基于地鐵隧道的整體道床沉降監測及病害分析

摘 要：【目的】地鐵地下線隧道工程由于地質條件不良或其他因素影響，會引起隧道及軌道整體道床發生不均勻沉降變形，為防止地鐵運營期間隧道及附屬結構因沉降變形而產生不良病害，對地鐵行車安全造成影響，有必要對隧道整體道床結構變形及隧道病害進行研究。【方法】通過應用監測技術對地鐵隧道整體道床進行沉降監測數據分析，并運用無損檢測技術對隧道整體道床產生的病害進行分析，進而掌握地鐵隧道的健康狀況。【結果】監測結果顯示，地鐵隧道道床病害區段出現輕微下沉，道床基底混凝土存在脫空及松散現象。這為后期病害整治工程提供技術支持，并據此采取相應的安全防治措施。【結論】研究成果為保障地鐵正常安全運營提供參考。

關鍵詞：地鐵；整體道床；沉降監測；病害分析；雷達探測

中圖分類號：U231.94" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）23-0069-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.23.014

Settlement Monitoring of Monolithic Track Bed and Defect Analysis Based on Subway Tunnels

FANG Guanzhou

（Shenzhen Metro Operation Group Co.， Ltd.， Shenzhen 518000， China）

Abstract： [Purposes] Due to poor geological conditions or other factors， the underground line tunnel project in the subway may cause uneven settlement and deformation of the monolithic track bed of the tunnel and track. In order to prevent the adverse diseases caused by the settlement and deformation of the tunnel and its auxiliary structure during the operation of the subway， which will affect the safety of the subway， it is necessary to study the deformation of the monolithic track bed structure and the tunnel diseases. [Methods] By applying monitoring technology to analyze the settlement monitoring data of the monolithic track bed of the subway tunnel， and using non-destructive testing technology to analyze and study the diseases caused by the overall track bed of the tunnel， the health status of the subway tunnel can be grasped. [Findings] The monitoring results show that there is a slight subsidence in the disease section of the track bed of the subway tunnel， and there is a void and loose phenomenon in the concrete of the track bed， which provides technical support for the later defect remediation project and corresponding basis for taking" safety prevention measures accordingly. [Conclusions] The research results provide practical reference value for ensuring the normal and safe operation of the subway.

Keywords： subway; monolithic track bed; settlement monitoring; defect analysis; radar detection

0 引言

隨著粵港澳大灣區城市建設進程的不斷深入發展，城市功能不斷輻射擴容，深圳作為大灣區核心城市，將加快城市軌道交通地下建筑空間資源的開發。地鐵具有線路多、運營里程長、運營時間長的特點，地鐵隧道病害問題也較為復雜，為保證地鐵交通行車安全，定期做好地鐵隧道監測保護工作是非常必要的。

地鐵隧道道床板是整體道床連接成的軌道板，屬于無砟軌道結構。整體道床板（軌道板）澆筑在隧道仰拱上，是隧道的附屬結構，道床板與基底混凝土之間由高性能的乳化水泥瀝青砂漿（CA砂漿）填充。軌道板具有強度大、剛度大、軌道幾何尺寸形位穩定、結構耐久、需要維修少等優點［1］。整體道床在列車荷載及溫度應力的作用下容易產生彎曲變形。隨著運營時間的增加，變形累積會產生不均勻沉降或者橫向位移，導致軌頂高程發生變化、軌道中心線偏移等病害。道床板豎向受力若產生突變，將會引起道床板彎曲、上拱隆起或鋼軌變形等病害。因此，地鐵隧道結構變形監測及病害分析研究非常重要。

1 隧道整體道床沉降監測控制相關技術

1.1 道床沉降監測技術要求

根據《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB 50911—2013）的有關技術要求，監測控制網宜采用城市軌道交通工程高程系統［2］。根據技術規范中變形監測的相關要求，并結合地鐵線路自身健康狀況，為達到監測精度標準，采用國家二等水準測量技術方法。測量儀器采用高精度電子水準儀或全站儀，地鐵線路測量的視線長度、視距差、往返測不符值、環線閉合差等指標應符合《國家一、二等水準測量規范》（GB/T 12897—2006）中的相關技術要求［3］。

1.2 監測控制指標

依據深圳市軌道交通安全保護區的相關技術規范要求，地鐵整體道床監測控制指標采用三級預警機制，即黃、橙、紅分別代表預警值（6 mm）、報警值（8 mm）、控制值（10 mm），根據嚴重程度來判斷監測結構體的安全狀態，并采取不同的響應措施。當變形值達到控制值的60%（6 mm）時，發出黃色預警；當變形值達到控制值的80%（8 mm）時，發出橙色報警；當超過控制值（10 mm）時，發出紅色報警。

