地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)分析

陶茂枕

(南昌市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院，江西 南昌 330038)

1 引 言

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有許多城市地鐵線路建成運(yùn)營(yíng)，通過對(duì)一些已運(yùn)營(yíng)的線路調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在建設(shè)過程和運(yùn)營(yíng)期間，其隧道、高架橋、U型結(jié)構(gòu)、路基擋墻等主體結(jié)構(gòu)均有變形發(fā)生，從而引起線路沉降、軌道變形，嚴(yán)重時(shí)則影響運(yùn)營(yíng)安全。為了及時(shí)掌握地鐵主體結(jié)構(gòu)的變形情況，及時(shí)消除安全隱患，在運(yùn)營(yíng)期間，對(duì)主體結(jié)構(gòu)采取適宜的變形監(jiān)測(cè)是非常必要的，選擇代表性部位進(jìn)行沉降變形監(jiān)測(cè)，對(duì)變形較大的地段及時(shí)采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)救措施，確保運(yùn)營(yíng)安全，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命，對(duì)保證地鐵安全運(yùn)營(yíng)和長(zhǎng)期節(jié)約維修成本具有重要的意義[1，2]。

2 監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法

隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)隧道結(jié)構(gòu)的底板，實(shí)質(zhì)上是對(duì)隧道道床進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，通過隧道道床的沉降監(jiān)測(cè)來反映隧道結(jié)構(gòu)底板的變形。主要包括區(qū)間隧道的沉降監(jiān)測(cè)、車站的沉降監(jiān)測(cè)和隧道與車站交接處的差異沉降監(jiān)測(cè)[3，4]。

2.1 監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)

沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)是沉降監(jiān)測(cè)的參考系，基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定直接影響監(jiān)測(cè)成果的正確性，基準(zhǔn)網(wǎng)通常采用三級(jí)層次進(jìn)行布設(shè)，分別為基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)，網(wǎng)形宜布設(shè)成閉合或附合水準(zhǔn)路線[5]。

2.2 沉降監(jiān)測(cè)

2.2.1 隧道沉降監(jiān)測(cè)

(1)盾構(gòu)隧道

盾構(gòu)隧道內(nèi)道床上沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)每隔15環(huán)布設(shè)一個(gè)，采用頂部呈半球型的不銹鋼膨脹螺栓為標(biāo)志，統(tǒng)一規(guī)格，用鉆孔機(jī)引孔用混凝土填充后打入道床軌枕內(nèi)，一般布設(shè)在軌道中心線上。標(biāo)志的一頭帶有十字或?qū)χ行A點(diǎn)，露出道床約 5 mm。布設(shè)示意圖如圖1所示。

圖1 隧道沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

(2)明挖矩形隧道

區(qū)間矩形隧道沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)以矩形隧道變形縫間的隧道為單位，每節(jié)矩形隧道在側(cè)距變形縫 5 m處的整體道床線路中心位置各布設(shè)一個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。如有其他設(shè)備設(shè)施影響，可實(shí)地進(jìn)行縱橫向小范圍調(diào)整，布點(diǎn)方式與盾構(gòu)隧道布點(diǎn)方式一致。布設(shè)示意圖如圖2所示。

圖2 明挖隧道沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

2.2.2 車站結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)

車站結(jié)構(gòu)在站臺(tái)有效距離上下行的1/4、1/2、3/4處分別布沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)在車站與區(qū)間分界線5m處各布設(shè)2處沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即每個(gè)車站上下行線各布設(shè)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 車站沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

2.2.3 隧道與車站交接處差異沉降監(jiān)測(cè)

以車站與區(qū)間隧道分界線為準(zhǔn)，在車站距其 5 m、隧道第一環(huán)(距分界線約 1 m)處分別布設(shè)1個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過兩點(diǎn)之間變化量差值來計(jì)算差異沉降量。如圖4所示。

圖4 車站隧道差異沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

3 監(jiān)測(cè)實(shí)施

本文以南昌市軌道交通2號(hào)線首通段為例。南昌市軌道交通2號(hào)線首通段于2017年8月開通運(yùn)營(yíng)，全長(zhǎng)約 20 km，均為地下線，設(shè)置車站17站，換乘站1座，其中南路站～西站南廣場(chǎng)站為明挖矩形隧道，全長(zhǎng)約 8.2 km，西站南廣場(chǎng)站～地鐵大廈站為盾構(gòu)隧道，全長(zhǎng)約 11.8 km。

