基于地鐵隧道的整體道床沉降監(jiān)測(cè)及病害分析

摘 要：【目的】地鐵地下線隧道工程由于地質(zhì)條件不良或其他因素影響，會(huì)引起隧道及軌道整體道床發(fā)生不均勻沉降變形，為防止地鐵運(yùn)營(yíng)期間隧道及附屬結(jié)構(gòu)因沉降變形而產(chǎn)生不良病害，對(duì)地鐵行車安全造成影響，有必要對(duì)隧道整體道床結(jié)構(gòu)變形及隧道病害進(jìn)行研究?！痉椒ā客ㄟ^應(yīng)用監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)地鐵隧道整體道床進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，并運(yùn)用無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)隧道整體道床產(chǎn)生的病害進(jìn)行分析，進(jìn)而掌握地鐵隧道的健康狀況。【結(jié)果】監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，地鐵隧道道床病害區(qū)段出現(xiàn)輕微下沉，道床基底混凝土存在脫空及松散現(xiàn)象。這為后期病害整治工程提供技術(shù)支持，并據(jù)此采取相應(yīng)的安全防治措施?！窘Y(jié)論】研究成果為保障地鐵正常安全運(yùn)營(yíng)提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵；整體道床；沉降監(jiān)測(cè)；病害分析；雷達(dá)探測(cè)

中圖分類號(hào)：U231.94" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2024）23-0069-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.23.014

Settlement Monitoring of Monolithic Track Bed and Defect Analysis Based on Subway Tunnels

FANG Guanzhou

（Shenzhen Metro Operation Group Co.， Ltd.， Shenzhen 518000， China）

Abstract： [Purposes] Due to poor geological conditions or other factors， the underground line tunnel project in the subway may cause uneven settlement and deformation of the monolithic track bed of the tunnel and track. In order to prevent the adverse diseases caused by the settlement and deformation of the tunnel and its auxiliary structure during the operation of the subway， which will affect the safety of the subway， it is necessary to study the deformation of the monolithic track bed structure and the tunnel diseases. [Methods] By applying monitoring technology to analyze the settlement monitoring data of the monolithic track bed of the subway tunnel， and using non-destructive testing technology to analyze and study the diseases caused by the overall track bed of the tunnel， the health status of the subway tunnel can be grasped. [Findings] The monitoring results show that there is a slight subsidence in the disease section of the track bed of the subway tunnel， and there is a void and loose phenomenon in the concrete of the track bed， which provides technical support for the later defect remediation project and corresponding basis for taking" safety prevention measures accordingly. [Conclusions] The research results provide practical reference value for ensuring the normal and safe operation of the subway.

Keywords： subway; monolithic track bed; settlement monitoring; defect analysis; radar detection

0 引言

隨著粵港澳大灣區(qū)城市建設(shè)進(jìn)程的不斷深入發(fā)展，城市功能不斷輻射擴(kuò)容，深圳作為大灣區(qū)核心城市，將加快城市軌道交通地下建筑空間資源的開發(fā)。地鐵具有線路多、運(yùn)營(yíng)里程長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，地鐵隧道病害問題也較為復(fù)雜，為保證地鐵交通行車安全，定期做好地鐵隧道監(jiān)測(cè)保護(hù)工作是非常必要的。

地鐵隧道道床板是整體道床連接成的軌道板，屬于無砟軌道結(jié)構(gòu)。整體道床板（軌道板）澆筑在隧道仰拱上，是隧道的附屬結(jié)構(gòu)，道床板與基底混凝土之間由高性能的乳化水泥瀝青砂漿（CA砂漿）填充。軌道板具有強(qiáng)度大、剛度大、軌道幾何尺寸形位穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)耐久、需要維修少等優(yōu)點(diǎn)［1］。整體道床在列車荷載及溫度應(yīng)力的作用下容易產(chǎn)生彎曲變形。隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，變形累積會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降或者橫向位移，導(dǎo)致軌頂高程發(fā)生變化、軌道中心線偏移等病害。道床板豎向受力若產(chǎn)生突變，將會(huì)引起道床板彎曲、上拱隆起或鋼軌變形等病害。因此，地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)及病害分析研究非常重要。

