运营中地铁隧道变形的动态监测方法及研究

赵凌云

摘要：上海地铁隧道的变形及形变的因素有很多，包括地质条件、地下水状况、地表沉降、安保区违规施工等因素，均会对在建地铁、运营地铁产生一定影响。如果不能对地铁隧道重点区间进行全天候实时监测，造成的后果难以估量。工程经验表明地铁隧道一旦发生险情，将会造成巨大的灾难和损失，民众也会恐慌心理，对社会安定产生不良影响。本文借助某工程施工监测状况进行了分析，对紧邻基坑施工扰动影响的隧道变形进行了全面合理的动态监测，主要使用设备为全站仪，可实现24h无人值守连续监测，每次监测均可在地铁运行间隔内完成要求。监测数据、采集数据可为后期施工提供一定的理论参考依据，为工程应用的顺利实现打下良好的基础。

关键词：地铁隧道 变形监测 基坑施工 安全控制

近年来上海地铁的运营里程的不断增加，数以千万的日客流量已成为常态化，轨道交通大动脉的贯通，为城市高速发展奠定了基础，为上海这座金融中心的提供了强大发展动力。随着网络化运营的发展，地铁沿线周围深基坑开挖作业不断增多，部分基坑与地铁隧道间距越来越小。加强运营期地铁隧道的维保工作，减小紧邻地铁隧道基坑开挖、建筑施工等作业产生的负面影响，是当下地铁运营期需主要考虑的任务。

信息化施工在当前在建地铁，运营线路施工中贯穿始终，信息化作业可有效指导施工过程。施工中主要采用时空效应法、逆作法及注浆法等保护临近隧道，避免隧道变形等状况的发生。但上述一切要求需建立在对地铁隧道变形的严密监控基础上。常规地铁变形监测方法主要有：连通管法、巴塞特等手段，对运营地铁速调的监测难度较高。原因在于地铁一般运行时间短，运行期间相关操作人员严禁入内。当前也有采用电水平、三维激光等监测技术，考虑到高精度的需要，本文介绍无人看护、全自动的监测方法，可在短期时间内完成隧道的变形监测，并及时提交数据成果，为临近基坑施工及运营地铁监护可提供更加可靠的参考依据。

一、隧道监测原则、要求分析

（一）隧道监测原则

隧道监测需要遵循以下原则：1.可靠性原则，作为监测中最为关键的原则，需要格外的注意，为了有效的提升监测的可靠性，可以采用高精度仪器，并注重对监测点位的保护；2.多层次原则，在检测对象的选择上，要注意对位移和隧道内力的考虑并兼顾其他监测目的，主要采用仪器监测及巡检的方法；3.重点区间监测原则，需要根据工程对象的不同合理的设置施工步骤，不切有针对性的对重点位置进行实时动态监测，重点关注建筑物及地下管线的安全问题；4.方便实用性原则，从提高监测便利度，控制监测对施工干扰的角度出发，需要保证系统的安装、测量等必须方便实用；5.经济合理。系统设计时需要考虑仪器设备，仪器选择方面，需要结合性能、价格等进行控制，保证检测费用的合理。

（二）地铁隧道变形监测的要求

首先，监测目的。运营地铁隧道监测主要考虑隧道变形规律、形变特性，在保证地铁运行安全的基础上进行基坑开挖作业，为基坑开发提供合理的监测依据。

其次，监测要求。基坑施工是一个动态、连续工程，地铁隧道受施工影响，其实际施工位置也是变化的，为此需要加强隧道变形的连续监测。运营地铁隧道中，一般大部分时间是全封闭状态，不允许人员进入。为此，需要在隧道内设置自动化监测系统，借助先进仪器设备替代传统人工操作，提高隧道水平、垂直方向监测的精确性。并且，需要考虑地铁运行时间状况，一般地铁运行时间较短，监测系统需要实时监测受影响区域的隧道变形状况。某项目中，结合综合楼的设计图纸及上海市地铁保护相关文件要求，确定监测对象为地铁区间隧道基坑沿线60m及两端延伸30m位置，共计120m。监测内容主要包括基坑影响区域范围内的隧道水平、垂直位移。

二、监测系统的组成

一套完整的自动化监测系统，一般无需外接干预，便可实现自动观测、记录、存储、报表编制等功能。监测系统包括两个重要组成部分，那就是硬件和软件，具体包括以下内容：Leica TS30全站仪、计算机、相关软件、供电及通信电缆等。

