运营中地铁变形的动态监测方法研究

【摘  要】结合深圳地铁2号线东延线施工实际，对与之空间垂直相交的地铁4号线实施动态变形监测。论述了隧道变形的影响及实施动态监测的原则，探讨了隧道变形监测的布点方案及动态监测方法，并对监测结果进行了分析，提出了加强现场安全管理措施。

【关键词】地铁；TCA自动化全站仪；动态监测

    深圳地铁4号线属于地铁一期工程，是深圳市地铁交通干线，于2004年12月28日正式开通，列车运行频率7～10min。2010年5月9日～6月10日，深圳地铁2号线东延线工程福田站－市民中心站区间开始动工，该线下穿地铁4号线市民中心站－会展中心站区间。地铁2号东延线工程始发端距离4号线仅6.542m，4号线矿山法隧道设计有锁脚锚管，长3.5m，受条件限制，市民中心站始发端头仅能加固2.7m，2隧道结构垂直最小净距为1.567m。东延线工程福田站－市民中心站区间采用盾构法施工，采用2台海瑞克公司制造的土压平衡盾构机掘进，盾构机从市民中心站西端始发，向福田站掘进。按左线盾构机在前，右线盾构机随后的顺序施工^[1-2]。

    为防止4号线隧道失水沉降，造成隧道受力增加，继而影响运营，对4号线实施安全监控十分关键。

1　隧道变形影响分析

    2号线东延线下穿4号线，对4号线地铁隧道结构产生一定影响，主要有以下几种情况：

    (1) 可能引起隧道结构横截面产生水平或竖向位移。

    (2) 可能引起隧道不均匀纵向变形。

    (3) 可能导致隧道结构局部发生横向或竖向变形。

    如果隧道变形达到一定的量值以后，会对不同工法构成的隧道结构产生不同的影响。对于暗挖法施工的隧道结构会产生沿隧道结构纵向或横向的裂缝；对于盾构法隧道，其纵缝接头和环缝接头将增大张开量，隧道结构的防水性能和耐久性随之降低。如果地铁道床隆起或沉降3mm以上时，需对路轨进行调整；当道床差异沉降大于6mm以上时，道床需重铺，对地铁运营影响很大；当张开量达到5mm以上时，隧道结构将遭到无可挽回的损失。

2　隧道检测原则

    本次监测针对既有4号线地铁隧道进行结构受力和净空变化等量测，通过获取施工中的综合信息，明确4号线地铁隧道结构工作状况及安全性能，对设计和施工方案的合理性进行评价，为优化和合理组织施工提供可靠信息，并指导后续施工，确保既有地铁4号线隧道的结构安全及地铁的运营安全^[3-4]。

    隧道监测遵循如下原则：

    (1) 可靠性。可靠性原则是监测系统设计中所考虑的最重要的原则。为了确保其可靠性，必须做到：1系统采用可靠的仪器；2应在监测期间保护好测点。

    (2) 多层次监测。在监测对象上以位移与隧道内力为主，兼顾其他监测项目。在监测方法上以仪器监测为主，并辅以巡检的方法。

    (3) 重点监测关键区。对各个施工步骤应根据工程经验对不同区域、重点部位进行监测，以保证建筑物及地下管线的安全。

    (4) 方便实用。为减少监测与施工之间的干扰，监测系统的安装和测量应尽量做到方便实用。

    (5) 经济合理。系统设计时考虑实用的仪器，不过分追求仪器的先进性，以降低监测费用。

3　检测系统的组成

    一个完整的自动化动态监测系统是指在无需操作人员干预的条件下，实现自动观测、记录、处理、存储、报表编制、预警预报等功能。检测系统由一系列的软件和硬件构成，包括：TCA自动化全站仪、棱镜、通信电缆、供电电缆、计算机、专用软件等。

    TCA自动化全站仪具有独特的自动跟踪功能，仪器能自动识别棱镜、自动跟踪、自动精确调焦照准；可以与多个目标一起作业，并具有重复测量(监测、组合测量、正倒镜测量)和自动存储的功能。由于它对目标进行的是三维坐标的测量，一次就可以完成沉降(Z方向)及水平位移(X和Y方向)的监测。监测系统组成如图1所示。

4　检测结果分析

4.1 检测断面点布置

    根据监测方案与现场实际情况，4号线市民中心－会展中心区间隧道内共布置自动化监测断面13个(每个断面5～7个监测点，共86个监测棱镜，断面间距5m)，采用TCA2003全站仪24h自动监测；人工监测断面17个，其中2个收敛断面，13个轨距与差异沉降断面(31个水准点)，2个应变监测断面(8个应变监测点)，夜间列车停运后由人工进行监测。典型自动化监测断面如图2所示^[5]。　