1 隧道整體道床沉降監(jiān)測(cè)控制相關(guān)技術(shù)

1.1 道床沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)要求

根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50911—2013）的有關(guān)技術(shù)要求，監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)宜采用城市軌道交通工程高程系統(tǒng)［2］。根據(jù)技術(shù)規(guī)范中變形監(jiān)測(cè)的相關(guān)要求，并結(jié)合地鐵線路自身健康狀況，為達(dá)到監(jiān)測(cè)精度標(biāo)準(zhǔn)，采用國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)方法。測(cè)量?jī)x器采用高精度電子水準(zhǔn)儀或全站儀，地鐵線路測(cè)量的視線長(zhǎng)度、視距差、往返測(cè)不符值、環(huán)線閉合差等指標(biāo)應(yīng)符合《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》（GB/T 12897—2006）中的相關(guān)技術(shù)要求［3］。

1.2 監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)

依據(jù)深圳市軌道交通安全保護(hù)區(qū)的相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，地鐵整體道床監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)采用三級(jí)預(yù)警機(jī)制，即黃、橙、紅分別代表預(yù)警值（6 mm）、報(bào)警值（8 mm）、控制值（10 mm），根據(jù)嚴(yán)重程度來判斷監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)體的安全狀態(tài)，并采取不同的響應(yīng)措施。當(dāng)變形值達(dá)到控制值的60%（6 mm）時(shí)，發(fā)出黃色預(yù)警；當(dāng)變形值達(dá)到控制值的80%（8 mm）時(shí)，發(fā)出橙色報(bào)警；當(dāng)超過控制值（10 mm）時(shí)，發(fā)出紅色報(bào)警。

1.3 工程實(shí)例分析

1.3.1 工程概況。深圳地鐵2號(hào)線紅樹灣站區(qū)間隧道位于深圳南山區(qū)深圳灣超級(jí)總部基地附近，車站周邊有高大建筑正在施工，2號(hào)線隧道沿著白石路三路下穿深灣二路左轉(zhuǎn)彎穿過神州數(shù)碼基坑開挖施工項(xiàng)目工程。由于該基坑距離地鐵隧道凈距較小，地層水位發(fā)生變化，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性將產(chǎn)生不利影響。為此，需要實(shí)施隧道整體道床沉降監(jiān)測(cè)作業(yè)。

1.3.2 隧道整體道床監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。隧道道床垂直位移監(jiān)測(cè)成果見表1。

由表1可知，本期高程數(shù)據(jù)與上期對(duì)比，監(jiān)測(cè)點(diǎn)RC009沉降變化值（垂直位移值）最大，本期沉降變化量最大值為5.8 mm，依據(jù)監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)，接近黃色預(yù)警值（6 mm），相鄰的監(jiān)測(cè)點(diǎn)5至11號(hào)點(diǎn)位垂直位移變化值與兩邊點(diǎn)位對(duì)比，發(fā)生下沉現(xiàn)象，但未觸及預(yù)警值。對(duì)本期道床540 m范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，隧道道床中間部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)位有輕微下沉趨勢(shì)，下沉位置里程主要集中在K15+360至K15+540之間，長(zhǎng)度范圍約為180 m，其余點(diǎn)位數(shù)據(jù)變化值相對(duì)平穩(wěn)正常，如圖1所示。本次沉降變化在安全可控范圍內(nèi)，不影響地鐵正常運(yùn)行。

2 隧道整體道床下沉與病害原因分析

2.1 軌道道床下沉原因分析

本研究對(duì)紅樹灣站區(qū)間隧道道床下沉進(jìn)行分析，本次下沉主要受外部因素變化影響。

首先，地鐵車站及隧道附近有高大建筑基坑工程正在開挖施工，對(duì)隧道周圍土壓力平衡產(chǎn)生了一定的不利影響。隧道道床下沉主要發(fā)生在K15+360至K15+540區(qū)段，該區(qū)段為盾構(gòu)隧道，距離神州數(shù)碼深大基坑開挖施工位置最近，與距離基坑較遠(yuǎn)處的隧道存在沉降差異。

