复合地层新建隧道穿越既有地铁车站变形实测分析

摘要：结合某地铁线下穿既有隧道监测项目，研究新建隧道接近既有建筑物的施工过程的监测方法，从而建立一套较完备、系统的监测方案。采用已建立的监测方案，系统分析新开挖隧道对既有建筑物周围土体的变形规律，监测数据显示：新建盾构隧道掘进施工对既有建筑物周围土体的影响范围有限，不会引起既有线路的整体偏移;断面节点沉降曲线表现出，既有线路的水平及竖向位移大幅增长均发生在盾构机完成下穿既有线路之后，其中有断面的隆起超出控制值，这是后期监测应重视的关键点。

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.

关键词：新建隧道;既有建筑物;监测方法;变形

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

中图分类号：U455.43                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）22-0126-03

0  引言

随着我国城市化建设的急剧发展，城市规模大幅扩张，我国许多城市出现了“城市综合征”，主要表现为城市人口饱和，建筑空间拥挤和交通阻塞等问题[1]。其中交通阻塞被认为是国内许多城市广泛存在的问题。合理利用和开发地下空间，倡导公共交通出行，成为缓解交通压力的有效途径。地铁作为一种能够快速解决城市中交通阻塞、缓解交通压力的交通措施，在城市交通工程中处于举重若轻的位置。

隧道在开挖过程中，会造成隧道周围一定区域内土体扰动与沉降，改变土体原有的平衡状态[2]。轨道交通规划线路往往会途径人口密集，交通繁忙，建筑林立的市区。新建隧道的开挖会对既有建筑物的安全产生影响。当土体沉降达到阈值时，会对建筑物的安全使用产生不可恢复的影响。新建隧道施工穿越既有构筑物时，若土体的沉降、变形没有得到有效的控制，会造成路面沉陷、坍塌，造成严重的事故[3-5]。因此隧道在施工过程中，必须及时、准确进行变形监测以便及时发现和预报险情，保证隧道施工的安全[6]。

1  工程概况及地质条件

1.1 工程概况和周边环境

本站为地下三层12.5m岛式站台车站。车站外包长度332.3m，标准段宽度22.1m，西端盾构加宽段宽度34.22m，东端盾构加宽段宽度25.62m，覆土厚度约3～4.2m。站區间左线设计长度912.065m，短链18.734m;右线长度930.457m，短链0.343m;覆土厚度在12m至25m区间。采用盾构法进行施工，依次穿越的地层为：卵石、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗、粗砂、砾砂等。局部存在上软下硬地层。本区间的场地条件较复杂，两侧及顶部地面的建构筑物较多，依次下穿现有地铁4号线。场地内管线复杂，主要有电力电缆、雨水、给水、污水、燃气和路灯等。隧道平面布置如图1所示。

1.2 水文地质概况

根据工程地质报告，根据土的结构特征以及物理力学性质指标综合分析，将场地土划分为8个主要层次，自上而下依次为：①素填土;②杂填土;③淤泥质黏土;④淤泥质砂;⑤粉质粘土;⑥粉砂;⑦细砂;⑧花岗岩。

本场地浅部地下水属于潜水类型，赋存于填土中，主要由大气降水和地表水补给，排泄主要表现为大气蒸发和向场地南侧的深圳河排泄;本场地第一承压水主要存在于粉质粘土层，该层主要是通过地下径流补给和排泄，水量较丰富。勘察期间测得地下稳定水位埋深1.20～7.30m，高程-1.84～3.03m。根据地区经验地下水位的年平均变化幅度为0.5～2.0m。

2  监测方法

2.1 监测内容

新隧道的开挖方式、进尺大小，开挖部分无支护的暴露时间等因素与近距离既有建筑物的安全、运营存在较强的关联性，这就要求做好监测工作，保证隧道施工及既有建筑物的安全。本项目根据相关规范及设计要求，主要负责受地铁隧道下穿及车站施工过程中施工影响区段的水平位移及沉降监测。10号线施工位置处于4号线的下方，下穿的震动及受力的变化容易对10号线对应位置产生变形。4号线处于运营阶段，沉降变形要求高，因此利用科学有效的监测仪器，实现对既有线隧道的实时监测，确保地铁4号线的结构和运营安全。

2.2 监测控制标准

为降低隧道开挖过程中的风险，需有一套针对隧道开挖引起的土体变形的预警机制。依据《城市轨道交通安全保护区施工管理办法》2018版，当实际变形值达到最大允许变形值的60%时，须向有关单位发出黄色预警;当达到最大变形允许值的80%时，应发出橙色报警;当超过最大变形允许值时，应发出红色报警。且当首次报警后，若测点以较大的速率继续下沉变形，应视情况继续报警。本项目变形监测控制指标如表1所示。

2.3 监测频率

本项目监测工期：初始值在注浆之前1周之内完成，停止时间为最后100天平均变形速率小于0.04mm/d，具体时间以施工进度为准。

如现场无异常情况则按上述频率正常观测，若出现以下情形时应及时调整监测频率：①当出现工程事故或其它因素造成监测数据变化出现异常时，及时增加监测频率（采用自动化监测的项目应同时辅以人工监测复核），第一时间通知业主、监理和施工方，并根据业主的指示增加监测频率直至危险或安全隐患解除。②当监测数据的累计变化值接近或超过报警值时，自行增加相应区段监测点的监测频率，直至监测数据变化平稳。

2.4 测点布设

地铁隧道结构变形监测中监测断面、监测点和基准点的选取非常重要。通过选取反映隧道结构局部或整体变形以及处于重要结构部位的位置设置监测点，由点构成监测断面，再由这些点与面的变化情况来反映隧道结构变形的实际状况。

