明挖淺埋湖底地鐵隧道上方大面積加卸載下的變形監測研究

賀磊，郭文章，段偉，張利凱

(南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210005)

明挖淺埋湖底地鐵隧道上方大面積加卸載下的變形監測研究

賀磊*，郭文章，段偉，張利凱

(南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210005)

淺埋湖底地鐵隧道上方大面積加卸載易導致隧道結構產生不均勻沉降和隆起，引起隧道結構病害，而隧道上方有水土壓力，且長期處于高水位狀態，對地鐵隧道使用存在較大安全隱患。本文通過湖底隧道上方加卸載施工中自動化監測的工程實例，介紹了自動化實時監測的技術要點和施工控制措施，并對實測數據與有限元模擬計算值進行對比分析，對以后類似的工程實施有一定的參考價值。

湖底隧道；明挖淺埋；地鐵隧道自動化監測；加卸載；HS模型；有限元分析

1 引 言

隨著社會經濟高速發展，無錫市近年正大力興建地鐵工程，下穿隧道由于噪聲小，使用舒適等優點，成為地鐵工程的必然選擇，有不少區段采用明挖淺埋穿越城市公園、人工湖底等方式進行地鐵下穿隧道的施工。采用明挖淺埋法穿越湖泊隧道有其特殊性，上部水土荷載大，且長期處于高水位狀態，隨著周邊工程開發，若上方有大面積加卸載施工，難免會使下方隧道結構產生隆沉變形，引起隧道結構病害，對隧道維護和結構耐久性帶來較大影響，可能會縮短其使用壽命，并對地鐵運營帶來安全隱患。地鐵工程關乎民生大計，對湖底地鐵工程上方大面積加卸載施工期間，地鐵結構自動化實時監測與安全評價顯得尤為重要。

根據《無錫市軌道交通條例》和有關規范規定，淺埋湖底地鐵隧道上方大面積加卸載施工影響等級為特級，為保證地鐵結構的安全，應對地鐵結構現狀和外部作業影響進行安全評估，并宜對影響范圍地鐵結構進行不間斷全方位實時監測。通過實時監測，及時掌握在施工過程中既有地鐵隧道結構產生的變化，判斷既有結構的安全，為外部施工和地鐵結構維護提供數據依據[1～4]。

本文以無錫地鐵保護區監測項目為例，在淺埋湖底地鐵區間上方大面積加卸載施工周期內，采用自動化監測系統對地鐵結構變形實施監測，并對實測數據與有限元模擬計算值進行對比分析，為施工提供及時可靠的數據，對可能發生的危及環境安全、地鐵結構安全的隱患提供及時、準確地預報，讓有關各方做出反應、最大可能地避免事故的發生，并為相似項目提供監測經驗。

2 工程概況

項目位于錫東新城核心區，在地鐵區間上方的映月湖新建擋水墻，地鐵區間位于湖水正下方，在工程實施前將映月湖湖水抽干，擋水墻施工完成后進行湖水回灌，恢復正常水位。新建擋水墻采用鋼筋混凝土懸臂式結構，上部采用亞克力擋水板，擋水墻東西向布置，上跨地鐵線路，長度總計約 165 m，項目中心處地鐵區間結構正上方，地鐵影響范圍約 368 m，工程與地鐵平面位置圖如圖1所示。

圖1 工程與地鐵平面位置圖

對應段地鐵區間結構頂部離湖底豎向距離約為 3.2 m，湖水深約 1.6 m～1.9 m，遠期控制水深約為 2.1 m，擋水墻底板施工土方開挖卸載，開挖深度約 0.6 m～0.8 m。擋水墻附近區間隧道為單孔單線矩形混凝土結構，左右線間距為 16 m。結構尺寸：凈寬 4.6 m、凈高 5.06 m，頂板厚 0.6 m、底板厚 0.7 m、側墻厚 0.6 m。工程與地鐵結構立面位置圖如圖2所示。

3 有限元分析

在地鐵框架區間隧道上方進行大面積加卸載施工，把地鐵隧道模擬為彈性地基梁，將加卸載施工引起的土體自由場位移作為邊界條件施加于地基梁上，采用MIDAS-GTS建立三維有限元計算模型，分析卸載和加載兩種工況下湖底隧道的變形情況。土體本構采用HS模型，參數如下(黏性土、粉土：E50≈2Eoed，Eur≈3E50，m≈0.8)：

