基于分层标组沉降监测的基坑工程降水对邻近地铁隧道的影响分析

2020-10-26许言

上海国土资源 2020年3期

许言

（1. 上海市地质调查研究院，上海 200072；2. 自然资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072；3. 上海地面沉降控制工程技术研究中心，上海 200072）

近20年来，上海轨道交通、铁路枢纽、高速公路等现代化城市交通生命线工程不断投入运营。由于中心城区出现了持续性的不均匀地面沉降[1-4]，同时大规模城市建设活动引发的工程性沉降越来越显著[5-6]，对重大基础设施安全运营产生了不同程度的影响。针对以上问题，上海自2006年以来在全市地面沉降监测网的总体框架下，在重大基础设施沿线建设了大量水准监测点及浅部土层分层沉降监测标组，形成既相对独立、又与中心城水准网紧密联系的重大基础设施地面沉降骨干监测网，对工程性沉降发生的主要土层开展分层监测，提高了重大基础设施安全运营的地质保障能力。

分层标是一组埋设在不同深度松散土层分界面位置的地面水准观测标志，其目的是为掌握各类性质土层在垂直方向上的压缩或回弹变形量，研究其变形规律，为分析地面沉降产生的机理、建立预警预报机制提供数据支撑[7-11]。分层标被广泛应用于长江三角洲[12-13]、华北平原[14-15]、汾渭盆地[16]等地面沉降重点发育地区，以往对于分层标的研究多集中于对区域地面沉降背景下的土层动态变形特征分析[17-18]，但对现有重大基础设施沿线分层标组监测成效的研究与分析较少，尤其是局部工程建设活动影响下的土体分层变形监测。

随着轨道交通、高架桥梁、越江隧道等城市交通生命线工程运营规模的不断扩大，重大基础设施的安全运营与城市安全和发展的关系越来越密切，其重要性日益突出。本文拟利用现有重大基础设施沿线分层标组的监测成果，开展工程降水活动对邻近地铁隧道影响的分层标组沉降监测分析。

1 案例工程概况

选取的案例工程为上海某地铁换乘车站的基坑降水工程（见图1）。该工程邻近的地铁A线已开通运营多年，与在建地铁B线呈十字型换乘，换乘车站I的主体结构采用1000 mm厚地下连续墙作为基坑围护结构，深度为46 m（标高-43.5m），采用明挖顺筑法施工。该基坑降水工程于2011年12月设备进场，至2013年2月完成降压井封井，共历时约1年2个月。施工的基坑范围内浅部主要以粉性土和黏性土为主，是基坑降水的主要疏干地层（见表1）。基坑范围内分布有⑦层承压水，地层为粉砂或粉细砂，富水性好，但含水层顶面极不稳定，含水层厚度在3～15 m不等。根据基坑开挖深度，端头井基坑进入第⑤3层中上部，标准段基坑进入第⑤1层底部，围护结构插入⑦2底部，隔断了⑦层承压水。

2 现场监测概况

案例工程周边建有一组分层标（见图1），编号分别为FS#1、FS#2、FS#3、FS#4和FS#5（详见表2），位于换乘车站Ⅰ的北侧，距离最近的地铁A线隧道中轴线约40 m（位于隧道50 m保护区范围内），用于监测案例工程所在区域的土体变形情况。

表1 场地地层特性表Table 1 Characteristics of soil layer in the case site

由表2可以看出，研究区域内的地铁A线隧道均埋置于分层标FS#2和FS#3标底之间的④层灰色淤泥质黏土中。该分层标组FS场地处配建有一口⑦层承压含水层水位监测井（见图1），井深52.6 m，滤水管位于埋深40.8～45.5 m处。

表2 分层标组监测信息统计表Table 2 Monitoring information of the extensometer group

图1 案例工程示意图Fig.1 Schematic diagram of the case project

3 监测结果分析

根据邻近地铁隧道埋置的位置，将分层标组监测的土层划分为隧道上覆土层、隧道埋置土层和隧道下卧压缩层（⑨层承压含水层顶板以上，详见表2）。依据地铁隧道长期监测的轨道沉降数据，绘制了累积沉降综合曲线图（图2），其中土体分层沉降曲线基于分层标组监测的累积压缩变形数据绘制；地铁上行线、下行线隧道的沉降曲线基于距离分层标组最近的地铁A线轨道沉降监测数据绘制。

图3根据邻近地下水位监测井的人工监测数据绘制，反映了案例研究区域范围内⑦层承压含水层的水位标高变化情况。

图3 ⑦层承压含水层监测井水位标高历时曲线图Fig.3 Duration curve of the first confined aquifer water level in the monitoring well

图4根据地铁A线隧道长期监测的轨道沉降数据绘制，分别选取了紧邻车站I和紧邻车站II的两组监测点，以反映同一地铁区间线路上不同区域的隧道沉降随时间变化情况。

图5以车站II为起始点（作基准点），绘制了研究区间范围内隧道纵断面的相对沉降拟合曲线，分别选取了2011年12月、2012年6月、2012年12月和2013年6月四个典型工况时间点，直观表现不同时间点的隧道纵向断面差异变形情况。

以图5中2011年12月（基坑降水开始）监测到的隧道纵断面沉降数据为基准，绘制了研究区间范围内隧道断面在2012年6月、2012年12月和2013年6月三个监测时间点相对于2011年12月监测时间点沉降量变化的拟合曲线（图6），重点反映基坑降水工程施工期间的隧道纵向断面差异变形情况。

