俄羅斯圣彼得堡淺埋地鐵的監測

圣彼得堡地鐵通常被認為是世界上最深的地鐵之一，平均埋深?60?m。車站和區間隧道深埋在不透水的密實的寒武紀黏土中，在其上部透水的第四紀地層中只埋設預定安裝自動扶梯的斜隧道，以及通向車庫的區間隧道支線。建造這些隧道采用最復雜的施工方法，預先凍結土壤才能開挖施工，保證采用的襯砌結構不透水。

采用對開挖面施加主動土壓力的現代機械化盾構，有可能在圣彼得堡任何地層中開挖隧道，采用以連續墻為圍護結構的基坑可以在其中進行多層、多跨的車站施工。

目前，與在城市中心采用深埋地鐵的同時，在新的施工區段進行淺埋地鐵施工。最近?20?年以來，圣彼得堡汲取世界建設地下結構的經驗，推廣了新的地鐵結構方案、襯砌方案和施工組織方案。

地下結構新的施工方法和施工工藝，引起周圍地層應力應變狀態的變化，從而對施工安全、“襯砌-地層”系統的穩定性，乃至地面沉降產生影響。

1 土工監測的目的和監測內容

土工監測對計算原理的精確化、對開挖隧道的安全性產生重要作用。對每一地下建筑物提出的土工監測任務，取決于對周圍環境評估的需要，土工監測是設計文件的一個組成部分。

最先在第四紀地層中開挖區間隧道，采用的是對開挖面施加主動土壓力的盾構，位于“南方”—“杜納伊斯基大街”—“光榮大街”伏龍芝半徑線。這段隧道是俄羅斯地鐵歷史上首次采用外徑?10.3?m?的雙線區間隧道。對雙線隧道施工產生影響的建筑物有：環形公路、鐵路線路、房屋和建筑物、有軌電車線路和公路。

為了評估對施工的不利影響、及時預報危急情況以及通報“隧道-周圍地層”系統的作業情況，土工監測包括以下內容。

（1）對地下結構：監測襯砌應力應變狀態；監測襯砌背后空隙的填實情況；考慮現場監測結果進行結構驗算。

（2）對被擾動的地層：預測開挖面前方的工程地質和水文地質情況；監測被擾動地層的深部變形，確定被擾動地層實際的變形-強度特性。

（3）對既有房屋和地面：對房屋的宏觀觀測和儀器監測，監測地表沉降。

2 區間隧道拼裝式襯砌的量測

從襯砌拼裝成環開始，量測砌塊中的應變和襯砌內輪廓的變形，由此可以獲得襯砌中應力應變狀態最完整的概念（圖?1、圖?2）。

圖1 雙線區間隧道襯砌中的應變計布置（單位：mm）

圖2 雙線區間隧道襯砌外側和內側應變和法向力

通過量測某一隧道斷面襯砌的應力值及其內輪廓的變形，便可以“最小的成本”評估其他區段隧道襯砌的承載能力。所謂“最小的成本”是指只需要量測其他區段襯砌的內輪廓變形，而不必量測襯砌的應力。然而，為了可信地確定沿線隧道襯砌的承載能力，在穿過各種地質區段的隧道襯砌中都預埋了應變計。

如果不研究隧道周圍巖土的物理力學特性，就不能正確評價襯砌的承載能力。通常，用于設計計算襯砌的周圍巖土的變形-強度特性是按地震波形圖確定的。然而，在設計階段采用的由勘測提供的巖土特性數據并不是總能符合實際。

重要的是控制襯砌背后空隙的注漿質量，因為每一種技術方案都有自己的注漿配方。考慮施工的速度，必須選擇速凝早強的漿液，使襯砌盡早與巖土共同作用。監測襯砌背后注漿的質量采用的是超聲層析法和地質雷達，在此基礎上，提出修正回填注漿技術參數的建議。

隧道周圍巖土可能產生的變形合在一起傳播到地表。在這一階段，有可能從數量上評估地面的變形。在設計階段，完成對沉降槽的預測，根據土工計算結果可以將隧道周圍的變形與地面變形進行比較。因此，如果確定了隧道周圍被擾動地層的變形，即可判斷地表變形。

3 地層變形的量測

為了確定地層變形，可以采用伸長計（圖?3）。利用深部伸長計的量測可以優化選擇隧道盾構施工中的工作技術參數——對開挖面施加的主動壓力和向襯砌背后采用的注漿壓力。

保護地面房屋和建筑物的土工監測，應該把伸長計的量測置于首位。用大地測量（指水準儀量測）監測房屋上設置的水準測點時，出現的變形往往是已經超過了房屋本身剛度之后的傾斜，因此，采取對策（例如對房屋地基采取補償注漿）的有效性大大降低。此外，定期進行的手工量測，不能及時反映土體的松弛過程。

為了在“隧道-地層”系統的應力應變狀態的控制參數接近臨界值時能及時采取措施，采用實時控制的自動系統進行量測，這不僅從定量上來說是必要的，而且可以做到為減小地層變形對開挖技術進行必要的調整。