Leica TS30全站仪可以自动进行棱镜的识别，可以发挥独特的跟踪功能还需要具有自校准、自动跟踪的能力；合理同时对多个目标进行操作，具有重复测量的功能，可以随时变化监测方式，进行正倒镜测量等操作。考虑到全站仪是通过三维坐标来完成测量过程的，只需要进行一次就可以实现对垂直和水平方面的测量，具体的监测系统示意图如图1所示。

三、监测结果的探讨

（一）监测断面点的布置

根据现场状况、监测方案，某工程地铁隧道区间布置了自动化监测断面13个，每个断面布置了5-7个监测点，一共86个监测棱镜，断面间距为5m。借助Leica TS30全站仪进行连续监测。人工监测17个、2个为收敛断面、13个轨距与差异沉降断面，还有两个应变监测断面，夜间停车后一般需要借助人工监测完成作业。

（二）监测方案

首先，监测组织，现场一般会成立一个盾构下穿监测组，该小组需要及时与业主、施工方的密切配合，并对盾构下穿过程进行全程跟踪，实现24小时连续监测，借助自动化系統实现实时监测和指导作业的目的。监测施工中，监测组、盾构机操控室电话相连接，一般间隔0.5h便会进行一次位移观测，间隔1h会形成一份完整的报告，每拼装一环管片后，汇报一次掘进参数、监测数据，主要包括：行进速度、刀盘扭矩、注浆量及出土量等。监测工作具有准确、及时、高效的特点，可做到三方联动效应，保证施工人员、专家可结合自动化监测数据信息进行调整，控制土仓压力、千斤顶推力、注浆压力等满足施工要求。并可再次对观测数据的变化趋势进行分析和预测，做到隧道信息的全面科学管理，加强信息化施工建设水平的大幅提升。

一般状况下，地铁停运后需要及时进行人工复测，并与实时监控数据进行核对比较，保证整个监测作业的合理性，从而提高盾构穿越施工的安全等级。为了保证监测结果具有代表性，需要加强变形位置的合理选择，一般选择3个断面，在每个断面两边各取一点，分析其变化趋势。endprint

其次，监测结果分析。从图2中分析可以得出下述几点结论：第一、5.9-5.10日、6.1-6.3之间，隧道发生较为明显的沉降趋势，表明盾构施工在进入下方边缘时，发生了快速沉降，原因在于隧道结构较为敏感，一般需要借助盾构机进行土仓压力的控制，避免隧道结构进一步沉降；第二，从5.16-6.2日的沉降状况分析可得出，沉降趋势变化较为稳定，说明施工中，盾构机脱离4号线行进至稳定区域后，盾构参数仍较为稳定，可及时进行背后注浆、二次注浆管理。虽然后续仍有工后沉降，但是沉降量仍较小，无法对地铁结构物产生过多负面影响。该项目中左线穿越完成后，最大累计沉降为7.0-7.1mm，在变形控制规定范围之内；第三，右线穿越后，由于现场设备发生的故障问题，导致盾构机掘进时间延长，在地铁其他线轨区内停留时间过长，引起了隧道结构的过渡沉降，危害极大，这一沉降呈现出明显波动的趋势；第四、6.2-6.9期间内沉降趋势又有显著变化，呈现增加趋势，沉降速率也有一定提高，表明右线穿越时，地铁结构的重叠影响极为严重，反应灵敏度增加，但是其他盾构参数仍维持在较为稳定的区间，属于匀速快速运行。6.9日之后，发生了少量沉降作用，累计数据为（9.0±0.2）mm之内；左右累计沉降为（16.0±0.2）mm，均在变形控制范围之内；第五、穿越完成后，需要加强后续监测，提高隧道结构变形、沉降变形的管理和预测。结果表明，隧道穿越初期具有一定规律性，如初期沉降量较大，原因在于该类穿越是始发穿越，相关设备，尤其是盾构机的参数不满足最佳状态，需要根据工程特点及时进行设备的调节，保证盾构机可及时转换状态，提高参数设置的合理性，保证监测数据达到稳定、均匀的状态。一般可根据监测数据判断盾构机状态，监测数据稳定、匀速，表明盾构机正在匀速、快速前进；如果数据出现少量突出数值，极大或极小数值，表明地质状况可能发生改变，也有可能是盾构机、拼装机等设备发生的问题，故障状况下进行了监测，这种装置需要及时停止设备运行，进行设备故障查找，并采取合理措施进行管理，避免沉降量过大引发的危害。当速调穿越施工结束后，如果发生微小沉降作用引发的变形，但是整个趋势大体平缓，表面发生了滞后沉降作用，需要及时进行后续处理，如加强监测作业的时间等，结合项目施工特点进行管理。