通过总结该区域周边监测范围内的工程建设活动，将监测数据按5个时间阶段进行划分，以对图2～图6进行分析。5个时间阶段分别为：（1）分层标组开始监测，至商业中心南楼建成开业；（2）商业中心南楼建成开业，至地铁B线车站I基坑降水开始；（3）基坑降水工程实施阶段；（4）基坑降水工程封井，至B线车站I开通运营；（5）车站I开通运营，至商业中心北楼建成开业（详见表3）。

图4 A线研究区间隧道沉降历时曲线Fig.4 Tunnel subsidence duration curve of line A in the studied section

图5 A线研究区间隧道纵断面沉降拟合曲线Fig.5 Subsidence fitting curve of the line A tunnel longitudinal section

图6 A线研究区间隧道纵断面差异沉降拟合曲线Fig.6 Differential subsidence fitting curve of the line A tunnel longitudinal section

表3 现场工况基本情况Table 3 Field condition information

（1）第一阶段：2009.10-2010.12

分层标组FS于2009年10月开始监测，研究区域内的地铁A线已开通运营多年。从图2可以看出，隧道所在的土层和上覆土层压缩变形速率较为稳定，而监测到的下卧压缩层有微量回弹的趋势，各层的平均回弹速率均在2 mm/a左右。总体而言土层变形较为稳定，商业中心南楼的施工过程未对该区域浅层土体产生较明显的影响。从隧道自身的沉降趋势来看，上、下行线隧道均出现了约11 mm/a的持续沉降，其速率显著大于分层标组监测的各土层压缩变形速率。从⑦层承压含水层水位来看（图3），该时间段内水位总体处于持续抬升的趋势，隧道的显著沉降应与⑦层以下深部土层的压缩变形有关[19-20]。从图4可以看出，邻近车站I的隧道沉降速率约为邻近车站II隧道沉降速率的1.5倍，表明商业中心的施工可能为该时间段隧道显著沉降的主要诱因之一。

（2）第二阶段：2010.12-2011.12

该时间段的土层压缩变形趋势与上一阶段较为近似，隧道所在的土层和上覆土层仍以2 mm/a的速率持续压缩变形，而监测到的下卧压缩层也出现微量压缩趋势，可能与该时期⑦层承压水位出现了约1.5 m的下降有关。该阶段的主要变化来自于隧道沉降，从图4可以看出，隧道各监测点由上一阶段的快速沉降转而出现了约2 mm的回弹，一方面可能与商业中心南楼的施工结束有关，另一方面有待于查明深部含水层的水位是否有持续抬升现象。

（3）第三阶段：2011.12-2013.2

该时间段为工程降水实施阶段，其中2011年12月至2012年10月开展了基坑降水工程的成井施工，并未进行大规模的抽水，沉降监测曲线变化较小。2012年10月起，基坑降水工程开始按计划进行抽水作业，从图2可以看出，分层标组监测到的各土层出现了显著的压缩变形趋势，其中地铁隧道所在的④、⑤1层压缩变形速率约为6.5 mm/a，地铁隧道上覆的②1、③层压缩变形速率约为4.8 mm/a，地铁隧道下卧压缩层（⑤3、⑦和⑧层）的压缩变形速率约为12.0 mm/a。图3表明，该时间段内⑦层承压水位持续降低，下降速率达到了近4 m/a，可见基坑降水对⑦层的加速压缩变形产生了一定的影响。

反观地铁A线隧道，由图2和图4可以看出，该区域的隧道沉降曲线出现了一定的持续抬升趋势（约7 mm/a），与周边土层的压缩变形规律相反。由于同一区间内的地铁隧道具有一定的结构整体性，因此隧道沉降趋势会产生一定的随动效应。图6以工程降水实施的起始时间监测数据为基准点，可清晰的表现出基坑降水期间研究区域隧道的差异沉降情况。从图6可以看出，基坑降水施工半年（2012年6月）和1年（2012年12月）时，邻近车站Ⅰ一侧的隧道相对于其他位置显著下沉，相对沉降速率约为2.5～6.0mm/a；到基坑降水工程结束4个月时（2013年6月），靠近车站Ⅰ一侧的上行线隧道出现回弹，下行线隧道的相对沉降量也显著减少，可见虽然隧道由于受深部地质环境的影响整体回弹，但基坑降水工程引发了邻近地铁隧道的差异沉降。

（4）第四阶段：2013.2-2014.5

该阶段基坑降水工程已经结束，而地铁B线车站I尚未开始运营。从图3可以看出，该阶段⑦层承压水位迅速回升至接近工程降水开始前的状态。由于受施工的影响，该阶段分层标组无法进行测量未能获取土体分层沉降数据。图2表明，地铁隧道停止了持续回弹趋势，基本保持微量沉降的较稳定状态。从图4可以看出，邻近车站I和邻近车站II的隧道累积沉降差值有逐渐缩小的趋势。

（5）第五阶段：2014.5-2015.12

该阶段为地铁B线车站I正式运营至商业中心北楼建成开业的时间段，由图2和图3可以看出，受商业中心北楼施工的影响，各层土体和邻近隧道均出现了微量下沉的趋势，⑦层承压水位也有所降低。从图4可以看出，邻近车站I隧道和邻近车站II隧道的沉降差值迅速减小，基本恢复至协调变形的状态，表明该时间段工程降水对邻近隧道的影响已基本消除。