大型基坑施工對鄰近地鐵隧道沉降的影響

王 成，黃 騰，沈月千，歐 樂

（1.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098；2.92292部隊，山東 青島 266400）

隨著我國經濟的快速發展，越來越多的大型建筑物緊鄰地鐵運行區間開工建設，由于大型建筑物基坑的開挖會引起坑內土體的回彈［1］，破壞了鄰近地鐵隧道結構整體的平衡性，從而引起地鐵隧道結構的沉降變形，而高速運行的地鐵車輛對于軌道的平順度要求非常高，這對地鐵的安全運行產生了一定的影響。如何保護運營期地鐵隧道不受鄰近隧道的基坑開挖影響成為當前的研究熱點［2］。本文結合南京地鐵一號線新模范馬路車站附近大型基坑施工過程中的地鐵隧道變形監測實例，對整個基坑施工期間地鐵隧道的沉降進行監測，分析大型基坑開挖對地鐵隧道的影響。

1 工程實例

1.1 基坑工程概況

基坑施工場地位于南京市中央北路和新模范馬路交匯處，場地東側為運營中的地鐵一號線玄武門站至新模范馬路站（含）區間西側，其邊線對應地鐵里程大概為K12＋368～K12＋448，長度約為80m。車站主體距基坑外邊線約8.9～13.6m；區間距基坑外邊線約11.6～12.4m。工程由塔樓、裙樓及地下室組成，地下室3層，靠地鐵側兩層。基坑規模：基坑面積約13 763.1m2，周長約489.3m；基坑開挖深度：本工程場地自然地面平均標高－0.8～－0.4m，基坑底標高分別為－12.20～－18.35m，基坑開挖深度為11.70～17.95m。基坑與地鐵結構平面位置關系見圖1。

圖1 基坑與地鐵結構平面位置關系

1.2 監測控制網的布設

監測控制網是隧道沉降監測的參考系，根據相關規范［3］（以下簡稱規范），監測控制網按Ⅱ等垂直位移監測控制網的技術要求進行布設，沿著地鐵隧道的方向布設成閉合水準路線進行觀測。為了盡量減輕基坑施工對工作基點的影響，將其布設在遠離變形區80～120m外。在地鐵隧道上下行線中共布設8個工作基點（見圖2），其中JX1、JX2、JX3、JX4為下行線的工作基點，JS1、JS2、JS3、JS4為上行線的工作基點。采用獨立高程系統，JS1點高程為起算點。

圖2 控制網布設示意圖

1.3 沉降監測點的布設

沉降監測點執行Ⅱ等垂直位移監測網的技術要求，布設成附和水準路線進行觀測。沉降監測點布設在地鐵軌道中間，靠近基坑施工區域每隔10m布設一個監測點，遠離基坑施工區域每隔20m布設一個監測點，在隧道與地鐵車站交接縫兩側約1m處的道床上布設一對差異沉降監測點。監測范圍為項目建設基坑邊線對應的地鐵線路里程區域及沿線路方向前后外放60m，即監測范圍為K12＋308～K12＋508，長度約200m，上下行線共布設32個監測點。X1～X15為下行線水準監測點；S1～S15為上行線水準監測點；S7－1和X7－1分別為上下行的差異沉降點。監測點的布設示意圖如圖3所示。

圖3 監測點布設示意圖

1.4 數據監測頻率和技術指標

由于基坑施工是一個連續的過程，地鐵隧道受其施工影響發生的結構變化也是連續的，所以必須對隧道變形進行連續監測［2］。根據《建筑基坑工程監測技術規范》［4］的有關規定，結合工程實際和設計要求，地鐵沉降監測的頻率應根據基坑施工動態作出合理的調整，實時掌握地鐵在基坑施工過程中隧道的沉降變形情況，保證地鐵的安全運行。沉降監測分為4個頻率：臨近地鐵側的連墻施工期，監測頻率為1次/4d；降水土方開至底板完成施工期，1次/d；地下室主體施工期，1次/d；跟蹤期6個月，1次/10d。水準網的觀測儀器采用天寶電子水準儀Trimble DINI03，數據處理采用COSA系統進行解算。沉降監測及控制網的主要技術指標如表1、表2所示，表中n為測站數。

表1 沉降監測的主要技術指標

表2 沉降監測控制網的主要技術要求 mm

2 數據處理與分析

2.1 監測基準點的穩定性分析

監測點的沉降變形是相對于監測基準點的，如果基準點不穩定，所求的垂直位移就是失真的［5］，因此，工作基點的穩定性非常重要，應根據隧道的地質條件和車站結構的穩定狀況定期檢驗基準點的穩定性。基準點的穩定性分析通常采用平均間隙法［6］，其基本原理如下：

