地鐵隧道結構沉降監測分析

陶茂枕

(南昌市城市規劃設計研究總院，江西 南昌 330038)

1 引 言

目前國內已經有許多城市地鐵線路建成運營，通過對一些已運營的線路調查研究發現，在建設過程和運營期間，其隧道、高架橋、U型結構、路基擋墻等主體結構均有變形發生，從而引起線路沉降、軌道變形，嚴重時則影響運營安全。為了及時掌握地鐵主體結構的變形情況，及時消除安全隱患，在運營期間，對主體結構采取適宜的變形監測是非常必要的，選擇代表性部位進行沉降變形監測，對變形較大的地段及時采取適當的補救措施，確保運營安全，延長結構使用壽命，對保證地鐵安全運營和長期節約維修成本具有重要的意義[1，2]。

2 監測技術與方法

隧道結構沉降監測主要是監測隧道結構的底板，實質上是對隧道道床進行沉降監測，通過隧道道床的沉降監測來反映隧道結構底板的變形。主要包括區間隧道的沉降監測、車站的沉降監測和隧道與車站交接處的差異沉降監測[3，4]。

2.1 監測基準網布設

沉降監測基準網是沉降監測的參考系，基準點的穩定直接影響監測成果的正確性，基準網通常采用三級層次進行布設，分別為基準點、工作基點、監測點，網形宜布設成閉合或附合水準路線[5]。

2.2 沉降監測

2.2.1 隧道沉降監測

(1)盾構隧道

盾構隧道內道床上沉降監測點每隔15環布設一個，采用頂部呈半球型的不銹鋼膨脹螺栓為標志，統一規格，用鉆孔機引孔用混凝土填充后打入道床軌枕內，一般布設在軌道中心線上。標志的一頭帶有十字或對中小圓點，露出道床約 5 mm。布設示意圖如圖1所示。

圖1 隧道沉降監測點布設示意圖

(2)明挖矩形隧道

區間矩形隧道沉降監測點的布設以矩形隧道變形縫間的隧道為單位，每節矩形隧道在側距變形縫 5 m處的整體道床線路中心位置各布設一個沉降監測點。如有其他設備設施影響，可實地進行縱橫向小范圍調整，布點方式與盾構隧道布點方式一致。布設示意圖如圖2所示。

圖2 明挖隧道沉降監測點布設示意圖

2.2.2 車站結構沉降監測

車站結構在站臺有效距離上下行的1/4、1/2、3/4處分別布沉降監測點，同時在車站與區間分界線5m處各布設2處沉降監測點，即每個車站上下行線各布設5個監測點，如圖3所示。

圖3 車站沉降監測點布設示意圖

2.2.3 隧道與車站交接處差異沉降監測

以車站與區間隧道分界線為準，在車站距其 5 m、隧道第一環(距分界線約 1 m)處分別布設1個沉降監測點，通過兩點之間變化量差值來計算差異沉降量。如圖4所示。

圖4 車站隧道差異沉降監測點布設示意圖

3 監測實施

本文以南昌市軌道交通2號線首通段為例。南昌市軌道交通2號線首通段于2017年8月開通運營，全長約 20 km，均為地下線，設置車站17站，換乘站1座，其中南路站～西站南廣場站為明挖矩形隧道，全長約 8.2 km，西站南廣場站～地鐵大廈站為盾構隧道，全長約 11.8 km。

南昌軌道交通2號線首通段于2017年4月開始進行點位布設，6月完成初始值采集工作，截至2020年7月共完成9次監測。

3.1 基準網測量

3.1.1 基準網布設

基準網采用遠離線路且穩定的基巖水準點作為高程起算點，并在沿2號線線路行駛方向上選取3個穩定的基巖點作為工作基點，組成了圖5所示的監測基準網。

圖5 監測基準網示意圖

基準網以4個基巖水準點布設成閉合水準路線，測量采用標稱精度為 ±0.3 mm/km的天寶DINI03電子水準儀，并配備相應的銦瓦水準尺按照軌道一等幾何水準測量的要求進行施測。觀測頻率為每年復測一次、截至2020年7月，共觀測4次。

3.1.2 數據處理

(1)水準標尺尺長誤差改正

本項目所采用的水準尺為因瓦條碼水準尺，平差計算前應對測量的高差數據進行尺長誤差改正。按測段進行高差改正，改正量計算公式為：

△h=0.01×(Hi+1-Hi)

