地铁隧道结构沉降监测分析

陶茂枕

(南昌市城市规划设计研究总院，江西 南昌 330038)

1 引 言

目前国内已经有许多城市地铁线路建成运营，通过对一些已运营的线路调查研究发现，在建设过程和运营期间，其隧道、高架桥、U型结构、路基挡墙等主体结构均有变形发生，从而引起线路沉降、轨道变形，严重时则影响运营安全。为了及时掌握地铁主体结构的变形情况，及时消除安全隐患，在运营期间，对主体结构采取适宜的变形监测是非常必要的，选择代表性部位进行沉降变形监测，对变形较大的地段及时采取适当的补救措施，确保运营安全，延长结构使用寿命，对保证地铁安全运营和长期节约维修成本具有重要的意义[1，2]。

2 监测技术与方法

隧道结构沉降监测主要是监测隧道结构的底板，实质上是对隧道道床进行沉降监测，通过隧道道床的沉降监测来反映隧道结构底板的变形。主要包括区间隧道的沉降监测、车站的沉降监测和隧道与车站交接处的差异沉降监测[3，4]。

2.1 监测基准网布设

沉降监测基准网是沉降监测的参考系，基准点的稳定直接影响监测成果的正确性，基准网通常采用三级层次进行布设，分别为基准点、工作基点、监测点，网形宜布设成闭合或附合水准路线[5]。

2.2 沉降监测

2.2.1 隧道沉降监测

(1)盾构隧道

盾构隧道内道床上沉降监测点每隔15环布设一个，采用顶部呈半球型的不锈钢膨胀螺栓为标志，统一规格，用钻孔机引孔用混凝土填充后打入道床轨枕内，一般布设在轨道中心线上。标志的一头带有十字或对中小圆点，露出道床约 5 mm。布设示意图如图1所示。

图1 隧道沉降监测点布设示意图

(2)明挖矩形隧道

区间矩形隧道沉降监测点的布设以矩形隧道变形缝间的隧道为单位，每节矩形隧道在侧距变形缝 5 m处的整体道床线路中心位置各布设一个沉降监测点。如有其他设备设施影响，可实地进行纵横向小范围调整，布点方式与盾构隧道布点方式一致。布设示意图如图2所示。

图2 明挖隧道沉降监测点布设示意图

2.2.2 车站结构沉降监测

车站结构在站台有效距离上下行的1/4、1/2、3/4处分别布沉降监测点，同时在车站与区间分界线5m处各布设2处沉降监测点，即每个车站上下行线各布设5个监测点，如图3所示。

图3 车站沉降监测点布设示意图

2.2.3 隧道与车站交接处差异沉降监测

以车站与区间隧道分界线为准，在车站距其 5 m、隧道第一环(距分界线约 1 m)处分别布设1个沉降监测点，通过两点之间变化量差值来计算差异沉降量。如图4所示。

图4 车站隧道差异沉降监测点布设示意图

3 监测实施

本文以南昌市轨道交通2号线首通段为例。南昌市轨道交通2号线首通段于2017年8月开通运营，全长约 20 km，均为地下线，设置车站17站，换乘站1座，其中南路站～西站南广场站为明挖矩形隧道，全长约 8.2 km，西站南广场站～地铁大厦站为盾构隧道，全长约 11.8 km。

南昌轨道交通2号线首通段于2017年4月开始进行点位布设，6月完成初始值采集工作，截至2020年7月共完成9次监测。

3.1 基准网测量

3.1.1 基准网布设

基准网采用远离线路且稳定的基岩水准点作为高程起算点，并在沿2号线线路行驶方向上选取3个稳定的基岩点作为工作基点，组成了图5所示的监测基准网。

图5 监测基准网示意图

基准网以4个基岩水准点布设成闭合水准路线，测量采用标称精度为 ±0.3 mm/km的天宝DINI03电子水准仪，并配备相应的铟瓦水准尺按照轨道一等几何水准测量的要求进行施测。观测频率为每年复测一次、截至2020年7月，共观测4次。

3.1.2 数据处理

(1)水准标尺尺长误差改正

本项目所采用的水准尺为因瓦条码水准尺，平差计算前应对测量的高差数据进行尺长误差改正。按测段进行高差改正，改正量计算公式为：

△h=0.01×(Hi+1-Hi)