其次，受近期暴雨影響，該區(qū)段地鐵隧道外圍地下水增多，地質(zhì)水文條件發(fā)生了一定變化。地下水聚集于隧道周圍并形成擠壓狀態(tài)，隧道底部完全被水浸泡，在列車動(dòng)態(tài)荷載作用下，該區(qū)段隧道防水薄弱處會(huì)出現(xiàn)輕微下沉現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)隧道側(cè)邊有積水，軌道道床側(cè)邊混凝土輕微破損，隧道管片縫隙滲水，道床存在橫向裂紋、滲漏水、兩側(cè)翻漿冒泥、鋼軌設(shè)備銹蝕等次生病害。

2.2 隧道道床病害原因分析

地鐵運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)隧道道床病害，除了地鐵建設(shè)施工質(zhì)量差異以外，主要原因如下。

①列車荷載反復(fù)振動(dòng)影響。地鐵開通運(yùn)營(yíng)前期，病害破壞情況比較少見，隧道整體道床并未出現(xiàn)沉降變形現(xiàn)象，直至開通運(yùn)營(yíng)幾年后，發(fā)現(xiàn)隧道滲漏水、道床裂紋現(xiàn)象增多，可見運(yùn)營(yíng)列車振動(dòng)效應(yīng)致使隧道道床產(chǎn)生病害是最明顯、最直接的［4］。

②隧道積水及滲漏水是造成隧道道床病害的重要原因。隧道地質(zhì)條件富含地下水，地下水長(zhǎng)期滲透作用造成隧道底部、道床兩側(cè)積水，由于道床結(jié)構(gòu)變形縫處存在防水缺陷，造成道床滲漏水病害。積水在道床和仰拱的填充層間流動(dòng)，在列車動(dòng)荷載作用下致使填充層的砂漿或微粒物被流水侵蝕沖刷至兩側(cè)水溝中，隨著滲漏水的持續(xù)影響，軌道道床兩側(cè)水溝出現(xiàn)翻漿冒泥現(xiàn)象，造成道床底部間隙加大，甚至脫空。滲漏水的侵蝕加快掏空道床底部，底部掏空又使積水生成加快，周而復(fù)始形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致整體道床發(fā)生不均勻下沉。若變形下沉較大，會(huì)造成道床裂縫裂紋增多變寬，甚至開裂破損，加劇病害的進(jìn)一步發(fā)展。因此，滲漏水病害侵蝕道床底部是造成道床變形下沉的重要因素。

3 地鐵隧道道床病害安全防治措施

3.1 根據(jù)不同病害應(yīng)采取相應(yīng)的防治措施

①針對(duì)滲漏水，制定防排水方案，采取排堵結(jié)合的綜合治理措施［4］。在隧道整體道床水溝兩邊建立集水排水通道，及時(shí)排出積水，壓力水流應(yīng)鉆孔泄壓，裂縫滲水應(yīng)采用膨脹防水材料進(jìn)行注漿封堵。

②針對(duì)整體道床底部脫空下沉或翻漿冒泥現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行注漿填充補(bǔ)強(qiáng)［5］，采取加固密實(shí)抬升整體道床至設(shè)計(jì)高度、加設(shè)調(diào)高軌枕墊板等綜合整治措施，防止道床進(jìn)一步下沉和橫向位移，加強(qiáng)地鐵隧道結(jié)構(gòu)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，恢復(fù)地鐵線路平順性，保證軌道結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

③針對(duì)有下沉差異的病害區(qū)段，應(yīng)增加監(jiān)測(cè)頻率，并加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)，要多檢測(cè)、勤維護(hù)，準(zhǔn)確掌握隧道病害的發(fā)展?fàn)顩r，有異常應(yīng)及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息。特別對(duì)隧道重點(diǎn)監(jiān)控病害地段，應(yīng)編制隧道整體道床應(yīng)急搶修預(yù)案，搭建軌道交通合理運(yùn)營(yíng)維護(hù)體系［6］。

