復合地層新建隧道穿越既有地鐵車站變形實測分析

摘要：結合某地鐵線下穿既有隧道監測項目，研究新建隧道接近既有建筑物的施工過程的監測方法，從而建立一套較完備、系統的監測方案。采用已建立的監測方案，系統分析新開挖隧道對既有建筑物周圍土體的變形規律，監測數據顯示：新建盾構隧道掘進施工對既有建筑物周圍土體的影響范圍有限，不會引起既有線路的整體偏移;斷面節點沉降曲線表現出，既有線路的水平及豎向位移大幅增長均發生在盾構機完成下穿既有線路之后，其中有斷面的隆起超出控制值，這是后期監測應重視的關鍵點。

Abstract： Combined with the monitoring project of Line 10 crossing the existing line 4， the monitoring method of the construction process of the newly excavated tunnel approaching the existing line was studied， so as to establish a complete and systematic monitoring scheme. The established monitoring scheme is adopted to systematically analyze the deformation law of newly excavated tunnel on the soil around the existing buildings. The monitoring data shows that the influence range of newly excavated shield tunnel tunneling construction on the soil around the existing buildings is limited and will not cause the overall migration of existing lines. The settlement curve of the section node shows that the significant increase of horizontal and vertical displacement of the existing line occurs after the shield machine completes the undercrossing of the existing line， in which the uplift of the section exceeds the control value， which is the key point that should be paid attention to in the later monitoring.

關鍵詞：新建隧道;既有建筑物;監測方法;變形

Key words： new tunnel;existing buildings;monitoring methods;deformation

中圖分類號：U455.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）22-0126-03

0? 引言

隨著我國城市化建設的急劇發展，城市規模大幅擴張，我國許多城市出現了“城市綜合征”，主要表現為城市人口飽和，建筑空間擁擠和交通阻塞等問題[1]。其中交通阻塞被認為是國內許多城市廣泛存在的問題。合理利用和開發地下空間，倡導公共交通出行，成為緩解交通壓力的有效途徑。地鐵作為一種能夠快速解決城市中交通阻塞、緩解交通壓力的交通措施，在城市交通工程中處于舉重若輕的位置。

隧道在開挖過程中，會造成隧道周圍一定區域內土體擾動與沉降，改變土體原有的平衡狀態[2]。軌道交通規劃線路往往會途徑人口密集，交通繁忙，建筑林立的市區。新建隧道的開挖會對既有建筑物的安全產生影響。當土體沉降達到閾值時，會對建筑物的安全使用產生不可恢復的影響。新建隧道施工穿越既有構筑物時，若土體的沉降、變形沒有得到有效的控制，會造成路面沉陷、坍塌，造成嚴重的事故[3-5]。因此隧道在施工過程中，必須及時、準確進行變形監測以便及時發現和預報險情，保證隧道施工的安全[6]。

1? 工程概況及地質條件

1.1 工程概況和周邊環境

本站為地下三層12.5m島式站臺車站。車站外包長度332.3m，標準段寬度22.1m，西端盾構加寬段寬度34.22m，東端盾構加寬段寬度25.62m，覆土厚度約3～4.2m。站區間左線設計長度912.065m，短鏈18.734m;右線長度930.457m，短鏈0.343m;覆土厚度在12m至25m區間。采用盾構法進行施工，依次穿越的地層為：卵石、強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗、粗砂、礫砂等。局部存在上軟下硬地層。本區間的場地條件較復雜，兩側及頂部地面的建構筑物較多，依次下穿現有地鐵4號線。場地內管線復雜，主要有電力電纜、雨水、給水、污水、燃氣和路燈等。隧道平面布置如圖1所示。

1.2 水文地質概況

根據工程地質報告，根據土的結構特征以及物理力學性質指標綜合分析，將場地土劃分為8個主要層次，自上而下依次為：①素填土;②雜填土;③淤泥質黏土;④淤泥質砂;⑤粉質粘土;⑥粉砂;⑦細砂;⑧花崗巖。