4.2 检测方案

4.2.1 检测组织

    现场成立盾构下穿监测组，与业主、监理、施工单位密切配合，对盾构下穿过程全程跟踪，进行24h不间断实时监测，使用自动化监测系统实时监测并指导施工。全站仪自动化动态监测如图3所示。

    监测过程中，监测组与盾构机操控室电话连接，每0.5h进行一次位移观测，每1h出具一份监测报告，每拼装一环管片汇报一次掘进参数与监测数据(推进速度、土仓压力、刀盘扭矩、刀盘转速、出土量、同步注浆量、最大沉降位移等)。准确、及时汇报监测情况，做到三方联动效应，使施工组和专家组能结合自动化实时监测数据，及时调整土仓压力、千斤顶推力及注浆压力等施工参数，再次观测监测数据的变化趋势，真正做到隧道内信息化施工。

    每天地铁停运后进行人工复测，与实时自动化监测数据进行校核比对，保证监测数据的准确性和科学性，进一步确保盾构穿越安全。为反映监测成果及变形规律，共选取3个断面，每个断面选取左右各1点，分析其变形趋势，如图4^[6]。

    图4中，05-10和05-11表示5号断面上左边10和右边11两对应监测点，其他依此。

4.2.2 检测结果分析

    从图4可分析得出：

    (1) 在5月9～10日和6月1～3日之间，隧道沉降趋势比较明显，说明在盾构机刚进入4号线下方边缘时，隧道结构比较敏感，沉降速率较大，通过调整盾构机土仓压力等参数来控制隧道结构沉降。

    (2) 在5月16日～6月2日沉降趋势比较平稳，说明当盾构机脱离4号线轨行区后，只要盾构参数保持稳定，及时进行背后注浆以及二次注浆，虽然有持续的工后沉降，但沉降量并不大，对地铁结构物的影响不大。当2号线左线穿越完成后，最大累计沉降稳定在7.0～7.1mm之间，在变形控制指标范围内。

    (3) 当右线穿越时，由于现场设备出现故障，延长了盾构机的掘进时间，使盾构机在地铁4号线轨行区下的停留时间过长，导致隧道结构沉降在一定范围内上下波动。

    (4) 在6月2～9日沉降趋势明显较大，沉降速率也明显增快，说明穿越右线时，对地铁结构的重叠影响较大，反应较敏感，但仍可保持较为稳定的盾构参数，快速、匀速地穿越地铁4号线轨行区。在6月9日之后，同样有少量的工后沉降，但沉降量并不大。当2号线右线穿越完成后，最大累计沉降稳定在(9.0±0.2)mm内；而左右线重叠影响最大累计沉降为16.0±0.2mm，均在变形控制指标范围内。

    (5) 所有穿越完成后，仍持续进行监测，观测隧道结构后期变形及沉降增长趋势。监测发现4号线隧道在穿越初期的沉降量变化较大，因为此次穿越为始发穿越，盾构机参数并未调整到最佳状态，待参数达到理想状态时，监测数据趋势处于一个匀速稳定的变化趋势，说明盾构机处于快速、匀速的推进状态；当有少数突变点时，说明地质条件有所变化，或者盾构机、拼装机以及注浆设备等出现故障，需迅速查找故障原因并及时解决，同时通过同步注浆或二次注浆等有效措施，抑制沉降量的增大。当4号线隧道在穿越完成通过后仍有少量沉降变形，但整体趋势平缓，说明沉降具有滞后效应，应加强监测时间。

5　结语

    因地铁属地下工程，施工作业有其特殊要求，地铁2号东延线与4号 线空间 相交且 间隔仅1.567m，2号东延线的施工无疑对4号线有影响，为确保列车正常运营，在做好4号线实时动态监测的同时，做好4号线隧道的防护加固措施也十分关键。为防止4号线隧道失水沉降造成隧道受力增加，在开挖2号线过程中，对4号线采用地面垂直加固和钢丝刷密封方案。(王益民 杨帆)

参考文献：

    [1] GB50308-2008城市轨道交通工程测量规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

    [2] JGJ8-2007建筑变形测量规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2007.

    [3] TB10121-2007铁路隧道监控量测技术规程[S].北京:中国铁道出版社,2007.

    [4] GB50446-2008盾构法隧道施工与验收规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

    [5] 张明聚,王诚浩,吕 琦,等.铁路客运专线明挖大断面隧道施工监测分析[J].北京工业大学学报,2010(10):1350-1356.

    [6] 张明聚,由海亮,杜修力.北京地铁某车站明挖基坑施工监测分析[J].北京工业大学学报,2006(10):874-878.