其中，Hi及Hi+1為測段兩端點的近似高程值。

(2)水準面不平行改正

南昌軌道交通工程2號線首通段為南北走向，長度約 20 km，兩點地球重力值受緯度影響有一定的差異。按照《國家一、二等水準測量規范》進行水準面不平行誤差改正。

將改正后的測段數據采用科傻(COSA)軟件以距離為權倒數進行嚴密平差計算，表1為3個工作基點4期的高程值。

工作基點各期高程值(單位/m) 表1

3.1.3 數據分析

依據《建筑變形測量規范》(JGJ8-2016)5.4節要求，沉降基準點穩定性檢驗分析應符合下列規定：

①基準點網復測后，對所有基準點應分別按兩兩組合，計算本期平差后的高差數據與上期平差后高差數據之間的差值。

②當計算的所有高差差值均不大于按下列公式計算的限差時，認為所有基準點穩定：

式中：δ為高差差值限差(mm)；n為兩個點之間的測站數；μ為對應精度等級的測站高差中誤差(mm)；

按照《建筑變形測量規范》(JGJ8-2016)中表3.2.2取值，根據本項目測量精度，μ值為 0.15 mm。

根據上述公式可得，各段高差限差及各點穩定性如表2所示。

基準網各期檢測高差較差 表2

由以上分析數據可知，工作基點均處于穩定狀態，但考慮到監測基準網的精度要求，尤其是相對精度要求明顯高于施工控制網精度，為減少基巖點自身高程精度對后期監測網的約束影響，監測基準網的高程值以初始測量值為準[6]。

3.2 沉降監測

沉降監測按照《城市軌道交通工程測量規范》(GB/T 50308-2017)二等水準的技術要求，在上行隧道區間、下行隧道區間各布置一條附合水準線路，水準線路聯測該區間的所有沉降監測點，地面工作基點與地下監測點通過車站樓梯進行上下水準測量[7，8]。如圖6所示。

圖6 沉降監測網示意圖

3.2.1 數據處理

將改正后的測段數據采用科傻(COSA)軟件以測站為權倒數進行嚴密平差計算，本項目平差分為三個區段進行平差，分別為：

第一區段：地鐵大廈站～臥龍山站；

第二區段：臥龍山站～站前南路站；

第三區段：站前南路站～南路站。

計算時采用地面基巖工作基點為高程起算點，按附合線路進行平差。

3.2.2 數據分析

本項目共完成監測沉降監測點3 952個，其中車站479個，明挖隧道618個，盾構隧道 2 855個，根據各期監測點位累計變化量繪制表3，統計各累計變化值的區段占比，直觀獲取整條線路在監測期間的整體變形與安全狀況。

將監測數據按照上、下行線選取部分監測期數分別繪制明挖及盾構段累計沉降量曲線圖，圖7、圖8分別為第2期、第6期、第8期、第9期累計沉降量曲線圖。

各期累計沉降量統計表 表3

圖7 2號線首通段累計沉降量曲線圖

圖8 2號線差異沉降量曲線圖

根據圖7、圖8可以得出：

(1)整條隧道出現了不同程度的上升和下沉，上下行線的變化規律較為相似，整體變形量控制在預警范圍內，對結構和行車無礙，可正常運營通車；

(2)在里程為SK14+000與XK14+000(大崗站～生米站區間)至2019年開始，監測數據顯示隧道整體結構明顯上升，經實地踏勘和分析，產生明顯變化的原因為：①施工原因：隧道上方進行管廊施工，隧道上部土方開挖后導致隧道上方土方卸力，隧道整體隆起；②地質原因：地質條件較差，主要以砂層為主，上層土方卸力后，地層反應較大，導致隧道結構隆起；

(3)線路差異沉降量均小于2 mm，均附合小于規范0.04%×L=2.4 mm(L為兩監測點間距為 6 m)的要求，對行車影響較小，可正常運營。

4 結 論

(1)在地鐵隧道變形分析中，應重點關注車站與隧道結構的差異沉降，若隧道與車站均處在均勻沉降中，對結構和行車是無礙的。

(2)基準點的穩定性是影響監測數據的關鍵因素，基準點的穩定與否直接決定監測數據的正確性，所以在監測過程中對基準點的穩定性分析尤為關鍵。

(3)利用監測點沉降量統計圖表可以直觀獲取整條線路在監測期間的整體變形趨勢，便于地鐵管理部門的正確決策。

(4)當監測數據顯示隧道出現較大的沉降變形時，應立即對監測數據進行分析，防止因數據測量或處理錯誤導致隧道發生變形，在數據核實無誤后，應密切關注周邊是否存在施工，發現異常情況后應立即報告業主單位。