本場地淺部地下水屬于潛水類型，賦存于填土中，主要由大氣降水和地表水補給，排泄主要表現為大氣蒸發和向場地南側的深圳河排泄;本場地第一承壓水主要存在于粉質粘土層，該層主要是通過地下徑流補給和排泄，水量較豐富。勘察期間測得地下穩定水位埋深1.20～7.30m，高程-1.84～3.03m。根據地區經驗地下水位的年平均變化幅度為0.5～2.0m。

2? 監測方法

2.1 監測內容

新隧道的開挖方式、進尺大小，開挖部分無支護的暴露時間等因素與近距離既有建筑物的安全、運營存在較強的關聯性，這就要求做好監測工作，保證隧道施工及既有建筑物的安全。本項目根據相關規范及設計要求，主要負責受地鐵隧道下穿及車站施工過程中施工影響區段的水平位移及沉降監測。10號線施工位置處于4號線的下方，下穿的震動及受力的變化容易對10號線對應位置產生變形。4號線處于運營階段，沉降變形要求高，因此利用科學有效的監測儀器，實現對既有線隧道的實時監測，確保地鐵4號線的結構和運營安全。

2.2 監測控制標準

為降低隧道開挖過程中的風險，需有一套針對隧道開挖引起的土體變形的預警機制。依據《城市軌道交通安全保護區施工管理辦法》2018版，當實際變形值達到最大允許變形值的60%時，須向有關單位發出黃色預警;當達到最大變形允許值的80%時，應發出橙色報警;當超過最大變形允許值時，應發出紅色報警。且當首次報警后，若測點以較大的速率繼續下沉變形，應視情況繼續報警。本項目變形監測控制指標如表1所示。

2.3 監測頻率

本項目監測工期：初始值在注漿之前1周之內完成，停止時間為最后100天平均變形速率小于0.04mm/d，具體時間以施工進度為準。

如現場無異常情況則按上述頻率正常觀測，若出現以下情形時應及時調整監測頻率：①當出現工程事故或其它因素造成監測數據變化出現異常時，及時增加監測頻率（采用自動化監測的項目應同時輔以人工監測復核），第一時間通知業主、監理和施工方，并根據業主的指示增加監測頻率直至危險或安全隱患解除。②當監測數據的累計變化值接近或超過報警值時，自行增加相應區段監測點的監測頻率，直至監測數據變化平穩。

2.4 測點布設

地鐵隧道結構變形監測中監測斷面、監測點和基準點的選取非常重要。通過選取反映隧道結構局部或整體變形以及處于重要結構部位的位置設置監測點，由點構成監測斷面，再由這些點與面的變化情況來反映隧道結構變形的實際狀況。

2.4.1 基準點布置

該項目在施工影響范圍之外兩端處共設置8個基準點。基準點標志采用徠卡圓棱鏡。埋設方法：在連接頭下端焊接φ16長約20cm的鋼筋，用φ18的鉆頭沖擊成孔，清孔后灌注植筋膠，再把標志打入孔中，待膠固化后將園棱鏡套上并扎實。

2.4.2 監測點布置

監測斷面是受測處的隧道正交橫斷面，并在該斷面上布置有多個監測點。監測斷面盡可能在測量范圍內的隧道段中均勻分布。在地鐵4號線區間施工影響區域范圍內進行自動化監測，具體監測斷面布置如圖2。

2.4.3 儀器安裝

徠卡自動化全站儀是整個自動化監測系統中最主要的部分。它本身能夠自動整平、自動調焦、自動正倒鏡觀測、自動進行誤差改正、自動記錄觀測數據，及其獨有的ATR（Automatic Target Recognition，自動目標識別）模式，使全站儀能進行自動目標識別，操作人員一旦粗略瞄準棱鏡后，全站儀就可搜尋到目標，并自動瞄準的這些功能在整個監測系統發揮著重大的作用，安置方法見圖3。