1.3 工程實例分析

1.3.1 工程概況。深圳地鐵2號線紅樹灣站區間隧道位于深圳南山區深圳灣超級總部基地附近，車站周邊有高大建筑正在施工，2號線隧道沿著白石路三路下穿深灣二路左轉彎穿過神州數碼基坑開挖施工項目工程。由于該基坑距離地鐵隧道凈距較小，地層水位發生變化，對隧道結構穩定性將產生不利影響。為此，需要實施隧道整體道床沉降監測作業。

1.3.2 隧道整體道床監測數據分析。隧道道床垂直位移監測成果見表1。

由表1可知，本期高程數據與上期對比，監測點RC009沉降變化值（垂直位移值）最大，本期沉降變化量最大值為5.8 mm，依據監測控制指標，接近黃色預警值（6 mm），相鄰的監測點5至11號點位垂直位移變化值與兩邊點位對比，發生下沉現象，但未觸及預警值。對本期道床540 m范圍內監測數據進行分析，隧道道床中間部分監測點位有輕微下沉趨勢，下沉位置里程主要集中在K15+360至K15+540之間，長度范圍約為180 m，其余點位數據變化值相對平穩正常，如圖1所示。本次沉降變化在安全可控范圍內，不影響地鐵正常運行。

2 隧道整體道床下沉與病害原因分析

2.1 軌道道床下沉原因分析

本研究對紅樹灣站區間隧道道床下沉進行分析，本次下沉主要受外部因素變化影響。

首先，地鐵車站及隧道附近有高大建筑基坑工程正在開挖施工，對隧道周圍土壓力平衡產生了一定的不利影響。隧道道床下沉主要發生在K15+360至K15+540區段，該區段為盾構隧道，距離神州數碼深大基坑開挖施工位置最近，與距離基坑較遠處的隧道存在沉降差異。

其次，受近期暴雨影響，該區段地鐵隧道外圍地下水增多，地質水文條件發生了一定變化。地下水聚集于隧道周圍并形成擠壓狀態，隧道底部完全被水浸泡，在列車動態荷載作用下，該區段隧道防水薄弱處會出現輕微下沉現象。現場檢查發現隧道側邊有積水，軌道道床側邊混凝土輕微破損，隧道管片縫隙滲水，道床存在橫向裂紋、滲漏水、兩側翻漿冒泥、鋼軌設備銹蝕等次生病害。

2.2 隧道道床病害原因分析

地鐵運營期間出現隧道道床病害，除了地鐵建設施工質量差異以外，主要原因如下。

①列車荷載反復振動影響。地鐵開通運營前期，病害破壞情況比較少見，隧道整體道床并未出現沉降變形現象，直至開通運營幾年后，發現隧道滲漏水、道床裂紋現象增多，可見運營列車振動效應致使隧道道床產生病害是最明顯、最直接的［4］。

②隧道積水及滲漏水是造成隧道道床病害的重要原因。隧道地質條件富含地下水，地下水長期滲透作用造成隧道底部、道床兩側積水，由于道床結構變形縫處存在防水缺陷，造成道床滲漏水病害。積水在道床和仰拱的填充層間流動，在列車動荷載作用下致使填充層的砂漿或微粒物被流水侵蝕沖刷至兩側水溝中，隨著滲漏水的持續影響，軌道道床兩側水溝出現翻漿冒泥現象，造成道床底部間隙加大，甚至脫空。滲漏水的侵蝕加快掏空道床底部，底部掏空又使積水生成加快，周而復始形成惡性循環，最終導致整體道床發生不均勻下沉。若變形下沉較大，會造成道床裂縫裂紋增多變寬，甚至開裂破損，加劇病害的進一步發展。因此，滲漏水病害侵蝕道床底部是造成道床變形下沉的重要因素。

3 地鐵隧道道床病害安全防治措施

3.1 根據不同病害應采取相應的防治措施

①針對滲漏水，制定防排水方案，采取排堵結合的綜合治理措施［4］。在隧道整體道床水溝兩邊建立集水排水通道，及時排出積水，壓力水流應鉆孔泄壓，裂縫滲水應采用膨脹防水材料進行注漿封堵。

②針對整體道床底部脫空下沉或翻漿冒泥現象，應及時進行注漿填充補強［5］，采取加固密實抬升整體道床至設計高度、加設調高軌枕墊板等綜合整治措施，防止道床進一步下沉和橫向位移，加強地鐵隧道結構自動化監測，恢復地鐵線路平順性，保證軌道結構處于安全狀態。

