緊鄰施工對地鐵隧道結構服役性態的自動連續監測與分析

彭瑜 李浩然 胡占東 周誠

（1 華中科技大學國家數字建造技術創新中心，武漢 430074；2 華中科技大學 土木與水利工程學院，武漢 430074;3 中國建筑第八工程局有限公司，上海 200122）

引言

隨著我國城市化進程的加快，城市地下軌道交通建設得到了快速發展，地下既有運營地鐵范圍大規模擴大，促使緊鄰地鐵施工項目數量增加。為了保護地鐵隧道結構和施工項目地下結構，往往在臨近地鐵隧道范圍內進行保護性施工，例如MJS 土體加固等，緊鄰施工必然會引起地鐵隧道周圍的土體擾動，對地鐵隧道結構造成不良影響[1]。

王立新等[2]基于正交試驗分析了水平凈距，豎直凈距等影響因素敏感性程度，采用室內模型試驗分析了基坑開挖對既有隧道影響的受力變形規律。劉宗輝等[3]針對樁基施工影響地鐵隧道的問題，從基本研究方法、主要影響因素和控制保護措施三個方面的研究進展進行綜述，指出尚可繼續研究的問題。楊軍等[4]依托有限元數值工具為研究手段，研究了采用鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁+預應力裝配式內支撐的聯合支護體系對保護地鐵隧道結構安全的作用。江杰等[5]提出了一種計算地面堆載引起的鄰近地鐵隧道變形的方法。謝宇飏等[6]分析全方位高壓噴射工法樁加固坑內土體施工引起下臥地鐵隧道變形及其規律。何小龍等[7]利用三維有限元模型，研究基坑開挖過程對地鐵區間隧道變形的影響。史劍[8]通過三軸攪拌樁施工過程工藝參數選擇及監測數據分析了對既有運營地鐵隧道的影響。然而，對TRD 施工、地下連續墻施工和MJS 土體加固階段對地鐵隧道結構服役性態的研究較少，因此基于地鐵隧道監測數據針對這三個施工階段進行詳細分析對解決隧道結構安全問題具有重要意義。

本文結合武漢市三鎮中心項目，介紹了緊鄰既有運營地鐵施工自動連續監測方案設計，對地鐵隧道拱頂沉降、道床沉降、水平位移和徑向收斂四個自動連續監測項目進行時序和空間位置分析，揭示了TRD 施工、地下連續墻施工和MJS 土體加固三個施工階段對地鐵隧道結構服役性態的影響，為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程布局

軌道交通2 號線由西北角至東南角橫穿武漢市三鎮中心項目而過，地鐵區間為中山公園站與青年路站。隧道采用盾構法施工而成，隧道外徑為6.00m，內徑為5.40m，盾構管片厚度為0.30m，采用高強度高性能混凝土預制管片，隧道結構頂部覆土厚度約12 ～14.6m。

根據目前階段建筑規劃方案，如圖1 所示，軌道交通2 號線將整個場地分為南北兩塊，兩側地下室均為地下四層。北區地下室和南區地下室之間結構外墻相距40m，兩個分區之間的地鐵上蓋共設置三處聯絡通道。南區和北側區地下建筑均位于軌道交通控制線以外6.2m；南區和北區基坑止水帷幕與地鐵隧道水平凈距約9.7m~10.2m。南區與北區之間地下通道底部與隧道頂豎向凈距約7.36~8.45m，位于軌道交通控制線范圍內。

圖1 平面概況圖

1.2 地質與水文條件

擬建場區地屬長江與漢江堆積平原一級階地地貌，整體起伏不大，地面標高20.87 ～22.81m,相對高差1.94m。擬建場地分布的巖土主要有：人工填積（Qml）層、第四系全新統沖積（Q4al）層、志留系泥巖（S2f）組成。武漢三鎮中心項目范圍內，左線隧道頂埋深12.5 ～14.66m，洞身位于④-1 粉砂層；隧道頂部以上主要為③-5 粉質粘土、粉土、粉砂互層等，隧道底部為④-2 細砂層等。該處基巖面埋深約53m。右線地層情況與左線類似，右線隧道頂埋深13.44 ～14.21m。

擬建場區地下水主要為上層滯水、孔隙承壓水、基巖裂隙水。上層滯水主要賦存于場地表層①層雜填土中，上層滯水水位埋深1.30 ～4.80 m之間，水位標高17.31～20.86m；孔隙承壓水主要賦存于④層粉細砂、細砂層、⑤圓礫中，該層地下水水位埋深10.2 ～10.5 m之間，水位標高11.09 ～11.47 m；基巖裂隙水主要賦存于底部泥巖裂隙之中，水量貧乏，勘察期間未觀測到該層地下水。

