo)組監(jiān)測(cè)的累積壓縮變形數(shù)據(jù)繪制；地鐵上行線、下行線隧道的沉降曲線基于距離分層標(biāo)組最近的地鐵A線軌道沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制。

圖3根據(jù)鄰近地下水位監(jiān)測(cè)井的人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制，反映了案例研究區(qū)域范圍內(nèi)⑦層承壓含水層的水位標(biāo)高變化情況。

圖3 ⑦層承壓含水層監(jiān)測(cè)井水位標(biāo)高歷時(shí)曲線圖Fig.3 Duration curve of the first confined aquifer water level in the monitoring well

圖4根據(jù)地鐵A線隧道長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的軌道沉降數(shù)據(jù)繪制，分別選取了緊鄰車站I和緊鄰車站II的兩組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以反映同一地鐵區(qū)間線路上不同區(qū)域的隧道沉降隨時(shí)間變化情況。

圖5以車站II為起始點(diǎn)（作基準(zhǔn)點(diǎn)），繪制了研究區(qū)間范圍內(nèi)隧道縱斷面的相對(duì)沉降擬合曲線，分別選取了2011年12月、2012年6月、2012年12月和2013年6月四個(gè)典型工況時(shí)間點(diǎn)，直觀表現(xiàn)不同時(shí)間點(diǎn)的隧道縱向斷面差異變形情況。

以圖5中2011年12月（基坑降水開始）監(jiān)測(cè)到的隧道縱斷面沉降數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，繪制了研究區(qū)間范圍內(nèi)隧道斷面在2012年6月、2012年12月和2013年6月三個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)相對(duì)于2011年12月監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)沉降量變化的擬合曲線（圖6），重點(diǎn)反映基坑降水工程施工期間的隧道縱向斷面差異變形情況。

通過(guò)總結(jié)該區(qū)域周邊監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的工程建設(shè)活動(dòng)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按5個(gè)時(shí)間階段進(jìn)行劃分，以對(duì)圖2～圖6進(jìn)行分析。5個(gè)時(shí)間階段分別為：（1）分層標(biāo)組開始監(jiān)測(cè)，至商業(yè)中心南樓建成開業(yè)；（2）商業(yè)中心南樓建成開業(yè)，至地鐵B線車站I基坑降水開始；（3）基坑降水工程實(shí)施階段；（4）基坑降水工程封井，至B線車站I開通運(yùn)營(yíng)；（5）車站I開通運(yùn)營(yíng)，至商業(yè)中心北樓建成開業(yè)（詳見(jiàn)表3）。

圖4 A線研究區(qū)間隧道沉降歷時(shí)曲線Fig.4 Tunnel subsidence duration curve of line A in the studied section

圖5 A線研究區(qū)間隧道縱斷面沉降擬合曲線Fig.5 Subsidence fitting curve of the line A tunnel longitudinal section

圖6 A線研究區(qū)間隧道縱斷面差異沉降擬合曲線Fig.6 Differential subsidence fitting curve of the line A tunnel longitudinal section

表3 現(xiàn)場(chǎng)工況基本情況Table 3 Field condition information

（1）第一階段：2009.10-2010.12

分層標(biāo)組FS于2009年10月開始監(jiān)測(cè)，研究區(qū)域內(nèi)的地鐵A線已開通運(yùn)營(yíng)多年。從圖2可以看出，隧道所在的土層和上覆土層壓縮變形速率較為穩(wěn)定，而監(jiān)測(cè)到的下臥壓縮層有微量回彈的趨勢(shì)，各層的平均回彈速率均在2 mm/a左右。總體而言土層變形較為穩(wěn)定，商業(yè)中心南樓的施工過(guò)程未對(duì)該區(qū)域淺層土體產(chǎn)生較明顯的影響。從隧道自身的沉降趨勢(shì)來(lái)看，上、下行線隧道均出現(xiàn)了約11 mm/a的持續(xù)沉降，其速率顯著大于分層標(biāo)組監(jiān)測(cè)的各土層壓縮變形速率。從⑦層承壓含水層水位來(lái)看（圖3），該時(shí)間段內(nèi)水位總體處于持續(xù)抬升的趨勢(shì)，隧道的顯著沉降應(yīng)與⑦層以下深部土層的壓縮變形有關(guān)[19-20]。從圖4可以看出，鄰近車站I的隧道沉降速率約為鄰近車站II隧道沉降速率的1.5倍，表明商業(yè)中心的施工可能為該時(shí)間段隧道顯著沉降的主要誘因之一。

（2）第二階段：2010.12-2011.12

該時(shí)間段的土層壓縮變形趨勢(shì)與上一階段較為近似，隧道所在的土層和上覆土層仍以2 mm/a的速率持續(xù)壓縮變形，而監(jiān)測(cè)到的下臥壓縮層也出現(xiàn)微量壓縮趨勢(shì)，可能與該時(shí)期⑦層承壓水位出現(xiàn)了約1.5 m的下降有關(guān)。該階段的主要變化來(lái)自于隧道沉降，從圖4可以看出，隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)由上一階段的快速沉降轉(zhuǎn)而出現(xiàn)了約2 mm的回彈，一方面可能與商業(yè)中心南樓的施工結(jié)束有關(guān)，另一方面有待于查明深部含水層的水位是否有持續(xù)抬升現(xiàn)象。