南昌軌道交通2號(hào)線首通段于2017年4月開始進(jìn)行點(diǎn)位布設(shè)，6月完成初始值采集工作，截至2020年7月共完成9次監(jiān)測(cè)。

3.1 基準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)量

3.1.1 基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)

基準(zhǔn)網(wǎng)采用遠(yuǎn)離線路且穩(wěn)定的基巖水準(zhǔn)點(diǎn)作為高程起算點(diǎn)，并在沿2號(hào)線線路行駛方向上選取3個(gè)穩(wěn)定的基巖點(diǎn)作為工作基點(diǎn)，組成了圖5所示的監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)。

圖5 監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)示意圖

基準(zhǔn)網(wǎng)以4個(gè)基巖水準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)成閉合水準(zhǔn)路線，測(cè)量采用標(biāo)稱精度為 ±0.3 mm/km的天寶DINI03電子水準(zhǔn)儀，并配備相應(yīng)的銦瓦水準(zhǔn)尺按照軌道一等幾何水準(zhǔn)測(cè)量的要求進(jìn)行施測(cè)。觀測(cè)頻率為每年復(fù)測(cè)一次、截至2020年7月，共觀測(cè)4次。

3.1.2 數(shù)據(jù)處理

(1)水準(zhǔn)標(biāo)尺尺長(zhǎng)誤差改正

本項(xiàng)目所采用的水準(zhǔn)尺為因瓦條碼水準(zhǔn)尺，平差計(jì)算前應(yīng)對(duì)測(cè)量的高差數(shù)據(jù)進(jìn)行尺長(zhǎng)誤差改正。按測(cè)段進(jìn)行高差改正，改正量計(jì)算公式為：

△h=0.01×(Hi+1-Hi)

其中，Hi及Hi+1為測(cè)段兩端點(diǎn)的近似高程值。

(2)水準(zhǔn)面不平行改正

南昌軌道交通工程2號(hào)線首通段為南北走向，長(zhǎng)度約 20 km，兩點(diǎn)地球重力值受緯度影響有一定的差異。按照《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》進(jìn)行水準(zhǔn)面不平行誤差改正。

將改正后的測(cè)段數(shù)據(jù)采用科傻(COSA)軟件以距離為權(quán)倒數(shù)進(jìn)行嚴(yán)密平差計(jì)算，表1為3個(gè)工作基點(diǎn)4期的高程值。

工作基點(diǎn)各期高程值(單位/m) 表1

3.1.3 數(shù)據(jù)分析

依據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)范》(JGJ8-2016)5.4節(jié)要求，沉降基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性檢驗(yàn)分析應(yīng)符合下列規(guī)定：

①基準(zhǔn)點(diǎn)網(wǎng)復(fù)測(cè)后，對(duì)所有基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)分別按兩兩組合，計(jì)算本期平差后的高差數(shù)據(jù)與上期平差后高差數(shù)據(jù)之間的差值。

②當(dāng)計(jì)算的所有高差差值均不大于按下列公式計(jì)算的限差時(shí)，認(rèn)為所有基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定：

式中：δ為高差差值限差(mm)；n為兩個(gè)點(diǎn)之間的測(cè)站數(shù)；μ為對(duì)應(yīng)精度等級(jí)的測(cè)站高差中誤差(mm)；

按照《建筑變形測(cè)量規(guī)范》(JGJ8-2016)中表3.2.2取值，根據(jù)本項(xiàng)目測(cè)量精度，μ值為 0.15 mm。

根據(jù)上述公式可得，各段高差限差及各點(diǎn)穩(wěn)定性如表2所示。

基準(zhǔn)網(wǎng)各期檢測(cè)高差較差 表2

由以上分析數(shù)據(jù)可知，工作基點(diǎn)均處于穩(wěn)定狀態(tài)，但考慮到監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)的精度要求，尤其是相對(duì)精度要求明顯高于施工控制網(wǎng)精度，為減少基巖點(diǎn)自身高程精度對(duì)后期監(jiān)測(cè)網(wǎng)的約束影響，監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)的高程值以初始測(cè)量值為準(zhǔn)[6]。

3.2 沉降監(jiān)測(cè)