假設對監測基準網第j期和第1期作檢驗，首先，將這2期觀測數據按同一基準分別平差后，求得兩期監測點位移d及其協因數陣Qd，由垂直位移及協因數陣有

式中，fd為獨立d的個數。

由兩期觀測的單位權方差估值可求得綜合方差估值為

式中：V為觀測值改正數列矩陣，P為觀測值改正數權矩陣，f為第1期和第j期多余觀測總數，構成統計量

假定兩次觀測期間監測點沒有發生沉降，則統計量F服從自由度為fd和f的F［7］分布，即

當統計量F＜F1－α（fd，f）則接受原假設，即認為監測點是穩定的，其高程變化是由觀測誤差引起的；反之，則拒絕原假設，即認為監測點是不穩定的。表3為各期高程變化量統計。

表3 各期高程變化量統計 mm

根據《規范》規定，工作基點的極限誤差為±1mm，各工作基點的高程變化量均在限差之內，監測控制網采用平均間隙法進行穩定性評判，網形穩定，可以作為保護區垂直位移監測基準。

2.2 隧道沉降分析

根據沉降監測數據對地鐵運行做出險情預報是一個非常重要的技術指標，關系著地鐵的安全運行，應根據沉降監測的具體情況，綜合考慮各種實際因素，合理分析數據，在沉降監測數據的基礎上及時作出判斷。根據相關規范要求，地鐵隧道累計的沉降分為報警值和警戒值，報警值為±3.3mm，警戒值為±6.7mm；且沉降速率≤0.5mm/d。當隧道沉降超出警戒值后，及時書面或電話通知有關單位，以便及時采取措施，排除險情，并通過跟蹤監測來檢驗處理后效果，確保地鐵結構安全。為了形象直觀地表現地鐵隧道沉降的情況和沉降趨勢，在數據平差處理后，繪制各測點的沉降量曲線圖（以時間軸為橫軸，沉降量為縱軸）。在本文中，為了分析的方便，在上下行線中各取4個監測點的沉降數據，畫出沉降量曲線。圖4為下行線的沉降量曲線，圖5為上行線的沉降量曲線。

圖4 下行線沉降量曲線

圖5 上行線沉降量曲線

通過分析圖4、圖5的沉降曲線可知：

1）在整個基坑開挖工程中，地鐵隧道的沉降整體比較穩定，上下行線表現出類似的沉降規律，呈現下沉趨勢，最大的沉降量為3.1mm，小于地鐵沉降的報警值（±3.3mm），滿足地鐵安全運行的要求。

2）由于基坑開挖引起坑內土體的回彈［1］，破壞了鄰近地鐵隧道結構整體的平衡性，從而導致地鐵隧道整體往下沉降。由圖2可知下行線更靠近項目基坑，導致上下行線沉降量的差異，上行線整體的沉降量略大于下行線。上行線平均沉降量為1.2mm，最大沉降量為3.1mm；下行線平均沉降量為0.8mm，最大沉降量為2.6mm。

3）地鐵隧道沉降整體呈現出兩頭沉降量小中間沉降量大的凹槽趨勢，沉降量較大出現在3～13號測點之間，由圖3可知3～13號測點正對應著項目基坑，由此說明項目基坑對地鐵隧道沉降的影響與隧道離基坑的距離成正相關關系，離基坑越近，沉降量越大；離基坑越遠，沉降量越小。

3 結 論

1）經過對上下行線32個水準點的沉降觀測可知，基坑施工雖然對地鐵隧道的結構產生影響，引起地鐵隧道的沉降，但是引起的沉降量小于地鐵隧道沉降的報警值，滿足地鐵安全運行的要求。

2）繪制監測點垂直位移變化圖，可直觀、全面地展示和分析地鐵隧道的整體沉降情況以及沉降趨勢，為項目施工部門和地鐵管理部門做出正確決策提供了依據。

3）在基坑施工期間，為了保證地鐵的安全運行，應對地鐵的沉降變形進行全程監測。通過對地鐵隧道的監測，掌握基坑施工過程中對既有地鐵工程結構引起的變化，為建設方及地鐵相關方提供及時、可靠的數據和信息，評定施工對既有地鐵工程結構的影響，及時判斷既有地鐵工程的結構安全，對可能發生的事故提供及時、準確的預報，避免惡性事故的發生。

［1］陳長江.基坑開挖引起下臥地鐵區間隧道上浮控制研究［J］.城市軌道交通研究，2009（9）：52－55.

［2］張其云，鄭宜楓.運營中地鐵隧道變形的動態監測方法［J］.城市道橋與防洪，2005（4）：87－91.

［3］北京市規劃委員會.GB50308－2008城市軌道交通工程測量規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2008.

［4］山東省建設廳.GB 50497－2009建筑基坑工程監測技術規范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［5］黃騰，孫景領，陶建岳，等.地鐵隧道結構沉降監測及分析［J］.東南大學學報：自然科學版，2006，36（2）：262－266.

［6］王成余，馬建良.沉降觀測監測網的穩定性分析［J］.測繪通報，2010（12）：51－53.

［7］李慶海，陶本藻.概率測量原理和在測量中的應用［M］.北京：測繪出版社，1980：48－50.