土層計算參數 表1

2號線區間采用線彈性殼單元，壩基采用三維線彈性實體單元，本構參數采用對應等級混凝土參數，為正確獲得施工前地層地應力，將2號線區間實施過程進行模擬。

本工程與映月湖中央公園其他相關工程統籌考慮，在擋水墻施工前將湖水抽干，擋水墻施工完成后進行湖水回灌，施工期間均會對下方地鐵結構受力產生較大影響。

(1)映月湖現狀常水位約1.303 m～1.603 m，水深約 1.603 m～1.903 m，抽水后隧道上方荷載變化，引起地鐵區間變形與結構受力變化，地鐵結構底板最大上浮量計算值為 4.37 mm。

(2)擋水墻底板施工土方開挖卸載，開挖深度約 0.6 m～0.8 m，擋水墻施工荷載，引起地鐵區間變形與結構受力變化，地鐵結構底板累積最大上浮量計算值為 3.95 mm。

(3)湖水回灌荷載增加，對地鐵區間變形與結構受力影響，地鐵結構底板累積最大上浮量計算值為 0.52 mm。

(4)噴泉檢修抽水及檢修完成后水位恢復，對地鐵區間變形與結構受力影響，其中噴泉小池抽水后底板累積最大上浮量計算值為 3.96 mm，小池水位恢復后累積最大上浮量計算值為 0.52 mm。

4 自動化監測及數據分析

4.1 監測系統及測點布設

本項目地鐵左、右線使用全自動化監測，共使用2套Leica TM30(0.5″，0.6+1 ppm)測量機器人進行自動化數據采集，左、右線各使用1臺，24小時對地鐵結構進行變形觀測，全天候監測地鐵結構形變。采用自主研發的“地鐵隧道結構自動化監測系統”進行網絡化管理[5]，從數據采集、處理、分析、傳輸及分發，形成高度智能化、自動化的監測管理系統。監測成果包括：垂直位移、水平位移、差異沉降、垂直度等測項。

根據工程施工特點，本次地保監測項目分為2個監測區段，第1段為抽灌水影響段，長度 263 m，每 20 m布設一個監測斷面；第2段為抽灌水、擋水墻施工共同影響區，長度 89 m，每 5 m布設1個監測斷面。工作基點布設圖如圖3所示，斷面監測棱鏡布設圖如圖4所示。

圖3 工作基點布設圖

圖4 監測斷面棱鏡布設圖

該矩形隧道區段左、右線共布設54個自動化監測斷面，每個斷面根據監測需要及現場環境布設4個L型監測小棱鏡(如圖4所示)。

4.2 監測實施及效果

在工作基點上安置測量機器人并與RTU相連接，通過“地鐵隧道結構變形自動化監測系統”遠程控制測量機器人，對基準點、工作基點、監測點進行數據采集和數據通信管理，系統通過實時無線發送監測數據成果，實現全自動化實時監測。

垂直位移、拱頂沉降、水平位移監測點參與整網平差計算，在工作基點平差成果的基礎上采用極坐標方法計算獲取X、Y、Z，客觀的反映地鐵結構變形情況。

監測期間自動化監測系統穩定可靠，運行良好，通過自動化實時監測和數據分析，并結合現場巡查實時掌控隧道結構的動態變形，及時反饋并提出合理化建議，為管理部門指導施工的決策提供引導方向，施工過程中通過采取一系列有效措施，較好地控制了隧道變形。本項目的地鐵保護安全監測達到了使項目順利施工的同時保證了地鐵隧道結構和運營安全的目的，圓滿完成了本工程的監測任務，也為后續地保監測積累了經驗。

5 監測分析

自動化監測周期自2月27日持續至9月12日，其后跟蹤期及檢修期間采用人工方式進行監測。在本項目監測周期內，以施工段正下方地鐵隧道結構自動化垂直位移為例，進行隧道結構變形分析，垂直位移變化量曲線如圖5所示。

圖5地鐵隧道變形時程曲線(mm)

