数值分析结合自动化监测技术在地铁下穿工程中的应用

罗 勇

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

随着城市轨道交通修建规模的不断扩大，修建过程中不可避免地会出现地铁上跨或下穿既有建(构)筑物的情况[1-5]，而有时建筑物结构自身往往存在着某些病害，正处于待修复或是待加固的状态，而地铁由于线位或是工期等原因，不得不下穿既有病害建筑物，而如何确保地铁盾构施工期间既有病害建筑物的安全，是地铁施工亟需解决的问题，其中监控量测手段是关键，只有及时的发现问题，才能防患于未然[6-8]。

目前我国自动化监测技术应用在地铁中的工程案例还是比较多的[9-12]。刘振华通过对南宁地铁1号线区间盾构隧道下穿居民楼工程，总结了在富水强渗透圆砾地层中盾构隧道施工对地表沉降和房屋变形的影响规律[13]。姚爱军结合北京地铁10号线盾构穿越既有建筑物工程，采用FLAC3D数值分析程序，研究了盾构掘进各个过程地表变形规律，并根据规范提出建筑物基础的变形控制标准[14]。魏龙刚结合莞惠铁路盾构隧道穿越老城区，通过现场对结构提前注浆、盾构机掘进参数优化等措施，确保建筑物安全[15]。

尽管国内外已对各类地层条件下盾构隧道下穿工程做了大量的分析研究和现场监测，总结了一些地表沉降规律和建筑物的变形规律，但是大多数工程案例都是隧道与建(构)筑物正交或斜交的情况，且近接施工长度较短。而某城市轨道交通区间盾构隧道下穿地下商贸城工程，为盾构法区间隧道长距离平行下穿建筑物的特例，区间平行下穿长度达320 m，国内外类似工程实例较少，其施工引起的周边地层损失会导致埋置于其中的建筑物产生沉降及变形，况且商贸城结构自身存在一定病害，一旦施工过程中稍有不慎，可能会引起建筑物结构产生变形开裂，乃至垮塌。因此，本工程施工存在较高的工程风险和技术难度，需要对其施工导致的结构变形行为和控制措施进行重点研究，并对施工过程进行详细监测和精细控制。结合地铁盾构长距离穿越地下商贸城工程案例，通过数值模拟分析和采用自动化监控量测手段，探讨信息化施工对控制建筑物变形及病害发挥的关键作用。

1 工程简介

1.1 工程概况

某地铁区间隧道地处城市中心繁华路段，沿道路下方南北向敷设，盾构从车站始发后，长距离平行下穿地下商贸城，而后到达接收。盾构区间上、下行线线间距约为12 m，隧道顶距地下商贸城底板净距9.3～10.8 m，下穿段落长约320 m。为确保区间盾构下穿商贸城的安全性，首先，在管片设计时已考虑在下穿范围内的隧道管片上预留了二次注浆孔，从隧道内部对拱部180°、深度1.5 m范围土体及时进行二次注浆加固并严格控制注浆压力。其次，在下穿地下商贸城之前100 m设置为盾构掘进试验段，优化盾构掘进参数，减少盾构施工对花园街商贸城的扰动。区间隧道与地下商贸城平、纵、横剖面位置关系如图1～图3所示。表1统计了各地层的物理力学参数。

图1 区间隧道与商贸城的平面关系(单位：m)

图2 区间隧道与商贸城的纵剖面关系(单位：m)

图3 区间隧道与商贸城的横剖面关系(单位：m)

地层密度/(kg/m3)弹性模量/MPa黏聚力/kPa摩擦角/(°)泊松比填土19901520150.40黏土2010206113.90.32黏土夹粉土19602036180.32粉土19002215330.27粉土夹粉砂1920202520.10.31黏土2100216614.60.33粉质黏土2020205516.80.32

1.2 地下商贸城情况

1.2.1 地下商贸城结构形式介绍

地下商贸城为地下一层结构，由A区、B区、C区、D区、E区5个区组成，如图4所示，平面呈“十”字形，总建筑面积为18 341.42 m2。该工程平时功能为地下商业街、人行过街。

图4 地下商贸城分区平面示意(单位：m)

地下商贸城结构形式为带柱帽的无梁楼盖结构体系，采用独立基础形式，基本柱间距6.8 m×6.8 m，结构高度6.1 m，结构顶板、底板、侧墙厚度均为0.4 m，结构柱尺寸0.5 m×0.5 m。顶板覆土厚1.4 m。结构沿花园街方向每隔约60 m设置1道变形缝。地下商贸城结构的横剖面如图5所示。

1.2.2 地下商贸城病害情况介绍

经现场踏勘检查，地下商贸城结构在街道十字交叉区域病害比较严重，病害范围如图6所示。发现商贸城内部部分地砖出现空鼓、凹陷、开裂，结构顶板、侧墙局部存在开裂、渗水等现象，如图7所示。

图5 地下商贸城结构横剖面示意(单位：m)

