運營中地鐵隧道變形的動態(tài)監(jiān)測方法及研究

摘要：上海地鐵隧道的變形及形變的因素有很多，包括地質條件、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、運營地鐵產生一定影響。如果不能對地鐵隧道重點區(qū)間進行全天候實時監(jiān)測，造成的后果難以估量。工程經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，對社會安定產生不良影響。該研究借助某工程施工監(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，主要使用設備為全站儀，可實現(xiàn)24 h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完成要求。監(jiān)測數據、采集數據可為后期施工提供一定的理論參考依據，為工程應用的順利實現(xiàn)打下良好的基礎。

關鍵詞：地鐵隧道；變形監(jiān)測；基坑施工；安全控制

中圖分類號：U457 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（c）-0083-02

近年來上海地鐵的運營里程的不斷增加，數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，為上海這座金融中心的提供了強大發(fā)展動力。隨著網絡化運營的發(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，運行期間相關操作人員嚴禁入內。當前也有采用電水平、三維激光等監(jiān)測技術，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，可在短期時間內完成隧道的變形監(jiān)測，并及時提交數據成果，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。

1 隧道監(jiān)測原則、要求分析

1.1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，需要根據工程對象的不同合理的設置施工步驟，不切有針對性的對重點位置進行實時動態(tài)監(jiān)測，重點關注建筑物及地下管線的安全問題.

1.2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。

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，需要在隧道內設置自動化監(jiān)測系統(tǒng)，借助先進儀器設備替代傳統(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，結合綜合樓的設計圖紙及上海市地鐵保護相關文件要求，確定監(jiān)測對象為地鐵區(qū)間隧道基坑沿線60 m及兩端延伸30 m位置，共計120 m。監(jiān)測內容主要包括基坑影響區(qū)域范圍內的隧道水平、垂直位移。

2 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，具體包括以下內容：Leica TS30全站儀、計算機、相關軟件、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。考慮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。

3 監(jiān)測結果的探討

3.1 監(jiān)測斷面點的布置

根據現(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5 m。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)。

3.2 監(jiān)測方案

首先，監(jiān)測組織，現(xiàn)場一般會成立一個盾構下穿監(jiān)測組，該小組需要及時與業(yè)主、施工方的密切配合，并對盾構下穿過程進行全程跟蹤，實現(xiàn)24 h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、盾構機操控室電話相連接，一般間隔0.5 h便會進行一次位移觀測，間隔1 h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、監(jiān)測數據，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、專家可結合自動化監(jiān)測數據信息進行調整，控制土倉壓力、千斤頂推力、注漿壓力等滿足施工要求。并可再次對觀測數據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水平的大幅提升。

其次，監(jiān)測結果分析。從圖2中分析可以得出下述幾點結論：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，原因在于隧道結構較為敏感，一般需要借助盾構機進行土倉壓力的控制，避免隧道結構進一步沉降；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，盾構機脫離4號線行進至穩(wěn)定區(qū)域后，盾構參數仍較為穩(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，無法對地鐵結構物產生過多負面影響。該項目中左線穿越完成后，最大累計沉降為7.0～7.1 mm，在變形控制規(guī)定范圍之內；第三，右線穿越后，由于現(xiàn)場設備發(fā)生的故障問題，導致盾構機掘進時間延長，在地鐵其他線軌區(qū)內停留時間過長，引起了隧道結構的過渡沉降，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，地鐵結構的重疊影響極為嚴重，反應靈敏度增加，但是其他盾構參數仍維持在較為穩(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，累計數據為（9.0±0.2）mm之內；左右累計沉降為（16.0±0.2）mm，均在變形控制范圍之內；第五、穿越完成后，需要加強后續(xù)監(jiān)測，提高隧道結構變形、沉降變形的管理和預測。結果表明，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，相關設備，尤其是盾構機的參數不滿足最佳狀態(tài)，需要根據工程特點及時進行設備的調節(jié)，保證盾構機可及時轉換狀態(tài)，提高參數設置的合理性，保證監(jiān)測數據達到穩(wěn)定、均勻的狀態(tài)。endprint

4 隧道變形影響因素分析

4.1 施工期的影響

地鐵施工變形的主要原因在于：盾構機推動周邊土壤、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、施工工藝等將會對土體產生負面影響，隧道施工變形一般是均勻的，在量值區(qū)間內，對縱向變形的負面影響相對較少。

4.2 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、設備、工廠等，容易產生地表加載作用，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，進而會產生較為輕微的隧道下土層下沉問題。

4.3 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部運動，產生明顯的隆起問題。

5 結語

該研究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完成所需的動態(tài)監(jiān)測。借助監(jiān)測數據、監(jiān)測結果可為后期基坑施工打下良好基礎，提供準確的指導數據。

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