③針對有下沉差異的病害區段，應增加監測頻率，并加密監測點，要多檢測、勤維護，準確掌握隧道病害的發展狀況，有異常應及時發布預警信息。特別對隧道重點監控病害地段，應編制隧道整體道床應急搶修預案，搭建軌道交通合理運營維護體系［6］。

3.2 運用現代科學結構健康監測技術

3.2.1 軌道檢測技術。針對因整體道床下沉病害導致地鐵線路軌道出現三角坑、水平、軌距、軌道平面高程、前后高低等幾何尺寸數據異常現象，可運用軌道幾何狀態測量儀及時檢測地鐵線路軌道靜態幾何尺寸，對軌道線路健康狀況做出評判，及時調整軌道尺寸至正常范圍內，防止軌道設備變形，避免因道床病害導致行車顛簸，確保地鐵行車的平順性和舒適性。

3.2.2" 地質雷達無損探測技術。雷達探測技術原理為利用高頻電磁波反射脈沖的傳播形式，由地面通過天線T傳播進入地下結構層，經地層結構或探測目標體反射后再次返回地面，反射信號被另一天線R所接收，如圖2所示，圖中V為地下介質電磁波傳輸速度；Z為探測物體距離地面縱向埋深；X為發射端和接收端的距離。雷達能檢測介質結構、幾何形態、介質屬性及介質空間分布特征。根據測線布置進行探測，通過地質雷達對隧道襯砌厚度檢測數據的優化分析、襯砌脫空缺陷分界面和剛性信號分界面的拾取調整，進而提升整體數據檢測精準度的計算如下［7］。

①探測物體襯砌厚度的計算見式（1）。

[d=0.3t2εr]或[d=12v·t·10-9] （1）

式中：d為襯砌厚度，m；[εr]為相對介電常數；t為雙程旅行時間，ns；v為電磁波速，m/s。

②探測點反射界面深度計算見式（2）。

[h=vp?t2]" （2）

式中：h為界面深度，m；vp為縱波速度，m/s；t為反射波到達通道的時間，s。

3.2.3 雷達無損探測案例分析。地鐵2號線紅樹灣站兩種典型的道床病害實例檢測圖像如圖3和圖4所示，具體情況如下。

一是空洞或脫空。由圖3可知，道床0.5 m深度范圍內，長度約3 m襯砌界面反射信號強，產生較強的能量波，且存在多次反射信號，說明結合界面不夠緊密，有一定的空洞或脫空。

二是不密實、松散。由圖4可知，道床在0.4～0.5 m深度范圍內，長度約2 m襯砌界面反射信號強，出現弧形反射波，同相軸變形且不連續，反射雜亂，較分散，表明結構不密實、松散。

研究表明，應用無損檢測技術，通過降低軌道干擾信號影響，提高信噪比，可提高隧道底部病害異常體判別的準確度［8］，達到病害超前預報的效果。

4 結語

在地鐵隧道整體道床沉降變形監測分析中，應重點關注隧道存在病害的區段，注意定期反復監測基準控制網，對其穩定性進行校驗，確保監測數據的準確性。隧道整體道床結構隨著地鐵運營時間的不斷累積，會發生一定的沉降變形，但變化值未超出控制指標值且保持在穩定可控的范圍內波動，不影響地鐵隧道主體結構的安全。本研究合理運用雷達探測等無損檢測技術，有效地開展了地鐵結構健康監測分析，以消除地鐵線路安全隱患，確保地鐵行車安全，為維護地鐵安全提供了實用的參考價值。

參考文獻：

［1］易思蓉.鐵道工程［M］.北京：中國鐵道出版社，2011.

［2］中華人民共和國住房和城鄉建設部.城市軌道交通工程監測技術規范：GB 50911—2013［S］.北京：中國建筑工業出版社，2013.

［3］中華人民共和國質量監督檢驗檢疫總局.國家一、二等水準測量規范：GB/T 12897—2006［S］.北京：中國標準出版社，2006.

［4］鄭保才，張俊兵，薛繼明，等.富水隧道整體道床及隧底病害治理技術研究［J］.鐵道工程學報，2015，32（1）：110-114.

［5］李艷祥，王普林，張旭.地鐵整體道床脫空破損機理及結構補強措施［J］.城市軌道交通研究，2020，23（5）：115-117，122.

［6］高偉君，沙金碩，安彥坤，等.城市軌道交通整體道床改造工程特點及其實施建議［J］.城市軌道交通研究，2021，24（9）：194-196.

［7］張行道，節金浦.地質雷達隧道襯砌缺陷探測精度研究［J］.北方交通，2023（12）：70-73.

［8］朱兆榮，趙守全，秦欣，等.探地雷達在鐵路隧道襯砌質量無損檢測中的應用研究［J］.工程地球物理學報，2021，18（5）：703-708.