四、隧道变形影响因素分析

（一）施工期的影响

地铁施工变形的主要原因在于：盾构机推动周边土壤、灌浆施工等引起的负面现象。隧道施工一般是盾构推进半年后开工，隧道变形、土体变形等一般是作业期间便会形成；铺设隧道前，需要及时将接缝螺栓拧紧，并考虑二次预紧的作用。再者，土压平衡盾构、施工工艺等将会对土体产生负面影响，隧道施工变形一般是均匀的，在量值区间内，对纵向变形的负面影响相对较少。

（二）隧道上方载荷

地表上方一般不是空旷区域，可能有建筑体、设备、工厂等，容易产生地表加载作用，进而会引起地铁隧道纵向不均匀性。如果地铁隧道是饱和黏土，考虑到隧道下侧土体反作用力影响，下土层压缩模量会与未修建隧道前偏小，同时受扰动土层的长时间下沉固结的地铁隧道在地层表面加载时候仍在缓缓持续，因此加载施工时，土层压缩厚度比正常状况下更大，地表加载量可能会更小，进而会产生较为轻微的隧道下土层下沉问题。

（三）周边基坑施工

地铁隧道在四周开挖基坑作业中，可能会引发隧道变形，主要表现：基坑隆起、基坑斜向变形。施工中，如果基坑向下开挖，一般会对土体产生垂直方向的作用力，引起基坑底部土体的反弹问题等不容忽视。此外，还需要考虑周围土体对基坑的挤压作用力，避免基坑底部土体水平作用力的负面影响，该状况会导致基坑底部土体向上隆起问题严重。再者，基坑开挖深度增加，基坑内外高度差会逐渐加大，这种高差所引起的加载力也会增加，会推动基坑四周土体向内部运动，产生明显的隆起问题。

基坑开挖底部土体的斜向变形，如果基坑开挖失去部分土体，该土体的支撑作用会大打折扣，为此需要考虑基坑的挤推作用力等要素。基坑作业一般是先开挖、后支撑，周边土体的作用力很明显，一般都会产生水平位移。如果基坑深度不断增加，基坑内外土体的高度差将会增加，四周土体均会有向中间运动的趨势，将会引起基坑周边发生快速沉降的问题。基坑周边土体向下、向坑内运动，导致隧道斜下方会产生极为明显的纵向变形问题，需要引起施工方的重视。

五、结语

本文针对地铁隧道中的隧道变形问题、监测方法等进行了探讨，主要探讨了无人看守、实时监测、动态管理的方法。工程研究表明，监测系统可充分满足系统工程的要求，具有监测速度快、精度高、负面影响小及自动化程度极高的优势，可在地铁运行时间内完成所需的动态监测。借助监测数据、监测结果可为后期基坑施工打下良好基础，提供准确的指导数据。

参考文献：

[1]解则晓，徐尚.三维点云数据拼接中ICP及其改进算法综述[J].中国海洋大学学报（自然科学版），2010，（01）.

[2]张玉成，杨光华，姚捷，等.基坑开挖卸荷对下方既有地铁隧道影响的数值仿真分析[J].岩土工程学报，2010，（S1）.

[3]贵慧宏，张锦，陈永剑.基于GTS901A的测量机器人变形监测自动化软件的开发[J].测绘科学，2010，（04）.

[4]张正禄，孔宁，沈飞飞，卢凌燕.地铁变形监测方案设计与变形分析[J].测绘信息与工程，2010，（06）.

[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）.

[6]党永超.西安地铁隧道自动化监测技术与变形数据的分析研究[D].长安大学，2015.

[7]付丽丽，叶亚林，陈昊.自动化监测技术在地铁隧道中的应用[J].城市勘测，2012，（07）.

[8]孙泽信，张书丰，刘宁.静力水准仪在运营期地铁隧道变形监测中的应用及分析[J].现代隧道技术，2015，（03）.

（作者单位：上海地铁维护保障有限公司）endprint