图6 地下商贸城结构病害区域

图7 地下商贸城结构病害展示

鉴于地下商贸城结构的病害情况，地铁公司已委托第三方鉴定评估单位对地下商贸城结构进行了检测评估。评估结论为：目前地下商贸城结构的容许绝对沉降值为20 mm，差异沉降值为15 mm，盾构下穿过程中需采取措施，加强对商贸城结构变形的监测。由于地铁区间隧道平行下穿地下商贸城长度距离达320 m，地下商贸城结构变形控制严格，且该区域地质情况较为复杂，周边建筑物密度高、交通量巨大、施工条件受限，因此如何在施工过程中严格控制由于盾构掘进所导致的建筑物变形，成为本工程亟需解决的主要问题。

2 盾构施工数值分析

在施工前，为预测盾构施工对地下商贸城的扰动程度及其变形规律，同时为建筑物变形监控量测提供理论依据，采用数值计算软件对下穿工程进行模拟分析。

2.1 基本假定

软件模拟盾构施工过程中各个因素对结构沉降产生的影响需做一些假定，在同一条件基础上进行假设，使计算步骤得到了简化，所需要的计算时间最少，计算速度也得到了提高，具体假设情况如下：

(1)当地地形平坦，本模型假定地表及各层土都是均匀分层分布的；

(2)对管片采用线弹性材料模拟；

(3)通过在掌子面法向施加推力，来模拟盾构刀盘掘进过程中对前方土体产生的压力；

(4)土体的剪切破坏符合摩尔库伦曲屈服准则；

(5)通过改变注浆层的材料参数来模拟管片注浆效果。

2.2 三维计算模型

由于地下商贸城沿南北向全长近320 m，沿东西向全长近240 m，呈“十”字形排列，全长模拟计算过于缓慢，且地下商贸城结构存在施工缝和变形缝，没有必要取全长模拟。因此选取地下商贸城十字交叉病害区域范围进行建模分析。计算采用FLAC3D有限差分数值计算软件。考虑到盾构隧道直径D为6.2 m，隧道埋深约17 m，左右线隧道净距为12 m，因此三维计算模型结合地下商贸城结构变形缝的位置，横向宽度为80 m(约14D)，沿隧道线路方向的长度选取60 m，深度选取上至地表，下至隧道底部以下30 m(约5D)。地下商贸城结构采用线弹性模型，用实体单元进行模拟。最终的数值计算模型如图8所示，共有143 840个单元，151 453个节点。

图8 数值模拟三维模型

结构参数见表2所示。

表2 结构的物理力学参数

2.3 盾构开挖模拟过程

在FLAC3D程序中，通常采用空单元法和刚度迁移法来实现盾构的掘进过程模拟[16]。对盾构掘进全过程进行三维数值模拟过程中，大部分重要环节将被考虑，以尽可能地模拟盾构施工对地层的扰动，这些环节如下。

(1)盾构机的模拟：对盾构施工过程进行模拟，模拟盾构机对开挖面的压力，盾构壳体支撑力等作用。

(2)盾尾空隙的模拟：周围地层移动主要是受到盾尾空隙引起的，通过临空面的产生来模拟盾尾空隙，同时模拟浆液的注入，通过压力的情况和硬化的程度等来模拟真实的情况。

(3)管片与注浆层的模拟：管片衬砌在注浆层硬化后产生支护作用，并考虑注浆层硬化的时效特性。

(4)后方台车荷载。

土压平衡式盾构掘进模拟的基本过程如图9所示。

图9 盾构掘进过程模拟示意

2.4 计算结果

2.4.1 隧洞开挖竖向位移场分析

隧洞开挖完成后所引起的土体和地下商贸城结构的竖向位移分析如下。

(1)土体竖向位移场分析(图10)

图10 土体沉降云图(单位：m)

由图10可以看出，土体沉降在隧道上方表现非常明显，在2～3倍隧道洞径范围内均受到沉降影响。土体沉降在隧道盾构施工完毕后的最大值为21.03 mm。

(2)结构竖向位移场分析(图11、图12)

图11 地下商贸城板墙三维沉降云图(单位：m)

图12 地下商贸城结构柱子沉降云图(单位：m)

图11蓝色区域显示为结构板、侧墙沉降云图最大区域，而从蓝色区域到两侧红色区域，结构板、墙的沉降值逐渐减小，红色区域为最小；图12蓝色区域显示为商贸城结构柱子的沉降云图的最大区域，而同样从蓝色区域到红色区域，结构柱子的沉降值逐渐减小，红色区域为最小。可以看出，盾构隧道施工完成后，地下商贸城结构沉降在双线隧道之间位置变形值相对较大，远离隧道两侧变形值相对较小。

2.4.2 结构变形特征分析

(1)结构横向变形特征分析

在分析的过程中选取纵向中间断面结构(y=30对应的断面)作为考察断面。提取商贸城结构底板横向沉降(隆起)数据，其统计曲线如图13所示。横坐标中“0”点对应左隧道拱顶中心在地表的投影，横坐标中“12”点对应右线隧道拱顶中心在地表的投影，Y(6)、Y(12)、Y(18)、Y(24)表示隧道施工时工作面位置在考察断面前方6，12，18，24 m处。