1.3 現場施工工況

本項目基坑開挖前階段，臨近地鐵隧道的施工階段主要包括三個階段：TRD 施工階段、地下連續墻施工階段和MJS 土體加固階段，相對位置關系如圖2 所示。由于本項目臨近地鐵隧道，基坑落底帷幕輪廓線較為復雜，對圍護結構止水成墻效果有較高的質量要求，為保證落底帷幕的連續性，在圍護結構臨近地鐵隧道一側采用TRD 工法施工。在TRD 成墻后進行地下連續墻施工，地下連續墻在圍護結構中起到止水抗滲、擋土等作用。由于南北區地下聯絡通道寬度較大、通道基坑開挖面距離地鐵隧道拱頂較近，因此對南北區地下聯絡通道兩側土體加固采用Φ1600@2000MJS工法重力壩（+20.00 ～+11.45m 深度范圍），南北區地下聯絡通道基礎土體加固采用Φ1600@2000MJS 工法地基加固（+15.45 ～+11.45m 深度范圍）。

圖2 地鐵隧道剖面圖

2 監測方案設計

2.1 監測點布置及監測項目

觀測地鐵隧道變形監測的基準點和監測點都只能布設在地鐵隧道的狹長空間中，高精度測量機器人建立固定式持續監測系統或移動式周期監測系統才是最好的選擇。無論是持續監測系統還是周期監測系統，基準點一般都位于兩端相對穩定的區域，而工作基點則必須設在變形區域內。原則上兩端應各布設至少3個基準點，在中間布設工作基點。工作基點不宜太多，且要便于進行變形點的監測。

如圖3 所示， 中山公園站～青年路站區間 監 測 里 程 為：YDK8+468 ～YDK8+913，ZDK8+452 ～ZDK8+917。 根據軌道交通工程運營期結構監測技術規程，其中影響等級為特級區 段（ 右DK8+580.475 ～ 右DK8+800.666， 左DK8+564.337 ～左DK8+804.753）3 米一個斷面，其余區段按9m 間距設置監測斷面，左右線預計各布設111處監測斷面。

圖3 監測點布置圖

變形監測每個斷面在軌道附近的道床上布設兩個沉降監測點，中腰位置兩側各布設兩個監測點，拱頂布設1 個監測點，即每個監測斷面布設5 個監測點，如圖4 所示。監測項目包括拱頂沉降、道床沉降、水平位移和徑向收斂。拱頂沉降和道床沉降分別通過1號和3、4 號監測點不同時間的高程變化來反映沉降；水平位移通過2 號監測點隧道曲率以及不同時間坐標變化，計算出點位在隧道徑向的位移；徑向收斂通過2、5 號監測點間距離計算隧道徑向距離，通過不同時間的徑向距離變化反映徑向收斂。

圖4 監測斷面剖面圖

2.2 監測設備及監測方法

本檢測項目在待監測隧道的左右兩側同一水平高度上鉆孔安裝L 型迷你棱鏡，與徠卡TM/TS 智能型全站儀配合使用，如圖5 所示。智能型全站儀在待監測范圍的中部位置選擇左右具備通視條件及距離適中處安裝固定，然后基于網頁端開發自動化監測軟件，定時啟動儀器，利用自動監測系統自動測量地鐵隧道結構在三維方向的變形位移值，通過無線網絡進行數據傳輸。采集的數據經軟件處理后，生成變形監測報表，如圖6 所示。隧道結構及收斂監測采用后方交會及極坐標測量原理進行觀測[9,10]，以測量各點的三維坐標。隧道沉降監測與隧道結構及收斂測量方式一致，使用徠卡TM/TS 智能型全站儀對沉降進行自動化監測，采用三角高程的原理。

圖5 L 型迷你棱鏡與徠卡TM/TS 智能型全站儀的安裝與固定

圖6 網頁端自動監測系統

圖7 拱頂累計沉降監測時序圖

圖8 道床累計沉降監測時序圖

圖9 水平位移監測時序圖

2.3 監測頻率及控制值設置

在地鐵隧道裂縫監測完成初始現狀調查后，結合現場情況制定了監測頻率及控制值，如表1 所示。其中，徑向收斂中“+”為徑向變大，“-”為徑向減小；沉降變形中“+”為上浮，“-”為下沉；水平位移中左線“+”為向右，右線“+”為向左。“變形速率”按30 天變化量計算。

表1 監測頻率及預警值表

3 監測結果與安全性分析

如圖6~9 所示，本文根據本項目監測點布置和實際施工位置，左線隧道等距離選取地鐵主要影響區域內的Z25、Z41、Z55、Z70、Z84 和地鐵主要影響區域外的Z10、Z100 共七個監測斷面進行監測數據分析，右線隧道等距離選取地鐵主要影響區域內的Y10、Y25、Y41、Y55、Y70、Y84 和地鐵主要影響區域外的Y10、Y100 共七個監測斷面進行監測數據分析，記錄了從3 月11 日至7 月31 日包含TRD 施工階段、地下連續墻施工階段和MJS 土體加固階段在內的隧道結構的變化。