2.4.1 基准点布置

该项目在施工影响范围之外两端处共设置8个基准点。基准点标志采用徕卡圆棱镜。埋设方法：在连接头下端焊接φ16长约20cm的钢筋，用φ18的钻头冲击成孔，清孔后灌注植筋胶，再把标志打入孔中，待胶固化后将园棱镜套上并扎实。

2.4.2 监测点布置

监测断面是受测处的隧道正交横断面，并在该断面上布置有多个监测点。监测断面尽可能在测量范围内的隧道段中均匀分布。在地铁4号线区间施工影响区域范围内进行自动化监测，具体监测断面布置如图2。

2.4.3 仪器安装

徕卡自动化全站仪是整个自动化监测系统中最主要的部分。它本身能够自动整平、自动调焦、自动正倒镜观测、自动进行误差改正、自动记录观测数据，及其独有的ATR（Automatic Target Recognition，自动目标识别）模式，使全站仪能进行自动目标识别，操作人员一旦粗略瞄准棱镜后，全站仪就可搜寻到目标，并自动瞄准的这些功能在整个监测系统发挥着重大的作用，安置方法见图3。

3  实测结果分析

根据本文所述的监测方案，对现场监测的数据进行处理，本文仅对隧道内9个断面中的节点2进行水平位移和竖直沉降进行分析。

3.1 左线实测结果分析

10号线穿过既有线路工程耗时长，对变形控制要求高。本文对该工程近2年的监测数据进行分析，因数据量庞大、繁杂，为保证处理结果简洁明了，遂对时间变量进行简化处理。将时间变量t设为4周为一周期进行处理，处理结果如图4～图7所示。其中2018年10月5日进行现场注浆加固施工;2018年12月28日10号线右线盾构机进行下穿4号线施工;2019年1月18日10号线右线盾构机完成下穿4号线施工;2019年4月12日10號线左线盾构机正在下穿4号线施工;2019年4月26日10号线左线盾构机完成下穿4号线施工。

图4、图5为右线隧道未开挖阶段到完成下穿4号线阶段各测点的变形曲线。根据实测结果结合隧道开挖引起的变形特性可得[7]：①隧道内的2号点累积最大水平位移5.9mm，小于结构变形量预警值6mm，属于正常范围;②在隧道为开挖前，隧道变形值处于较平稳状态;③土体变形量从A点起发生急剧变化，A时间点10号线右线盾构机完成下穿4号线施工，这与盾构机开挖引起的土体变形特征相吻合。由于盾构对开挖工作面前方土体的挤压作用，地层产生微量隆起，从而造成纵向地层斜率、水平变形等叠加，使得盾构施工隧道纵向地层变形增大，从而对隧道附近地下管道设施产生一定的影响，这与盾构机开挖引起的土体变形特征相吻合[8]。

3.2 右线实测结果分析

图6、图7为左线线隧道未开挖阶段到完成下穿4号线阶段各测点的变形曲线。将图6、图7与图4、图5进行对比得出：①在隧道未开挖前，土体的水平位移与竖向位移均处于平稳状态，累积水平位移与累积竖向位移均在3mm内;②左线与右线并不是同一时间进行施工，但左、右线隧道土体的变形均在A（B）时间点发生急剧变化，说明左、右线隧道开挖引起的土体变形会相互影响;③盾构机完成下穿4号线后，左线隧道R02、R03断面2号节点隆起分别为12.1mm和11.5mm，右线隧道L03、L05断面2号节点隆起分别为14.9mm和14mm，这些数值均超过控制值10mm。超出控制值节点，会影响既有线路的正常使用及其寿命，应当引起重视[9]。

4  结论

通过对地铁下穿既有隧道项目分析研究，对新开挖隧道引起既有线路土体变形规律做了较全面总结分析，得出结论：①建立一套行之有效的监测方案，能及时将监测结果进行反馈，保证施工与监测的良好沟通，确保安全的施工环境，充分发挥监测的作用;②既有线路的水平及竖向位移大幅增长均发生在盾构机完成下穿既有线路之后，其中有断面的隆起超出控制值，这是后期监测应重视的关键点;③对城市密集建筑群进行盾构开挖，变形控制条件应成为安全控制的重要条件，防止变形过大的措施主要有：1）合理安排施工工序和开挖过程;2）及时调整盾构机姿态，控制掘进速度，使土舱压力波动控制在最小幅度范围内;3）开挖面做好支护措施，对临近线路及建筑物地基进行加固处理。

参考文献：

[1]钱七虎.迎接我国城市地下空间开发高潮[J]. 岩土工程学报，1998，20（1）：112-113.

[2]刘冠兰.地铁隧道变形监测关键技术与分析预报方法研究[D].武汉大学，2013.

[3]邱冬炜.穿越工程影响既有地铁隧道变形监测与分析[D]. 北京交通大学，2012.

[4]张文.地铁隧道穿越既有市政道路的地层变形规律与控制方法研究[D].山东大学，2017.

[5]龚伦.上下交叉隧道近接施工力学原理及对策研究[D].西南交通大学，2008.

[6]饶平平，陈尚荣，崔纪飞，等.黄浦区洛克外滩源深基坑监测研究[J].上海理工大学学报，2014（3）：227-233.

[7]袁兵.城市隧道开挖对地表建筑群的影响分析及其对策[J]. 岩土工程学报，2010（2）：296-302.

[8]施成华，彭立敏，刘宝琛.盾构法施工隧道纵向地层移动与变形预计[J].岩土工程学报，2003，25（5）：585-589.

[9]李围，何川.盾构隧道近接下穿地下大型结构施工影响研究[J].岩土工程学报，2006（10）：100-105.

作者简介：杨磊（1983-），男，湖南溆浦人，硕士，高级工程师，主要从事隧道及地下工程方面的研究工作。