監測數據顯示，映月湖公園抽水施工卸載引起地鐵區間整體上浮，變形較為顯著，擋水墻施工采取分區開挖較好的控制其對地鐵區間結構的影響，開挖卸載區間結構進一步上浮，區間結構均發生不同程度的上浮，上浮量主要產生在映月湖水抽排階段，且有較明顯的滯后效應，根據自動化實時監測數據，相關單位采取對隧道上方堆載、少量回灌湖水等措施控制上浮變形趨勢，自動化數據顯示控制措施效果明顯，保證了地鐵結構安全。

為保證湖水回灌期間地鐵結構下沉可控，依據前期監測數據，首先回灌噴泉小池，再回灌映月湖，回灌期間進行分層緩慢回灌，加載期間區間結構下沉較明顯，且有一定的滯后影響，期間結構變形可控。

擋水墻內噴泉檢修時，分時段進行抽排水，并嚴格控制噴泉抽水的輸出量，降水卸荷引起區間結構產生小幅上?。粐娙〕貦z修完畢分層回灌水位后，結構上浮有所回落。整個監測期間累積變形體現為沉降，根據長期結構監測數據分析，工前該區間存在一定的自然沉降，項目階段最終的沉降變形主要為自然沉降量，與零狀態相比，施工完成后隧道沒有明顯新增病害，整體良好。

實測及計算數據對比表 表2

自動化監測與前期預測數據產生差異的主要原因有：第一，施工期間根據實時監測數據，采取了相應的施工措施，一定程度上控制了變形發展；第二，軟土固結沉降有一定的滯后性；第三，前期預測未考慮一定的工后沉降。

6 結 論

大面積加卸載施工易引起下方隧道結構的變形，對地鐵運營形成安全隱患。本文通過地鐵保護區自動化監測項目實例，對明挖淺埋湖底地鐵上方大面積加卸載下地鐵結構變形進行分析，在外部工程施工前對地鐵結構變形進行分析和預測，根據施工期間實時自動化監測數據，相關方及時采取應對措施，并根據后續實時監測，對施工進行合理調整，有效地控制了施工對地鐵的影響，體現了自動化監測在地鐵保護區監測項目中的重要性和必要性，也為以后類似工程提供一定的實踐經驗。

[1] 賀磊，許誠權，陸曉勇等. 測量機器人自動化測量在地鐵結構變形監測中的應用[J]. 城市勘測，2015(1)：137～139.

[2] 儲征偉，鐘金寧，段偉等. 自動化三維高精度智能監測系統在地鐵變形監測中的應用[J]. 東南大學學報·自然科學版，2013，43(S2)：225～229.

[3] 儲征偉，段偉，趙兵帥等. 多元回歸與頻譜分析在地鐵自動化監測數據分析中的應用研究[J]. 測繪通報，2014(S1)：1～3.

[4] 張志偉，胡伍生，黃曉明. 線性回歸模型精化方法[J]. 東南大學學報·自然科學版，2009，39(6)：1279～1280.

[5] 黃維華，岳榮花，張學華等. 地鐵隧道結構變形監測信息管理系統的開發[J]. 現代測繪，2008，31(1)：23～25.

ResearchonAcrosstheLakebedMetroTunnelDeformationMonitoringDuetoLarge-scaleLoadingandUnloading

He Lei，Guo Whenzhang，Duan Wei，Zhang Likai
(Nanjing Institute of Surveying，Mapping & Geotechnical Investigation，Co.，Ltd，Nanjing 210005，China)

A large area of loading and unloading easily lead to uneven settlement and uplift of the cut shallow lake tunnel，resulting in the damage of the tunnel structure，the tunnel above the soil and water pressure，and long-term high water level，there is a big security risk. This paper through the subway automatic monitoring project during the cut shallow lake tunnel top loading and unloading，introduces the automatic real-time monitoring technology and construction control measures，and the measured data with the calculated values are compared and analyzed，have certain reference value for future similar project implementation.

lake tunnel；cut shallow；subway tunnel automated monitoring；loading and unloading；HS model；finite element analysis

1672-8262(2017)06-114-04

TU196

B

2017—02—26

賀磊(1982—)，男，碩士，高級工程師，主要從事精密工程測量及地鐵結構變形監測工作。

江蘇省科技支撐計劃項目(BE2014026)