图13 结构横向沉降曲线

由图13看出，商贸城结构横向沉降在双线隧道之间部位变形值比较大，最大沉降值约9.5 mm；往两侧逐渐减小，最小沉降值约0.5 mm，沉降差值为10 mm，均满足监测评估单位给出的指标。根据曲线可看出，隧道开挖引起的横向沉降影响区域大概为隧道左、右线及两侧各20 m范围，因而需对区间隧道上方及隧道外20 m范围内的商贸城结构进行重点监测。

(2)结构纵向(沿区间隧道长度方向)变形特征分析

提取商贸城结构底板纵向沉降(隆起)数据，其统计曲线如图14所示。其中A(18)、A(24)、A(30)、A(36)、A(42)、A(48)分别表示隧道开挖工作面距初始开挖隧道口18，24，30，36，42，48 m处。

图14 结构底板纵向沉降曲线

由图14看出，隧道开挖时，由于盾构刀盘的推力作用，在刀盘掌子面前方约10 m范围的商贸城底板产生一定的隆起，隆起值约1 mm；当盾构机通过时，开始由隆起逐渐沉降；盾尾脱离后，约到盾构隧道掌子面后方20 m(3D)时，商贸城结构沉降才开始趋于稳定，最大沉降值约9.5 mm。纵向最大沉降差值约10.5 mm， 均满足评估单位给出的指标。根据曲线可看出，隧道开挖引起的结构纵向(沿区间隧道长度方向)沉降影响区域大概为盾构隧道刀盘面前10 m范围和盾尾后方已施工隧道范围，因此，需对该范围内的地下商贸城结构进行重点监测。

3 自动化监测技术的应用

3.1 自动化监测的必要性

(1)地下商贸城为地下空间，内部光线昏暗，不便于人工测量。

(2)相对人工监测，自动化监测在数据采集频率和精度、信息反馈方面都有很大优势。

由于地下商贸城结构自身存在病害，需在盾构下穿过程中时刻采集相关数据，及时掌握商贸城结构的变形情况，用现场监测的结果反馈到设计及施工中，及时采取相应的施工技术措施，以实现动态设计，动态施工。故推荐采用自动化监测技术。

3.2 自动化监测系统及监测范围

本工程采用静力水准自动化监测系统，其主要是通过连通器的液体压强原理和电容传感器的工作原理，对每个测点进行测量，准确了解液面在每个容器内的变化情况，再计算求得各点相对于基点的相对沉降量[17-20]。静力水准监测原理如图15所示。

图15 静力水准监测原理示意

监测范围以前述数值分析计算结果为依据，在隧道下穿地下商贸城320 m范围内，横向对隧道上方及两侧20 m范围内的地下商贸城结构墙、柱布置监测点，对盾构刀盘前方10 m和后方20 m隧道纵向范围上方的地下商贸城结构进行重点监测。地下商贸城结构监测点布置剖面如图16所示。监测项目汇总见表3。

图16 地下商贸城结构监测点布置示意

监测项目监测仪器数量/个商贸城结构沉降监测静力水准仪279商贸城结构倾斜监测倾角仪173商贸城结构裂缝监测测缝计122监测频率重点监测范围实时监测,其余范围每天3次

地下商贸城结构静力水准仪和倾角仪的现场安装情况如图17所示。

图17 监测仪器现场安装

3.3 监测结果对比分析

为使结果对比具有代表性，选取十字交叉区域的监测断面做对比分析，即以里程为SK14+308处监测断面的地下商贸城结构横向沉降量数据为例，将计算的模拟结果与实测的结果进行对比分析，如图18所示。现场的实测数据最大沉降量为9.5 mm，和数值计算最大沉降量接近，且二者的曲线走势大体相同，说明软件计算结果能较好地反映工程实际，对提前进行监控测点的布置起到很大作用。

图18 数值模拟与实测结果对比

4 结论

以某市轨道交通区间隧道盾构下穿地下商贸城工程为例，利用FLAC3D数值分析软件进行了盾构开挖模拟，并结合自动化监测手段，得到如下结论。

(1)根据理论计算及实际监测，盾构隧道施工对地下商贸城的影响范围为隧道上方及两侧20 m横向范围。商贸城结构最大绝对沉降值约为9.5 mm<20 mm，最大差异性沉降值为10.5 mm<15 mm，均满足评估单位给出的安全指标。

(2)为降低盾构施工造成的地层损失，及时对区间下穿地下商贸城段隧道拱部管片外侧地层进行二次注浆加固是很有必要，但必须严格控制注浆压力。

(3)为避免盾构盲目掘进，首先通过数值分析掌握盾构隧道下穿地下商贸城的变形规律，然后根据变形规律制定监测方案，再结合自动化监测手段，实时掌握地下商贸城的变形数据，然后将相关数据及时反馈到盾构机控制室，通过调整盾构推力、土仓压力、掘进速度等掘进参数，实现了盾构的信息化施工，最大程度降低了对地下商贸城的扰动。该工程的成功实施，为今后类似下穿工程提供参考。