監控量測技術在地鐵保護區近距離施工中的應用

舒 波， 吳泰楨， 趙仕淞， 任 建

(成都地鐵運營有限公司，四川成都 610000)

隨著我國城市軌道交通的快速發展，軌道交通以高速度、低能耗、高容納率、低污染等優點成為公共交通系統的重要組成部分[1]。同時越來越多的項目沿地鐵線路開發，在項目的實施過程中可能會影響運營線路地鐵結構的安全。因此監測技術對運營線路地鐵結構的安全性及施工項目自身安全具有重要現實意義。本文就以某地下通道頂管工程為例進行分析，為以后地鐵保護區近距離地下通道施工提供參考依據。

1 工程概況

該地下通道頂管工程下穿市政主干道，上跨地鐵運營一號線。通道頂板上部覆土厚度約4.5 m，依次為地面道路路面結構層、雜填土、粉質黏土、砂層、松散卵石，其中頂管穿越地層為松散卵石和稍密卵石，局部為砂層，地下水位處于地下14 m。該通道與地鐵1號線十字交叉，與地鐵隧道左右線垂直凈距約為3 m(圖1)。相交位置的地鐵區間隧道采用盾構法施工，隧道埋深約12 m。根據CJJ/T 202-2013《城市軌道交通結構安全保護技術規范》，判定該頂管工程對地鐵隧道作業影響等級為特級[2]。為確保地鐵運營線路與頂管施工安全，進行監控量測是非常有必要的。

圖1 地下人行通道與地鐵1號線位置關系

2 監測方案

2.1 地鐵1號線區間隧道監測方案

2.1.1 自動化監測系統的建立

由于地鐵運營的限制，人工監測只能在列車停運后進行，時效性不能滿足要求，因此對地鐵運營隧道的監測采用全站儀自動化監測系統。該自動化監測系統主要包含GeoMoS軟件、徠卡TM50監測機器人、無線數據傳輸等部分(圖2)。

圖2 自動化監測流程

GeoMoS軟件是由徠卡測量系統研發的自動化監測軟件平臺，可以實現計算機遠程控制和配置，可以按照既定的程序設置開展監測作業，并實時反映當前監測對象的結構狀態。GeoMoS主要分為監測器(Monitor)和分析器(Analyzer)，都連接于SQL Server數據庫。徠卡TM50實現了調節焦距、正倒鏡監測、數據記錄、辨別目標、對準作用等自動化功能，自動照準(ATR自動目標識別)角度精度達到0.5″，距離達3 000 m，監測精度滿足監測要求。無線數據傳輸主要使用3G、4G網絡的無線數據終端(DTU)進行數據傳輸。

2.1.2 監測網的布設

地鐵運營隧道的監測項目主要為豎向位移監測、水平位移監測、結構收斂監測、道床差異沉降四類。控制指標應根據城市軌道交通的結構安全保護技術要求及現行國家標準GB 50157《地鐵設計規范》、CJJ/T 202-2013《城市軌道交通結構安全保護技術規范》確定，監測項目控制值見表1。

隧道監測點位主要包含固定設站點、基準點、監測測點。固定設站點點位應選取在頂管工程對隧道的影響范圍之外，且在基準點與監測測點之間相對穩定的位置進行布置。基準點包含2個基準點組，選取在地下通道施工影響范圍外地鐵1號線上下行線洞身處各布置基準點4個，并牢固的安置觀測棱鏡。監測測點布置在隧道洞身斷面上，平面垂直交叉區3 m一個斷面，交叉區以外每隔10 m布置一個斷面，每個斷面布設5個棱鏡，分別為隧道道床2個、拱腰2個以及靠近地下通道側拱部位置1個，沿隧道洞身環向布置(圖3～圖5)。