沉降監(jiān)測(cè)按照《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》(GB/T 50308-2017)二等水準(zhǔn)的技術(shù)要求，在上行隧道區(qū)間、下行隧道區(qū)間各布置一條附合水準(zhǔn)線路，水準(zhǔn)線路聯(lián)測(cè)該區(qū)間的所有沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，地面工作基點(diǎn)與地下監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過車站樓梯進(jìn)行上下水準(zhǔn)測(cè)量[7，8]。如圖6所示。

圖6 沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)示意圖

3.2.1 數(shù)據(jù)處理

將改正后的測(cè)段數(shù)據(jù)采用科傻(COSA)軟件以測(cè)站為權(quán)倒數(shù)進(jìn)行嚴(yán)密平差計(jì)算，本項(xiàng)目平差分為三個(gè)區(qū)段進(jìn)行平差，分別為：

第一區(qū)段：地鐵大廈站～臥龍山站；

第二區(qū)段：臥龍山站～站前南路站；

第三區(qū)段：站前南路站～南路站。

計(jì)算時(shí)采用地面基巖工作基點(diǎn)為高程起算點(diǎn)，按附合線路進(jìn)行平差。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析

本項(xiàng)目共完成監(jiān)測(cè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)3 952個(gè)，其中車站479個(gè)，明挖隧道618個(gè)，盾構(gòu)隧道 2 855個(gè)，根據(jù)各期監(jiān)測(cè)點(diǎn)位累計(jì)變化量繪制表3，統(tǒng)計(jì)各累計(jì)變化值的區(qū)段占比，直觀獲取整條線路在監(jiān)測(cè)期間的整體變形與安全狀況。

將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按照上、下行線選取部分監(jiān)測(cè)期數(shù)分別繪制明挖及盾構(gòu)段累計(jì)沉降量曲線圖，圖7、圖8分別為第2期、第6期、第8期、第9期累計(jì)沉降量曲線圖。

各期累計(jì)沉降量統(tǒng)計(jì)表 表3

圖7 2號(hào)線首通段累計(jì)沉降量曲線圖

圖8 2號(hào)線差異沉降量曲線圖

根據(jù)圖7、圖8可以得出：

(1)整條隧道出現(xiàn)了不同程度的上升和下沉，上下行線的變化規(guī)律較為相似，整體變形量控制在預(yù)警范圍內(nèi)，對(duì)結(jié)構(gòu)和行車無礙，可正常運(yùn)營(yíng)通車；

(2)在里程為SK14+000與XK14+000(大崗站～生米站區(qū)間)至2019年開始，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示隧道整體結(jié)構(gòu)明顯上升，經(jīng)實(shí)地踏勘和分析，產(chǎn)生明顯變化的原因?yàn)椋孩偈┕ぴ颍核淼郎戏竭M(jìn)行管廊施工，隧道上部土方開挖后導(dǎo)致隧道上方土方卸力，隧道整體隆起；②地質(zhì)原因：地質(zhì)條件較差，主要以砂層為主，上層土方卸力后，地層反應(yīng)較大，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)隆起；

(3)線路差異沉降量均小于2 mm，均附合小于規(guī)范0.04%×L=2.4 mm(L為兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為 6 m)的要求，對(duì)行車影響較小，可正常運(yùn)營(yíng)。

4 結(jié) 論

(1)在地鐵隧道變形分析中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注車站與隧道結(jié)構(gòu)的差異沉降，若隧道與車站均處在均勻沉降中，對(duì)結(jié)構(gòu)和行車是無礙的。

(2)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性是影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵因素，基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定與否直接決定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的正確性，所以在監(jiān)測(cè)過程中對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性分析尤為關(guān)鍵。

(3)利用監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量統(tǒng)計(jì)圖表可以直觀獲取整條線路在監(jiān)測(cè)期間的整體變形趨勢(shì)，便于地鐵管理部門的正確決策。

(4)當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示隧道出現(xiàn)較大的沉降變形時(shí)，應(yīng)立即對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，防止因數(shù)據(jù)測(cè)量或處理錯(cuò)誤導(dǎo)致隧道發(fā)生變形，在數(shù)據(jù)核實(shí)無誤后，應(yīng)密切關(guān)注周邊是否存在施工，發(fā)現(xiàn)異常情況后應(yīng)立即報(bào)告業(yè)主單位。