3.2 運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.2.1 軌道檢測(cè)技術(shù)。針對(duì)因整體道床下沉病害導(dǎo)致地鐵線路軌道出現(xiàn)三角坑、水平、軌距、軌道平面高程、前后高低等幾何尺寸數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象，可運(yùn)用軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x及時(shí)檢測(cè)地鐵線路軌道靜態(tài)幾何尺寸，對(duì)軌道線路健康狀況做出評(píng)判，及時(shí)調(diào)整軌道尺寸至正常范圍內(nèi)，防止軌道設(shè)備變形，避免因道床病害導(dǎo)致行車顛簸，確保地鐵行車的平順性和舒適性。

3.2.2" 地質(zhì)雷達(dá)無損探測(cè)技術(shù)。雷達(dá)探測(cè)技術(shù)原理為利用高頻電磁波反射脈沖的傳播形式，由地面通過天線T傳播進(jìn)入地下結(jié)構(gòu)層，經(jīng)地層結(jié)構(gòu)或探測(cè)目標(biāo)體反射后再次返回地面，反射信號(hào)被另一天線R所接收，如圖2所示，圖中V為地下介質(zhì)電磁波傳輸速度；Z為探測(cè)物體距離地面縱向埋深；X為發(fā)射端和接收端的距離。雷達(dá)能檢測(cè)介質(zhì)結(jié)構(gòu)、幾何形態(tài)、介質(zhì)屬性及介質(zhì)空間分布特征。根據(jù)測(cè)線布置進(jìn)行探測(cè)，通過地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌厚度檢測(cè)數(shù)據(jù)的優(yōu)化分析、襯砌脫空缺陷分界面和剛性信號(hào)分界面的拾取調(diào)整，進(jìn)而提升整體數(shù)據(jù)檢測(cè)精準(zhǔn)度的計(jì)算如下［7］。

①探測(cè)物體襯砌厚度的計(jì)算見式（1）。

[d=0.3t2εr]或[d=12v·t·10-9] （1）

式中：d為襯砌厚度，m；[εr]為相對(duì)介電常數(shù)；t為雙程旅行時(shí)間，ns；v為電磁波速，m/s。

②探測(cè)點(diǎn)反射界面深度計(jì)算見式（2）。

[h=vp?t2]" （2）

式中：h為界面深度，m；vp為縱波速度，m/s；t為反射波到達(dá)通道的時(shí)間，s。

3.2.3 雷達(dá)無損探測(cè)案例分析。地鐵2號(hào)線紅樹灣站兩種典型的道床病害實(shí)例檢測(cè)圖像如圖3和圖4所示，具體情況如下。

一是空洞或脫空。由圖3可知，道床0.5 m深度范圍內(nèi)，長(zhǎng)度約3 m襯砌界面反射信號(hào)強(qiáng)，產(chǎn)生較強(qiáng)的能量波，且存在多次反射信號(hào)，說明結(jié)合界面不夠緊密，有一定的空洞或脫空。

二是不密實(shí)、松散。由圖4可知，道床在0.4～0.5 m深度范圍內(nèi)，長(zhǎng)度約2 m襯砌界面反射信號(hào)強(qiáng)，出現(xiàn)弧形反射波，同相軸變形且不連續(xù)，反射雜亂，較分散，表明結(jié)構(gòu)不密實(shí)、松散。

研究表明，應(yīng)用無損檢測(cè)技術(shù)，通過降低軌道干擾信號(hào)影響，提高信噪比，可提高隧道底部病害異常體判別的準(zhǔn)確度［8］，達(dá)到病害超前預(yù)報(bào)的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

在地鐵隧道整體道床沉降變形監(jiān)測(cè)分析中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注隧道存在病害的區(qū)段，注意定期反復(fù)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)控制網(wǎng)，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行校驗(yàn)，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。隧道整體道床結(jié)構(gòu)隨著地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間的不斷累積，會(huì)發(fā)生一定的沉降變形，但變化值未超出控制指標(biāo)值且保持在穩(wěn)定可控的范圍內(nèi)波動(dòng)，不影響地鐵隧道主體結(jié)構(gòu)的安全。本研究合理運(yùn)用雷達(dá)探測(cè)等無損檢測(cè)技術(shù)，有效地開展了地鐵結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)分析，以消除地鐵線路安全隱患，確保地鐵行車安全，為維護(hù)地鐵安全提供了實(shí)用的參考價(jià)值。

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