（3）第三階段：2011.12-2013.2

該時(shí)間段為工程降水實(shí)施階段，其中2011年12月至2012年10月開展了基坑降水工程的成井施工，并未進(jìn)行大規(guī)模的抽水，沉降監(jiān)測(cè)曲線變化較小。2012年10月起，基坑降水工程開始按計(jì)劃進(jìn)行抽水作業(yè)，從圖2可以看出，分層標(biāo)組監(jiān)測(cè)到的各土層出現(xiàn)了顯著的壓縮變形趨勢(shì)，其中地鐵隧道所在的④、⑤1層壓縮變形速率約為6.5 mm/a，地鐵隧道上覆的②1、③層壓縮變形速率約為4.8 mm/a，地鐵隧道下臥壓縮層（⑤3、⑦和⑧層）的壓縮變形速率約為12.0 mm/a。圖3表明，該時(shí)間段內(nèi)⑦層承壓水位持續(xù)降低，下降速率達(dá)到了近4 m/a，可見(jiàn)基坑降水對(duì)⑦層的加速壓縮變形產(chǎn)生了一定的影響。

反觀地鐵A線隧道，由圖2和圖4可以看出，該區(qū)域的隧道沉降曲線出現(xiàn)了一定的持續(xù)抬升趨勢(shì)（約7 mm/a），與周邊土層的壓縮變形規(guī)律相反。由于同一區(qū)間內(nèi)的地鐵隧道具有一定的結(jié)構(gòu)整體性，因此隧道沉降趨勢(shì)會(huì)產(chǎn)生一定的隨動(dòng)效應(yīng)。圖6以工程降水實(shí)施的起始時(shí)間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)點(diǎn)，可清晰的表現(xiàn)出基坑降水期間研究區(qū)域隧道的差異沉降情況。從圖6可以看出，基坑降水施工半年（2012年6月）和1年（2012年12月）時(shí)，鄰近車站Ⅰ一側(cè)的隧道相對(duì)于其他位置顯著下沉，相對(duì)沉降速率約為2.5～6.0mm/a；到基坑降水工程結(jié)束4個(gè)月時(shí)（2013年6月），靠近車站Ⅰ一側(cè)的上行線隧道出現(xiàn)回彈，下行線隧道的相對(duì)沉降量也顯著減少，可見(jiàn)雖然隧道由于受深部地質(zhì)環(huán)境的影響整體回彈，但基坑降水工程引發(fā)了鄰近地鐵隧道的差異沉降。

（4）第四階段：2013.2-2014.5

該階段基坑降水工程已經(jīng)結(jié)束，而地鐵B線車站I尚未開始運(yùn)營(yíng)。從圖3可以看出，該階段⑦層承壓水位迅速回升至接近工程降水開始前的狀態(tài)。由于受施工的影響，該階段分層標(biāo)組無(wú)法進(jìn)行測(cè)量未能獲取土體分層沉降數(shù)據(jù)。圖2表明，地鐵隧道停止了持續(xù)回彈趨勢(shì)，基本保持微量沉降的較穩(wěn)定狀態(tài)。從圖4可以看出，鄰近車站I和鄰近車站II的隧道累積沉降差值有逐漸縮小的趨勢(shì)。

（5）第五階段：2014.5-2015.12

該階段為地鐵B線車站I正式運(yùn)營(yíng)至商業(yè)中心北樓建成開業(yè)的時(shí)間段，由圖2和圖3可以看出，受商業(yè)中心北樓施工的影響，各層土體和鄰近隧道均出現(xiàn)了微量下沉的趨勢(shì)，⑦層承壓水位也有所降低。從圖4可以看出，鄰近車站I隧道和鄰近車站II隧道的沉降差值迅速減小，基本恢復(fù)至協(xié)調(diào)變形的狀態(tài)，表明該時(shí)間段工程降水對(duì)鄰近隧道的影響已基本消除。

4 結(jié)論

本文通過(guò)選取典型案例工程，探討了現(xiàn)有重大基礎(chǔ)設(shè)施沿線分層標(biāo)組的監(jiān)測(cè)成果和降水活動(dòng)對(duì)鄰近地鐵隧道的影響，主要得到了以下結(jié)論：

（1）分層標(biāo)組的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能有效反映地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)基坑降水工程對(duì)鄰近土層變形的影響，尤其是軟弱壓縮層和承壓含水層的壓縮變形；

（2）降水期間分層標(biāo)組監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的隧道下臥壓縮層出現(xiàn)約12 mm/a的壓縮變形；隧道自身由于受壓縮層以下深部地質(zhì)環(huán)境的影響，與工程降水影響范圍外的隧道保持相近的整體回彈趨勢(shì)；

（3）基坑降水引發(fā)了鄰近地鐵隧道約2.5～6.0 mm/a的差異沉降，但工程結(jié)束后同一區(qū)間的隧道基本恢復(fù)至整體協(xié)調(diào)變形狀態(tài)。