如圖10~圖12 所示，根據實際施工重要節點，選取3 月11 日、4 月30 日、7 月1 日和7 月30 日作為地鐵隧道狀態節點，記錄了這4 個節點的隧道變形空間位置分布。

圖10 徑向收斂監測時序圖

圖11 拱頂累計沉降空間分布圖

圖12 道床累計沉降空間分布圖

如圖13 所示，根據隧道徑向收斂大小劃分成四個等級，按徑向收斂大小從小到大依次一般變形、顯著變形、大變形、嚴重變形；對斷面賦予四種顏色。其中，徑向收斂絕對值小于0.5mm 為綠色，大于0.5mm 且小于1.0mm 為黃色，大于1.0mm 且小于1.5mm 為橙色，大于1.5mm 為紅色。

圖13 水平位移空間分布圖

如圖14 所示，選取鄰近MJS 施工位置Z31、Y30、Z70 和Y70 共四個變形最明顯的斷面做變形分析，記錄了4 月1 日、5 月1 日、7 月1 日和7 月31 日的隧道變形情況，變形量增大倍數為450 倍。

圖14 隧道徑向收斂空間位置圖（7 月31 日）

3.1 TRD 施工階段監測

(1) 拱頂沉降和道床沉降時序分析

從圖6~圖7 中可以看出，地鐵主要影響范圍內的斷面相比于地鐵主要影響范圍外的斷面，拱頂累計沉降和道床累計沉降有著明顯的波動變化。在TRD 施工階段，左線和右線部分斷面出現下沉，拱頂最大累計下沉為-2.94mm，道床最大累計下沉為-3.26mm，部分斷面出現上浮，拱頂最大累計上浮量為1.92mm，道床最大累計上浮量為1.85mm。

左線右線拱頂和道床沉降均在控制值范圍內，左線整體下沉幅度小于右線，上浮幅度與右線較為相近，南區TRD 施工階段比北區TRD 施工階段下沉、上浮幅度大。

(2) 水平位移與徑向收斂時序分析

從圖8 中可以看出，地鐵主要影響范圍內的斷面相比于地鐵主要影響范圍外的斷面，水平位移發生較大波動，左線呈現出部分斷面左移、部分右移的現象，右線在北區TRD 施工階段總體向右移，在北區TRD施工結束后總體向左移，水平位移均在控制值范圍內。

從圖9 中可以看出，地鐵主要影響范圍內的斷面相比于地鐵主要影響范圍外的斷面，徑向收斂發生較大波動，左線徑向收斂呈現出整體大于零的現象，即隧道內徑增大，右線徑向收斂在北區TRD 施工階段小于零，在北區TRD 施工結束后大于零且持續增大，即隧道內徑先減小再增大。

(3) 變形和位移空間位置分析

從圖10~圖13 中可以看出，在TRD 施工階段，即4 月30 日前，左線拱頂沉降和道床沉降波動覆蓋隧道全線，而右線拱頂沉降和道床沉降集中在Y50-Y100斷面。左線總體向右移，移動距離均小于2mm，右線Y30-Y50 斷面呈現出右移現象，其余斷面向左移，其中Y60-Y80 斷面移動幅度最大。左線和右線的徑向收斂呈現出中部的大于零的現象，即隧道主要影響范圍內隧道內徑增大。

(4) TRD 施工對地鐵隧道影響規律

由上述分析可以說明，TRD 施工會造成隧道下沉或上浮，且與地下連續墻階段進行對比，其波動的幅度較大；TRD 施工時會造成隧道發生水平位移和徑向收斂，雖有波動但整體呈現出左線右移、右線左移、隧道內徑增大的現象；各施工區域的隧道變形趨勢存在差異，說明由于各個具體施工位置的地質條件不同，TRD 施工對隧道結構的造成的影響不同。由于TRD 施工周期較短，再加上可能有其他施工活動同期進行，因此對隧道結構的影響可能存在不穩定性，例如南區TRD 施工時，在與MJS 土體加固相鄰施工位置的部分時段中，可能受到MJS 土體加固的影響。

3.2 地下連續墻施工階段監測

(1) 拱頂沉降和道床沉降時序分析

從圖6~圖7 中可以看出，地鐵主要影響范圍內的斷面相比于地鐵主要影響范圍外的斷面，左線拱頂和道床沉降基本呈現出整體下沉趨勢，且整個地下連續墻施工過程沉降趨勢較為明顯，右線拱頂呈現出下沉趨勢，而道床呈現出先上浮后沉降趨勢。其中最大拱頂沉降為-4.89mm，最大道床沉降為-3.3mm，均發生在7 月30 日左右。最大拱頂累計沉降超過控制值，結合項目實際情況，此情況可能為施工方未嚴格按施工流程施工導致，屬于特殊情況。

