俄羅斯圣彼得堡淺埋地鐵的監(jiān)測

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

采用對開挖面施加主動土壓力的現(xiàn)代機械化盾構(gòu)，有可能在圣彼得堡任何地層中開挖隧道，采用以連續(xù)墻為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑可以在其中進(jìn)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(qū)段進(jìn)行淺埋地鐵施工。最近?20?年以來，圣彼得堡汲取世界建設(shè)地下結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗，推廣了新的地鐵結(jié)構(gòu)方案、襯砌方案和施工組織方案。

地下結(jié)構(gòu)新的施工方法和施工工藝，引起周圍地層應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的變化，從而對施工安全、“襯砌-地層”系統(tǒng)的穩(wěn)定性，乃至地面沉降產(chǎn)生影響。

1 土工監(jiān)測的目的和監(jiān)測內(nèi)容

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

最先在第四紀(jì)地層中開挖區(qū)間隧道，采用的是對開挖面施加主動土壓力的盾構(gòu)，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(qū)間隧道。對雙線隧道施工產(chǎn)生影響的建筑物有：環(huán)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(yù)報危急情況以及通報“隧道-周圍地層”系統(tǒng)的作業(yè)情況，土工監(jiān)測包括以下內(nèi)容。

（1）對地下結(jié)構(gòu)：監(jiān)測襯砌應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)；監(jiān)測襯砌背后空隙的填實情況；考慮現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗算。

（2）對被擾動的地層：預(yù)測開挖面前方的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況；監(jiān)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(jiān)測，監(jiān)測地表沉降。

2 區(qū)間隧道拼裝式襯砌的量測

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

圖1 雙線區(qū)間隧道襯砌中的應(yīng)變計布置（單位：mm）

圖2 雙線區(qū)間隧道襯砌外側(cè)和內(nèi)側(cè)應(yīng)變和法向力

通過量測某一隧道斷面襯砌的應(yīng)力值及其內(nèi)輪廓的變形，便可以“最小的成本”評估其他區(qū)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(qū)段襯砌的內(nèi)輪廓變形，而不必量測襯砌的應(yīng)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(zhì)區(qū)段的隧道襯砌中都預(yù)埋了應(yīng)變計。

如果不研究隧道周圍巖土的物理力學(xué)特性，就不能正確評價襯砌的承載能力。通常，用于設(shè)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(shè)計階段采用的由勘測提供的巖土特性數(shù)據(jù)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(zhì)量，因為每一種技術(shù)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(jiān)測襯砌背后注漿的質(zhì)量采用的是超聲層析法和地質(zhì)雷達(dá)，在此基礎(chǔ)上，提出修正回填注漿技術(shù)參數(shù)的建議。

隧道周圍巖土可能產(chǎn)生的變形合在一起傳播到地表。在這一階段，有可能從數(shù)量上評估地面的變形。在設(shè)計階段，完成對沉降槽的預(yù)測，根據(jù)土工計算結(jié)果可以將隧道周圍的變形與地面變形進(jìn)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(yōu)化選擇隧道盾構(gòu)施工中的工作技術(shù)參數(shù)——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(hù)地面房屋和建筑物的土工監(jiān)測，應(yīng)該把伸長計的量測置于首位。用大地測量（指水準(zhǔn)儀量測）監(jiān)測房屋上設(shè)置的水準(zhǔn)測點時，出現(xiàn)的變形往往是已經(jīng)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(jìn)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(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的控制參數(shù)接近臨界值時能及時采取措施，采用實時控制的自動系統(tǒng)進(jìn)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(shù)進(jìn)行必要的調(diào)整。

圖?4?是用伸長計量測地層變形的一個實例。量測持續(xù)時間的確定，是考慮地層變形與盾構(gòu)工作參數(shù)的關(guān)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(dāng)向襯砌背后注漿的壓力超過計算值，地面出現(xiàn)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(jié)果立刻反映到地面上。

圖3 雙線區(qū)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(jié)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(shù)參數(shù)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(xiàn)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(jiān)測系統(tǒng)。宏觀觀測和儀器監(jiān)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(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸。

