運營中地鐵隧道變形的動態監測方法及研究

趙凌云

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、安保區違規施工等因素，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間進行全天候實時監測，造成的后果難以估量。工程經驗表明地鐵隧道一旦發生險情，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。本文借助某工程施工監測狀況進行了分析，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監測，主要使用設備為全站儀，可實現24h無人值守連續監測，每次監測均可在地鐵運行間隔內完成要求。監測數據、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打下良好的基礎。

關鍵詞：地鐵隧道 變形監測 基坑施工 安全控制

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化，軌道交通大動脈的貫通，為城市高速發展奠定了基礎，為上海這座金融中心的提供了強大發展動力。隨著網絡化運營的發展，地鐵沿線周圍深基坑開挖作業不斷增多，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生。但上述一切要求需建立在對地鐵隧道變形的嚴密監控基礎上。常規地鐵變形監測方法主要有：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、全自動的監測方法，可在短期時間內完成隧道的變形監測，并及時提交數據成果，為臨近基坑施工及運營地鐵監護可提供更加可靠的參考依據。

一、隧道監測原則、要求分析

（一）隧道監測原則

隧道監測需要遵循以下原則：1.可靠性原則，作為監測中最為關鍵的原則，需要格外的注意，為了有效的提升監測的可靠性，可以采用高精度儀器，并注重對監測點位的保護；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測目的，主要采用儀器監測及巡檢的方法；3.重點區間監測原則，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監測，重點關注建筑物及地下管線的安全問題；4.方便實用性原則，從提高監測便利度，控制監測對施工干擾的角度出發，需要保證系統的安裝、測量等必須方便實用；5.經濟合理。系統設計時需要考慮儀器設備，儀器選擇方面，需要結合性能、價格等進行控制，保證檢測費用的合理。

（二）地鐵隧道變形監測的要求

首先，監測目的。運營地鐵隧道監測主要考慮隧道變形規律、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，為基坑開發提供合理的監測依據。

其次，監測要求。基坑施工是一個動態、連續工程，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監測。運營地鐵隧道中，一般大部分時間是全封閉狀態，不允許人員進入。為此，需要在隧道內設置自動化監測系統，借助先進儀器設備替代傳統人工操作，提高隧道水平、垂直方向監測的精確性。并且，需要考慮地鐵運行時間狀況，一般地鐵運行時間較短，監測系統需要實時監測受影響區域的隧道變形狀況。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，確定監測對象為地鐵區間隧道基坑沿線60m及兩端延伸30m位置，共計120m。監測內容主要包括基坑影響區域范圍內的隧道水平、垂直位移。

二、監測系統的組成

一套完整的自動化監測系統，一般無需外接干預，便可實現自動觀測、記錄、存儲、報表編制等功能。監測系統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對垂直和水平方面的測量，具體的監測系統示意圖如圖1所示。

三、監測結果的探討

（一）監測斷面點的布置

根據現場狀況、監測方案，某工程地鐵隧道區間布置了自動化監測斷面13個，每個斷面布置了5-7個監測點，一共86個監測棱鏡，斷面間距為5m。借助Leica TS30全站儀進行連續監測。人工監測17個、2個為收斂斷面、13個軌距與差異沉降斷面，還有兩個應變監測斷面，夜間停車后一般需要借助人工監測完成作業。

（二）監測方案

首先，監測組織，現場一般會成立一個盾構下穿監測組，該小組需要及時與業主、施工方的密切配合，并對盾構下穿過程進行全程跟蹤，實現24小時連續監測，借助自動化系統實現實時監測和指導作業的目的。監測施工中，監測組、盾構機操控室電話相連接，一般間隔0.5h便會進行一次位移觀測，間隔1h會形成一份完整的報告，每拼裝一環管片后，匯報一次掘進參數、監測數據，主要包括：行進速度、刀盤扭矩、注漿量及出土量等。監測工作具有準確、及時、高效的特點，可做到三方聯動效應，保證施工人員、專家可結合自動化監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。

一般狀況下，地鐵停運后需要及時進行人工復測，并與實時監控數據進行核對比較，保證整個監測作業的合理性，從而提高盾構穿越施工的安全等級。為了保證監測結果具有代表性，需要加強變形位置的合理選擇，一般選擇3個斷面，在每個斷面兩邊各取一點，分析其變化趨勢。endprint

其次，監測結果分析。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定，說明施工中，盾構機脫離4號線行進至穩定區域后，盾構參數仍較為穩定，可及時進行背后注漿、二次注漿管理。雖然后續仍有工后沉降，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7.0-7.1mm，在變形控制規定范圍之內；第三，右線穿越后，由于現場設備發生的故障問題，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定的區間，屬于勻速快速運行。6.9日之后，發生了少量沉降作用，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，需要加強后續監測，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律性，如初期沉降量較大，原因在于該類穿越是始發穿越，相關設備，尤其是盾構機的參數不滿足最佳狀態，需要根據工程特點及時進行設備的調節，保證盾構機可及時轉換狀態，提高參數設置的合理性，保證監測數據達到穩定、均勻的狀態。一般可根據監測數據判斷盾構機狀態，監測數據穩定、勻速，表明盾構機正在勻速、快速前進；如果數據出現少量突出數值，極大或極小數值，表明地質狀況可能發生改變，也有可能是盾構機、拼裝機等設備發生的問題，故障狀況下進行了監測，這種裝置需要及時停止設備運行，進行設備故障查找，并采取合理措施進行管理，避免沉降量過大引發的危害。當速調穿越施工結束后，如果發生微小沉降作用引發的變形，但是整個趨勢大體平緩，表面發生了滯后沉降作用，需要及時進行后續處理，如加強監測作業的時間等，結合項目施工特點進行管理。

四、隧道變形影響因素分析

（一）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，在量值區間內，對縱向變形的負面影響相對較少。

（二）隧道上方載荷

地表上方一般不是空曠區域，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，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。

（三）周邊基坑施工

地鐵隧道在四周開挖基坑作業中，可能會引發隧道變形，主要表現：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。

基坑開挖底部土體的斜向變形，如果基坑開挖失去部分土體，該土體的支撐作用會大打折扣，為此需要考慮基坑的擠推作用力等要素。基坑作業一般是先開挖、后支撐，周邊土體的作用力很明顯，一般都會產生水平位移。如果基坑深度不斷增加，基坑內外土體的高度差將會增加，四周土體均會有向中間運動的趨勢，將會引起基坑周邊發生快速沉降的問題。基坑周邊土體向下、向坑內運動，導致隧道斜下方會產生極為明顯的縱向變形問題，需要引起施工方的重視。

五、結語

本文針對地鐵隧道中的隧道變形問題、監測方法等進行了探討，主要探討了無人看守、實時監測、動態管理的方法。工程研究表明，監測系統可充分滿足系統工程的要求，具有監測速度快、精度高、負面影響小及自動化程度極高的優勢，可在地鐵運行時間內完成所需的動態監測。借助監測數據、監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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（作者單位：上海地鐵維護保障有限公司）endprint