3? 實測結果分析

根據本文所述的監測方案，對現場監測的數據進行處理，本文僅對隧道內9個斷面中的節點2進行水平位移和豎直沉降進行分析。

3.1 左線實測結果分析

10號線穿過既有線路工程耗時長，對變形控制要求高。本文對該工程近2年的監測數據進行分析，因數據量龐大、繁雜，為保證處理結果簡潔明了，遂對時間變量進行簡化處理。將時間變量t設為4周為一周期進行處理，處理結果如圖4～圖7所示。其中2018年10月5日進行現場注漿加固施工;2018年12月28日10號線右線盾構機進行下穿4號線施工;2019年1月18日10號線右線盾構機完成下穿4號線施工;2019年4月12日10號線左線盾構機正在下穿4號線施工;2019年4月26日10號線左線盾構機完成下穿4號線施工。

圖4、圖5為右線隧道未開挖階段到完成下穿4號線階段各測點的變形曲線。根據實測結果結合隧道開挖引起的變形特性可得[7]：①隧道內的2號點累積最大水平位移5.9mm，小于結構變形量預警值6mm，屬于正常范圍;②在隧道為開挖前，隧道變形值處于較平穩狀態;③土體變形量從A點起發生急劇變化，A時間點10號線右線盾構機完成下穿4號線施工，這與盾構機開挖引起的土體變形特征相吻合。由于盾構對開挖工作面前方土體的擠壓作用，地層產生微量隆起，從而造成縱向地層斜率、水平變形等疊加，使得盾構施工隧道縱向地層變形增大，從而對隧道附近地下管道設施產生一定的影響，這與盾構機開挖引起的土體變形特征相吻合[8]。

3.2 右線實測結果分析

圖6、圖7為左線線隧道未開挖階段到完成下穿4號線階段各測點的變形曲線。將圖6、圖7與圖4、圖5進行對比得出：①在隧道未開挖前，土體的水平位移與豎向位移均處于平穩狀態，累積水平位移與累積豎向位移均在3mm內;②左線與右線并不是同一時間進行施工，但左、右線隧道土體的變形均在A（B）時間點發生急劇變化，說明左、右線隧道開挖引起的土體變形會相互影響;③盾構機完成下穿4號線后，左線隧道R02、R03斷面2號節點隆起分別為12.1mm和11.5mm，右線隧道L03、L05斷面2號節點隆起分別為14.9mm和14mm，這些數值均超過控制值10mm。超出控制值節點，會影響既有線路的正常使用及其壽命，應當引起重視[9]。

4? 結論

通過對地鐵下穿既有隧道項目分析研究，對新開挖隧道引起既有線路土體變形規律做了較全面總結分析，得出結論：①建立一套行之有效的監測方案，能及時將監測結果進行反饋，保證施工與監測的良好溝通，確保安全的施工環境，充分發揮監測的作用;②既有線路的水平及豎向位移大幅增長均發生在盾構機完成下穿既有線路之后，其中有斷面的隆起超出控制值，這是后期監測應重視的關鍵點;③對城市密集建筑群進行盾構開挖，變形控制條件應成為安全控制的重要條件，防止變形過大的措施主要有：1）合理安排施工工序和開挖過程;2）及時調整盾構機姿態，控制掘進速度，使土艙壓力波動控制在最小幅度范圍內;3）開挖面做好支護措施，對臨近線路及建筑物地基進行加固處理。

參考文獻：

[1]錢七虎.迎接我國城市地下空間開發高潮[J]. 巖土工程學報，1998，20（1）：112-113.

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[4]張文.地鐵隧道穿越既有市政道路的地層變形規律與控制方法研究[D].山東大學，2017.

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[9]李圍，何川.盾構隧道近接下穿地下大型結構施工影響研究[J].巖土工程學報，2006（10）：100-105.

作者簡介：楊磊（1983-），男，湖南溆浦人，碩士，高級工程師，主要從事隧道及地下工程方面的研究工作。