圖?4?是用伸長計量測地層變形的一個實例。量測持續時間的確定，是考慮地層變形與盾構工作參數的關系，還考慮襯砌上部地層變形的傳播速度。

在隧道上方，沒有工程管廊，當向襯砌背后注漿的壓力超過計算值，地面出現了隆起和裂縫（圖?5）。與此同時查明了隧道上部厚?12?m?的土壤，實際上沒有壓縮，超大的注漿壓力的結果立刻反映到地面上。

圖3 雙線區間隧道上方的鉆孔以及其中的伸長計布置

基于這些研究結果，可以確定影響土體位移的主要因素，并提出修正施工技術參數的建議。

圖4 在同一鉆孔中的伸長計測得的土體變形

圖5 襯砌背后的過高壓力注漿造成地面出現的裂縫

4 對地面房屋和建筑物的量測

為了評估施工對既有房屋和建筑物的影響，采用固定的土工監測系統。宏觀觀測和儀器監測（裂縫計和測斜計）起了重要作用，傳感器的量測是自動的，數據通過互聯網遠程傳輸。

對布設在雙線隧道施工影響區內的房屋結構監測點2?年來持續量測的結果說明，裂縫張開只與溫度有關，出現的裂縫寬僅為?2?mm，而且不再有進一步的擴大。在全部量測時間內累積的裂縫張開，如果不考慮溫度因素，裂縫寬度不到?0.5?mm。所以，對房屋結構裂縫張開的觀測未再繼續進行。

5 對車站框架結構的量測

對于建在涅夫斯克—瓦西列島地鐵線西北區段，和伏龍芝半徑線東南延伸線區段的淺埋車站綜合體，原則上制定了新的建筑方案，無論是站廳層還是站臺層，都為乘客提供了寬敞而舒適的空間。

車站空間形狀的復雜性需要某種程度的簡化計算，為了精確計算圖式和完成可信的計算，借助了確定地下結構應力應變狀態的土工監測結果。從結構建造伊始，綜合采用結構中的應變和結構內輪廓變形的量測，可以形成結構應力應變狀態最完整的概念。圖?6?展示在淺埋車站結構橫斷面埋設的應變計。

新的圣彼得堡地鐵車站在基坑中用逆筑法施工，這項技術算不上新穎，它早就用于房屋結構的深埋部分，但考慮到車站尺寸長?180?m、寬?40?m，以及雙線隧道盾構通過車站，這項技術在今天來說，可以說是獨一無二的。

立柱式車站是多跨框架結構，其特點是在同一個建筑空間里，以連續墻作為圍護結構，框架結構內包含了站廳層、站臺層和所有的技術用房。建造這類結構車站，從基坑周邊施工連續墻開始，預定開挖雙線隧道的盾構將穿過端部的連續墻，端部墻體用混合材料制成，使盾構刀盤易于切割通過。

在完成連續墻、樁-柱結構、盾構穿過車站后，進行基坑挖土，建造承載結構。

圖?7?表示板的一個節點的內力形成圖，由此可以看出從頂部到底部開挖土方、建造結構的各個階段。

6 土工監測的其他任務

土工監測除了研究車站結構應力應變狀態的任務外，還包括下列任務。

（1）對地下結構：控制連續墻的施工質量，用傾斜計監測連續墻的位移，根據現場研究結果進行驗算。

（2）對被擾動的土體：確定靜水壓力，借助鉆孔中的傾斜計和伸長計監控深部土壤變形。

（3）對既有建筑物和地面：宏觀觀測和儀器量測監控地表和房屋沉降。

每項土工監測任務是獨立進行的，但它們又是互補的。在對監測結果進行詮釋和分析時，排除可能的錯誤概率。

“襯砌-土體”應力應變狀態的研究在土工監測中完成，成為驗算和修正施工技術的基礎，這也是減小施工風險和運營風險的重要因素。今天所得到的淺埋地鐵施工經驗證明，違反技術規則的結果會瞬時反映到地面。因此，在進行類似工程的設計和施工時必須充分考慮施工經驗。

監測結果對于證實與否定施工對現有房屋建筑物的影響發揮重要作用，進而排除了關于地鐵施工對房屋等建筑物影響判斷中的無端猜測。

圖6 淺埋車站承載結構的應變計布置（單位：mm）

圖7 板結構混凝土受壓、受拉側的應變和法向力

7 結束語

土工監測應成為設計文件的一個組成部分，并在施工中與施工計劃一起得到切實執行，這應成為現代施工企業踐行“科學施工”的自覺要求，因為它與提高施工質量、規避風險、保證施工安全有關，它與提高施工企業的競爭力、占領和角逐市場有關。凡是有遠見的、不甘心原地踏步的施工企業都會關注這一方面。

“以最小的成本”評估區間隧道拼裝式襯砌環的承載能力是一個很巧妙的思路，簡單易行，成本極低。盾構開挖區間隧道，利用“地層損失量”估算“地面沉降量”，不失為便捷易行的初估方法，并可作為及時調整盾構工作參數的重要參考。以樁墻（或連續墻）作圍護結構的基坑，且以逆筑法修建（多跨、多層）車站框架結構的方法，被認為雖不新穎、但稱得上是“適得其所”的施工方法。

[1] М. О. Лeбeдeв，Р. И. Ларионов，Г. Д. Егоров，иgp.Гeотeхничeский мониторинг при строитльствe санктпeтeрбyрского мeтрополитeна на малых глyбинах[J].Мeтро и Тоннeли，2016（6）：19-23.