地鐵盾構隧道下穿運營線路的形變分析

張立亞，張宏梅，祝傳廣，高小王

(1. 湖南科技大學煤炭資源清潔利用與礦山環境保護湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201； 2. 湖南科技大學建筑與城鄉規劃學院，湖南 湘潭 411201)

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地鐵盾構隧道下穿運營線路的形變分析

張立亞1，張宏梅2，祝傳廣1，高小王2

(1. 湖南科技大學煤炭資源清潔利用與礦山環境保護湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201； 2. 湖南科技大學建筑與城鄉規劃學院，湖南 湘潭 411201)

地鐵修建過程中穿越運營地鐵線路時，需動態監測結構和軌道的安全狀態。本文以深圳地鐵某區間盾構隧道穿越過程為例，利用測量機器人(TS30)，以2 h/次的頻率對隧道、道床監測點進行全程觀測。斷面數據分析表明：①9號線右線、左線穿越垂距1.80 m的左線過程，疊加應力使得2個主斷面及之間斷面的水平收斂增加，而穿越垂距6.0 m的右線，水平收斂最大值為0.82 mm，可忽略穿越過程及疊加應力對斷面水平收斂的影響；②9號線右線單獨穿越后，最大沉降點在正交斷面(7-1和7-2)，而左線穿越過程，受疊加應力的影響在第四和五階段最大下沉點轉移至兩個正交斷面間(6-1和6-2)；③穿越過程均表現為從刀盤到達隧道邊界至穿越結束期間對各點沉降影響較大，這期間應增大監測頻率至0.5 h/次；④整個穿越過程應重點監測斷面3-1—9-1，即30 m的核心影響區域，其余斷面最大沉降不超過3 mm。

盾構穿越；測量機器人；水平收斂；軌道變形

當前，我國經濟發展使城市人口迅速增長，隨之而來的交通擁擠、阻塞，對人們的日常生活產生了很大的消極影響。為緩解這種現象，近年來政府在公共交通尤其在地鐵修建方面投入巨大。盾構法因其安全、高效在地鐵修建中被越來越多的線路所采用，但仍不可避免地在穿越既有的建(構)筑物，尤其是在穿越運營地鐵隧道時對運營線路的安全性帶來一定的挑戰。

盾構隧道掘進會引起地表沉降[1-2]，當前主要使用Leica TCA系列[3-4]對穿越既有建(構)筑物的隧道變形進行監測，分析大多只針對隧道某一部位的監測數據進行；部分學者在工程實際中也采用液體靜力水準儀[5]進行監測，而這種方法只能測量垂直方向的形變情況；有的學者[6-7]使用數值模擬與現場監測相結合的方法對隧道的三維形變進行模擬分析，獲得了部分有益成果，但地質條件多變，仍需實測數據檢核；有的學者[8]采用室內相似模型方法通過埋設位移傳感器研究隧道開挖過程對上、下線路的變形影響；另有學者[9]采用數學方法計算盾構的幾個參數，然后結合經典力學方法計算隧道穿越過程引起的變形；也有學者的研究集中在對隧道形變控制的自動化系統的研究上[10]。而目前對結構和軌道實時進行形變監測的研究還較少。

本文以深圳在建地鐵9號線下穿運營1號線為例，以左、右線穿越過程正上方斷面為正交面，在可能的影響范圍內按照5～10 m的斷面間隔(各9個)布設監測點(拱腰和道床)，使用TS30以2 h/次的頻率對穿越過程進行自動化監測。刀盤掘進至不同距離時，利用每個斷面的一對拱腰點的三維坐標計算水平收斂值；根據盾構機與運營線路不同的空間位置，分析隧道水平收斂、道床沉降和平順度、相鄰軌道的差異沉降，再結合運營線路左、右線與掘進隧道垂距的不同，通過綜合分析來獲得軌道變形與盾構隧道推進位置的動態關系，對比兩種垂距各自變形的特點，達到安全施工、優化監測點布設和調制盾構機參數的目的。