表1 運營地鐵1號線監測項目控制值

備注：監測過程中，及時與洞外(地下通道)監測聯動，并進行數據綜合分析。道床縱向差異沉降控制值為0.04%Li，Li為沿隧道軸向兩測點間距。

圖3 點位平面布置示意

圖5 區間隧道斷面測點埋設

2.1.3 計算方法的選取

地鐵區間隧道內環境復雜，限制了許多監測方法的使用，本項目主要選用極坐標法進行計算。該方法是利用數學中的極坐標原理，以兩個已知點為坐標軸，以其中一個點為極點建立極坐標系，測定觀測點到極點的距離，以及觀測點與極點連線和兩個已知點連線的夾角從而來計算觀測點坐標的方法。其特點為方便靈活，能較好地避開各種遮擋，且工作效率高，適合于各種條件的監測。

2.2 地表隆沉監測

為監控地下通道周圍土體的位移，了解土體穩定性，對下穿通道與運營隧道的安全狀況間接判斷，應進行地表監測。監測項目控制指標參考頂管施工相關技術規范、設計要求和相關監測經驗，結合地區地層特性和項目特點確定(表2)。測點埋設主要采用窖井測點形式，利用人工開挖或鉆具成孔的方式進行埋設，要求穿透路面結構層(圖6、圖7)。計算方法采用高程差計算，即利用測得的各監測點與基準點的高差計算監測點隆沉情況。

表2 地下通道監測項目控制值

(a) 測點設計

(b) 鉆孔

(c) 測點埋設圖6 地表沉降監測點埋設示意

圖7 地表沉降斷面監測設計(單位:mm)

3 監測數據分析

該工程于6月18日始發，8月1日進入地鐵左線范圍，8月6日穿出地鐵左線外緣，8月10日進入地鐵右線范圍，8月13日穿出地鐵右線，順利完工。本文主要選取地鐵隧道結構豎向與水平位移、地表沉降進行分析。

根據地鐵隧道區間監測數據表明：在頂管施工過程中對地鐵隧道的影響非常小，豎向位移最大隆起值0.54 mm(控制值：5 mm)；水平位移最大值為-0.79 mm(規范控制值：10 mm)；在施工過程中數據未出現異常現象(圖8、圖9)。

(a) 頂管機穿越右線隧道

(b) 頂管機穿越左線隧道圖8 地鐵隧道結構豎向位移曲線

根據地表監測數據表明：在頂管施工過程中對地表沉降的影響較大，部分監測點位超過控制值，達到35 mm。具體數據分析如下：(1)盾構頂管機穿越地鐵隧道左線過程中地表沉降遠小于右線上方沉降值，主要原因為路面重新鋪設鋼板造成原有測點壓占、破壞，后期重新布設測點監測，導致穿越過程中左線上方地表部分沉降值損失(刀盤擾動造成的沉降)。左線上方沉降值僅占右線上方沉降值的5 %～15 %，故說明施工造成沉降的主要原因為刀盤擾動造成的地層塌陷。(2)地表沉降值在-10 mm～-35 mm之間，遠超出施工前評估值最大值-5 mm，且部分測點有沉浮現象，在實際施工過程中出現了塌陷及補注漿引起該現象(圖10)。

(a) 頂管機穿越右線隧道

(b) 頂管機穿越左線隧道圖9 地鐵隧道結構水平位移曲線

圖10 地鐵保護區內線路中線點累計沉降曲線

4 結束語

(1)地下通道頂管施工過程中，地鐵保護區內地鐵結構各個監測項目的累計變化量遠遠小于控制值，無明顯異常，地鐵運營正常。

(2)施工期間由于刀盤擾動明顯甚至引起地表塌陷，地表沉降累計值超過控制值，應在施工前對地層進行加固，施工完成后應對地層進行補償注漿確保道路路面安全。

(3)結合地鐵隧道與地表監測累計值分析，小面積塌陷不會影響地鐵隧道監測值的突變。

(4)該工程地鐵保護措施有效，為以后類似的工程積累相關經驗。