對布設(shè)在雙線隧道施工影響區(qū)內(nèi)的房屋結(jié)構(gòu)監(jiān)測點2?年來持續(xù)量測的結(jié)果說明，裂縫張開只與溫度有關(guān)，出現(xiàn)的裂縫寬僅為?2?mm，而且不再有進(jìn)一步的擴(kuò)大。在全部量測時間內(nèi)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(jié)構(gòu)裂縫張開的觀測未再繼續(xù)進(jìn)行。

5 對車站框架結(jié)構(gòu)的量測

對于建在涅夫斯克—瓦西列島地鐵線西北區(qū)段，和伏龍芝半徑線東南延伸線區(qū)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(fù)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(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的土工監(jiān)測結(jié)果。從結(jié)構(gòu)建造伊始，綜合采用結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變和結(jié)構(gòu)內(nèi)輪廓變形的量測，可以形成結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)最完整的概念。圖?6?展示在淺埋車站結(jié)構(gòu)橫斷面埋設(shè)的應(yīng)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(shù)算不上新穎，它早就用于房屋結(jié)構(gòu)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(gòu)通過車站，這項技術(shù)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(jié)構(gòu)，其特點是在同一個建筑空間里，以連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)內(nèi)包含了站廳層、站臺層和所有的技術(shù)用房。建造這類結(jié)構(gòu)車站，從基坑周邊施工連續(xù)墻開始，預(yù)定開挖雙線隧道的盾構(gòu)將穿過端部的連續(xù)墻，端部墻體用混合材料制成，使盾構(gòu)刀盤易于切割通過。

在完成連續(xù)墻、樁-柱結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)穿過車站后，進(jìn)行基坑挖土，建造承載結(jié)構(gòu)。

圖?7?表示板的一個節(jié)點的內(nèi)力形成圖，由此可以看出從頂部到底部開挖土方、建造結(jié)構(gòu)的各個階段。

6 土工監(jiān)測的其他任務(wù)

土工監(jiān)測除了研究車站結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的任務(wù)外，還包括下列任務(wù)。

（1）對地下結(jié)構(gòu)：控制連續(xù)墻的施工質(zhì)量，用傾斜計監(jiān)測連續(xù)墻的位移，根據(jù)現(xiàn)場研究結(jié)果進(jìn)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(jiān)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(jiān)控地表和房屋沉降。

每項土工監(jiān)測任務(wù)是獨立進(jìn)行的，但它們又是互補的。在對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行詮釋和分析時，排除可能的錯誤概率。

“襯砌-土體”應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的研究在土工監(jiān)測中完成，成為驗算和修正施工技術(shù)的基礎(chǔ)，這也是減小施工風(fēng)險和運營風(fēng)險的重要因素。今天所得到的淺埋地鐵施工經(jīng)驗證明，違反技術(shù)規(guī)則的結(jié)果會瞬時反映到地面。因此，在進(jìn)行類似工程的設(shè)計和施工時必須充分考慮施工經(jīng)驗。

監(jiān)測結(jié)果對于證實與否定施工對現(xiàn)有房屋建筑物的影響發(fā)揮重要作用，進(jìn)而排除了關(guān)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(jié)構(gòu)的應(yīng)變計布置（單位：mm）

圖7 板結(jié)構(gòu)混凝土受壓、受拉側(cè)的應(yīng)變和法向力

7 結(jié)束語

土工監(jiān)測應(yīng)成為設(shè)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(zhí)行，這應(yīng)成為現(xiàn)代施工企業(yè)踐行“科學(xué)施工”的自覺要求，因為它與提高施工質(zhì)量、規(guī)避風(fēng)險、保證施工安全有關(guān)，它與提高施工企業(yè)的競爭力、占領(lǐng)和角逐市場有關(guān)。凡是有遠(yuǎn)見的、不甘心原地踏步的施工企業(yè)都會關(guān)注這一方面。

“以最小的成本”評估區(qū)間隧道拼裝式襯砌環(huán)的承載能力是一個很巧妙的思路，簡單易行，成本極低。盾構(gòu)開挖區(qū)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(diào)整盾構(gòu)工作參數(shù)的重要參考。以樁墻（或連續(xù)墻）作圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑，且以逆筑法修建（多跨、多層）車站框架結(jié)構(gòu)的方法，被認(rèn)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.