一、工程及地質概況

深圳地鐵某區間下穿運營地鐵1號線，該地區建筑物較密集，交通便利，人口眾多，地勢也十分平坦。原始地貌為河谷沖洪積平原，近年來經過人為的回填，使地勢變得平坦，標高為3.20～4.00 m。下伏地層依次為：素填土層、淤泥質黏土層、中粗砂層、圓礫層、可塑狀殘積層、全風化變質砂層、強風化變質砂層和強風化糜棱巖層。地面被建筑物、道路覆蓋，原始地貌不復存在或變得極為模糊。在建隧道主要穿越強風化糜棱巖層，運營隧道分布地層從圓礫層到強風化糜棱巖層之間。

在建區間隧道長度為824.506 m，隧道的直徑均為6 m，左、右線間距為11.7 m，埋深20.6 m；運營隧道直徑6.0 m，左、右線間距16.3 m，左線埋深12.8 m，右線埋深8.2 m，既有1號線左線隧道底與擬建線路隧道之間最小凈距1.8 m，右線距在建隧道垂距為6.0 m。

二、自動化監測

1. 監測斷面的布設

按照《鐵路隧道監控量測技術規程》(TB 10121—2007)，在盾構施工影響范圍內的地鐵1號線左、右線隧道內各布設9個變形監測斷面，左、右線編號依次為：2-1—10-1和2-2—10-2；其中3-1—9-1和3-2—9-2斷面間距約為5～6 m，其他斷面間距10 m；監測斷面布點如圖1所示。每個監測斷面對稱布設4個點：2個拱腰點和2個道床軌面點，部分監測點的位置及編號見表1。

圖1 變形監測斷面布設

1號線左線正交斷面5?17?1拱腰點軌面點拱腰點軌面點68266829683668396836683969276928

2. 監測設備及頻率

本次穿越采用TS30測量機器人進行自動化監測，儀器測角精度為0.5″，測距精度0.6 mm+1×10-6D，能夠滿足高精度測量的要求。盾構左右線下穿1號線期間，監測頻率為2 h/次，當重要斷面沉降值變化較大時，依次增加重要監測斷面的監測頻率，整個觀測過程輔以人工監測，以自動化監測為主。按照風險控制指標要求，各軌道點的沉降控制值為-10 mm、上浮為+1.5 mm；道床平順度4.0 mm/10 m，上、下軌道差異沉降4 mm。

3. 監測方法

本工程采用Leica TS30配合L型小棱鏡測量隧道的水平位移、收斂變形和沉降。數據處理采用Leica配套的SmartMonitor軟件，包含SmartMonitor監測器和SmartAnalyzer分析器兩個模塊。監測網由基準點和監測點組成，在左、右線監測范圍內各布設9個監測斷面和4個后視點(基準點，最遠距離約100 m)，基準點分布在離變形區兩端較遠的地方，以保證其穩定，每個斷面分別在兩腰和道床上布設4個監測點。

第1次觀測時，先人工概略照準每個目標，儀器自動精確照準，用方向法觀測各點的方向值及距離，多次觀測的數據經平差后，作為以后變形監測數據處理的初始值。從第2次觀測開始，每次測站必須利用差分基準點測量出本次測量的測站三維坐標，然后自動監測系統測量、差分、平差計算出該次各監測點坐標值(Xi，Yi，Zi)，并計算出每一對監測點在水平方向的變形值(DX,DY)和沉降方向變形值(DZ)。

三、數據分析

右線先掘進下穿，穿越過程監測時間從2014年10月13日23:00—10月25日09:00貫通為止，左線后掘進下穿，監測時間從2014年12月04日09:00—12月07日19:00貫通。

由于篇幅限制，右線掘進過程不再列舉，只分析左線穿越過程(代表了運營線路的最終變形情況)對1號線左線、右線的影響規律。

1. 左、右線隧道水平收斂分析

如圖1所示，坐標原點表示盾構機頭剛好在中心線上，橫軸表示盾構頭與1號線左(右)隧道中心線的相對距離，其中正值表示盾構機頭經過原點后超出左(右)中心線的距離，負值表示盾構機頭未到達原點時距離左(右)中心線的距離；縱軸表示點位的累計沉降。