(2) 水平位移與徑向收斂時序分析從圖8 中可以看出，地鐵主要影響范圍內的斷面相比于地鐵主要影響范圍外的斷面，水平位移有較為明顯的增加趨勢，均在控制值范圍內。其中，左線水平位移持續增大，左線隧道部分斷面右移、部分左移，右線水平位移普遍大于零，即右線隧道總體左移。從圖9 中可以看出，地鐵主要影響范圍內的斷面相比于地鐵主要影響范圍外的斷面，徑向收斂出現波動現象，左線徑向收斂總體大于零，即左線隧道內徑增大，而右線隧道出現先大于零后小于零的趨勢，且最終徑向收斂接近于零，即右線隧道內徑基本保持不變，僅有小幅度波動。

(3) 變形和位移空間位置分析

從圖10~圖13 中可以看出，在地下連續墻施工階段，左線拱頂沉降和道床沉降波動覆蓋隧道全線，而右線拱頂沉降和道床沉降集中在Y50-Y100 斷面。左線水平位移集中在Z20-Z100 斷面，發生右移現象，右線波動覆蓋隧道全線，地移動幅度較小。左線和右線隧道發生徑向變形集中在Z30-Z80、Y30-Y100 斷面，發生隧道內徑增大現象。

(4) 地下連續墻施工對地鐵隧道影響規律

由上述分析可以說明，地下連續墻施工階段相比于TRD 施工階段，對地鐵隧道造成的影響較小，其變形和位移幅度較小，整體趨勢較為明顯；其中拱頂和道床總體呈現下沉趨勢，水平位移方面呈現出左線右移、右線左移趨勢，隧道徑向變形較小，存在部分斷面隧道內徑增大的現象，可能是由于各個具體施工位置的地質條件不同，地下連續墻施工對隧道結構的造成的影響不同。因此，TRD 施工階段主要對隧道的側向土體產生壓力，擠壓左右兩線隧道之間土體，且會使隧道發生小幅度沉降。

3.3 MJS 土體加固階段監測

(1) 隧道徑向變形分析

根據當前施工情況和監測方案，MJS 土體加固位置位于監測斷面Z30-Z33、Y30-Y33、Z62-Z73 和Y62-Y73 處，本文選取Z31、Y30、Z70 和Y70 共四個變形最明顯的斷面作為代表進行分析。從圖14 中可以看出，MJS 土體加固開始時，即4 月1 日，隧道徑向變形和位移量較小，隨著MJS 土體加固施工的進行，拱頂和道床下沉量逐漸增大，Z31 和Y30 斷面隧道內徑減小，而Z70 和Y70 隧道內徑增大，隧道呈現出持續下沉趨勢，隧道變形和位移均在控制范圍內。

(2) MJS 土體加固對地鐵隧道影響規律

由上述分析可以說明，在隧道上方進行MJS 土體加固會使隧道發生下沉，且隨著施工的進行有進一步下沉趨勢，隧道內徑隨著施工的進行可能減小或增大，如圖15 所示，因此，MJS 土體加固主要影響隧道頂部土體沉降，對隧道側向土體擾動作用較小。

圖15 鄰近MJS 施工位置斷面徑向圖

4 結論

本文以武漢三鎮中心建設項目為例，通過自動連續監測手段反映了地鐵隧道結構變形和位移，分析了緊鄰施工對地鐵隧道結構服役性態的影響，為施工方案調整和地鐵結構保護提供了科學指導。主要總結為以下結論：

(1) TRD 施工對隧道結構的影響主要體現在水平位移和徑向收斂上，雖有波動但整體呈現出左線右移、右線左移、隧道內徑增大的現象；在拱頂和道床沉降方面，TRD 施工使隧道結構沉降幅度波動較大，由于各個具體施工位置的地質條件不同，對隧道結構的造成的影響不同，可能發生下沉或上浮；

(2) 地下連續墻施工相比于TRD 施工地鐵隧道變形和位移幅度較小，拱頂和道床總體呈現下沉趨勢，水平位移方面呈現出左線右移、右線左移趨勢，隧道徑向變形較小，存在部分斷面隧道內徑增大的現象。TRD 施工階段主要對隧道的側向土體產生壓力，擠壓左右兩線隧道之間土體，且會使隧道發生小幅度沉降；

(3) 隧道上方進行MJS 土體加固會影響隧道頂部土體，使隧道發生下沉，且隨著施工的進行有進一步下沉的趨勢。MJS 土體加固對隧道側向變形影響較小，隧道內徑隨著施工的進行可能減小或增大。