由圖2可以看出，在盾構機穿越左線過程中，斷面3-1、4-1和正交斷面5-1的水平收斂值的波動相對較大。斷面4-1的水平收斂值從刀盤位于3.34 m處開始先增加后減小，之后又增大，最后趨穩，在刀盤位于9.67 m處水平收斂值最大為1.08 mm；斷面3-1和5-1的水平收斂值在整個穿越過程一直波動，均在21.87 m達到最大，分別為0.63和1.10 mm斷面，相比右線穿越后的最大值(1.10和1.71 mm)，左線穿越產生的疊加應力使得水平收斂值減小；正交斷面7-1的水平收斂從盾構機初始位置到位于15.01 m的過程緩慢增大，最大水平收斂值為2.60 mm；斷面6-1的水平收斂值在-8.99 m前產生波動，最大值為3.61 mm，之后幾乎無變化。

圖2 1號線左線斷面水平收斂動態曲線

由圖3可知，盾構機在9號線左線掘進穿越1號線右線隧道時，各斷面的水平收斂值均集中在1 mm以內，整個過程斷面6-2和7-2水平收斂值變化相對較大，分別在4.91和8.05 m(-1.95 m)達到最大值，均為0.82 mm，斷面7-2水平收斂值的變化量最大為0.29 mm(第1—3階段)，斷面3-2、4-2和5-2的初始水平收斂值分別為0.40、0.22和0.32 mm，當盾構機位于-7.29 m時水平收斂值最大,分別為0.54、0.61和0.60 mm。可見9號線右、左線分別盾構穿越1號線右線的過程，水平收斂值均很小。

注：為便于與圖2水平收斂波動對比，取縱軸最大值為4 mm。圖3 1號線右線斷面水平收斂動態曲線

由左、右線水平收斂曲線綜合分析可知，當上下隧道垂距1.8 m時，隨著盾構機推進，受疊加應力影響，各監測斷面水平收斂值相對較大，最大水平收斂值在6-1斷面為3.50 mm，左線穿越過程引起的波動范圍在0.61～1.35 mm間；而當上下隧道間距6.0 m時，隨著盾構機推進，各斷面水平收斂值最大為0.82 mm(6-2和7-2斷面)，左線推進過程引起的波動也較小，因此，在這種間距下，下方穿越對運營隧道的水平收斂值影響很小，可忽略不計。

2. 左、右線道床沉降分析

以各斷面分析點的位置為橫坐標，縱軸表示點位的各階段累計沉降或累計沉降差。階段劃分如下：

盾構掘進至監測隧道首次產生變形為第1階段，盾構刀盤剛到既有隧道邊界為第2階段，盾構刀盤到達既有隧道軸線正下方為第3階段，盾尾剛離開既有隧道另一邊界為第4階段，至監測數據達到穩定為第5階段。

由圖4可以看出，盾構機在9號線左線掘進時，1號線左線上道床的沉降總趨勢：隨著盾構機的掘進，道床的沉降累計值越來越大，正交斷面5-1(6827)的沉降變化量最大。第1—3階段在正交斷面7-1(6837)處累計沉降值、斜率最大，分別達到-5.7、-5.9、-6.0 mm和-4.5 mm/10 m、-4.3 mm/10 m、-4.2 mm/10 m(斷面5-1—6-1間)；第4、5階段在斷面6-1(6832)處累計沉降最大，分別達到-8.4、-10.3 mm，最大斜率出現在斷面4-1—5-1間，為-7.2 mm/10 m；最大差異沉降出現在斷面6-1，為1.3 mm。

圖4 1號線左線上、下道床沉降曲線

盾構左線穿越1號線左線過程：第1—3階段，軌道各監測點沉降變化量較小，累計最大沉降位置在正交斷面7-1，最大斜率位置在斷面5-1—6-1；第4—5階段(刀盤位于隧道中心到盾尾出隧道邊界)，各監測點沉降量增大，其中5-1斷面沉降變化量最大為-3.7 mm，而累計最大沉降出現在受左、右線疊加影響的6-1斷面為-10.3 mm，最大斜率斷面在4-1—5-1。

由圖5可以看出，盾構機在9號線左線掘進時，1號線右線上道床的沉降總趨勢：1號線右線上道床在五個階段的沉降趨勢幾乎相同，其中第1—3階段在斷面7-2(監測點6937)處累計沉降值、斜率最大，分別達到-7.7、-7.9、-8.5 mm和-5.8 mm/10 m、-5.5 mm/10 m、-4.6 mm/10 m(斷面5-2—6-2間)；第4、5階段在斷面6-2(監測點6932)處累計沉降最大，分別達到-9.1、-9.5 mm，最大斜率出現在斷面3-2—4-2間，為-4.8 mm/10 m；最大差異沉降出現在斷面6-2，為1.3 mm。

盾構左線穿越1號線右線過程：第1、2階段，軌道各監測點沉降變化量較小，累計最大沉降位置在正交斷面7-2，最大斜率位置在斷面5-2—6-2；第3、4階段(刀盤進隧道到盾尾出隧道邊界)，各監測點沉降量增大，其中5-2斷面沉降變化量最大為-2.0 mm，而累計最大沉降出現在受左、右線疊加影響的6-2斷面為-10.8 mm；第5階段沉降變化量很小，而最大斜率為-4.8 mm/10 m，在斷面3-2—4-2間。

3. 超控制點(段)分析

在監測的隧道水平收斂、道床沉降、平順度和道床差異沉降4個指標中，隧道水平收斂最大值為3.6 mm，道床差異沉降為1.3 mm，無超限情況，位置均在斷面6-1；道床沉降出現2個超限點，平順度出現4個超限段，具體位置分布見表2。說明監測過程須重點監測主斷面及其之間的斷面點的變形情況。

圖5 1號線右線上、下道床沉降曲線

超限類型道床沉降平順度超限點(段)6832(6?1)6933(6?2)6822?6827(4?1—5?1)6832?6837(6?1—7?1)6823?6827(4?1—5?1)6833?6838(6?1—7?1)控制值-10mm4mm/10m監測值-10．3mm-10．8mm7．2mm/10m4．8mm/10m6．8mm/10m4．3mm/10m

四、結 論

1) 9號線右線、左線穿越垂距1.80 m的左線過程，疊加應力使得2個主斷面及之間斷面的水平收斂增大，最大值在6-1，為3.50 mm；而穿越垂距6.0 m的右線，水平收斂最大值為0.82 mm，可忽略穿越過程及疊加應力對斷面的水平收斂的影響。

2) 9號線右線單獨穿越后，最大沉降點在正交斷面(7-1和7-2)，而左線穿越過程，受疊加應力的影響在第4和5階段最大下沉點轉移至兩個正交斷面間(6-1和6-2)，最大沉降值為-10.8 mm，道床平順度最大為7.2 mm/10 m，均超控制值，最大差異沉降1.3 mm。

3) 9號線右線、左線穿越過程，1.80和6.0 m垂距的監測斷面，均表現對第3、4和5階段(從刀盤到達隧道邊界至穿越結束過程)各點沉降影響較大，這期間應增大監測頻率。

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Deformation Analysis of Metro Shield Line Under-crossing Operation Tunnel

ZHANG Liya，ZHANG Hongmei，ZHU Chuanguang，GAO Xiaowang

2016-01-08

湖南省教育廳科學研究項目(13C313)；湖南省科技廳科技計劃項目(2014FJ3104)；湖南科技大學煤炭資源清潔利用與礦山環境保護湖南省重點實驗室開放基金項目(E21505)

張立亞(1982—)， 男，博士，講師，主要從事深基坑、盾構隧道變形數據處理的教學與科研工作。E-mail：lyzhang47@163.com

張立亞，張宏梅，祝傳廣,等.地鐵盾構隧道下穿運營線路的形變分析[J].測繪通報，2016(11)：85-88.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0372.

P258

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0494-0911(2016)11-0085-04