其中，Hi及Hi+1为测段两端点的近似高程值。

(2)水准面不平行改正

南昌轨道交通工程2号线首通段为南北走向，长度约 20 km，两点地球重力值受纬度影响有一定的差异。按照《国家一、二等水准测量规范》进行水准面不平行误差改正。

将改正后的测段数据采用科傻(COSA)软件以距离为权倒数进行严密平差计算，表1为3个工作基点4期的高程值。

工作基点各期高程值(单位/m) 表1

3.1.3 数据分析

依据《建筑变形测量规范》(JGJ8-2016)5.4节要求，沉降基准点稳定性检验分析应符合下列规定：

①基准点网复测后，对所有基准点应分别按两两组合，计算本期平差后的高差数据与上期平差后高差数据之间的差值。

②当计算的所有高差差值均不大于按下列公式计算的限差时，认为所有基准点稳定：

式中：δ为高差差值限差(mm)；n为两个点之间的测站数；μ为对应精度等级的测站高差中误差(mm)；

按照《建筑变形测量规范》(JGJ8-2016)中表3.2.2取值，根据本项目测量精度，μ值为 0.15 mm。

根据上述公式可得，各段高差限差及各点稳定性如表2所示。

基准网各期检测高差较差 表2

由以上分析数据可知，工作基点均处于稳定状态，但考虑到监测基准网的精度要求，尤其是相对精度要求明显高于施工控制网精度，为减少基岩点自身高程精度对后期监测网的约束影响，监测基准网的高程值以初始测量值为准[6]。

3.2 沉降监测

沉降监测按照《城市轨道交通工程测量规范》(GB/T 50308-2017)二等水准的技术要求，在上行隧道区间、下行隧道区间各布置一条附合水准线路，水准线路联测该区间的所有沉降监测点，地面工作基点与地下监测点通过车站楼梯进行上下水准测量[7，8]。如图6所示。

图6 沉降监测网示意图

3.2.1 数据处理

将改正后的测段数据采用科傻(COSA)软件以测站为权倒数进行严密平差计算，本项目平差分为三个区段进行平差，分别为：

第一区段：地铁大厦站～卧龙山站；

第二区段：卧龙山站～站前南路站；

第三区段：站前南路站～南路站。

计算时采用地面基岩工作基点为高程起算点，按附合线路进行平差。

3.2.2 数据分析

本项目共完成监测沉降监测点3 952个，其中车站479个，明挖隧道618个，盾构隧道 2 855个，根据各期监测点位累计变化量绘制表3，统计各累计变化值的区段占比，直观获取整条线路在监测期间的整体变形与安全状况。

将监测数据按照上、下行线选取部分监测期数分别绘制明挖及盾构段累计沉降量曲线图，图7、图8分别为第2期、第6期、第8期、第9期累计沉降量曲线图。

各期累计沉降量统计表 表3

图7 2号线首通段累计沉降量曲线图

图8 2号线差异沉降量曲线图

根据图7、图8可以得出：

(1)整条隧道出现了不同程度的上升和下沉，上下行线的变化规律较为相似，整体变形量控制在预警范围内，对结构和行车无碍，可正常运营通车；

(2)在里程为SK14+000与XK14+000(大岗站～生米站区间)至2019年开始，监测数据显示隧道整体结构明显上升，经实地踏勘和分析，产生明显变化的原因为：①施工原因：隧道上方进行管廊施工，隧道上部土方开挖后导致隧道上方土方卸力，隧道整体隆起；②地质原因：地质条件较差，主要以砂层为主，上层土方卸力后，地层反应较大，导致隧道结构隆起；

(3)线路差异沉降量均小于2 mm，均附合小于规范0.04%×L=2.4 mm(L为两监测点间距为 6 m)的要求，对行车影响较小，可正常运营。

4 结 论

(1)在地铁隧道变形分析中，应重点关注车站与隧道结构的差异沉降，若隧道与车站均处在均匀沉降中，对结构和行车是无碍的。

(2)基准点的稳定性是影响监测数据的关键因素，基准点的稳定与否直接决定监测数据的正确性，所以在监测过程中对基准点的稳定性分析尤为关键。

(3)利用监测点沉降量统计图表可以直观获取整条线路在监测期间的整体变形趋势，便于地铁管理部门的正确决策。

(4)当监测数据显示隧道出现较大的沉降变形时，应立即对监测数据进行分析，防止因数据测量或处理错误导致隧道发生变形，在数据核实无误后，应密切关注周边是否存在施工，发现异常情况后应立即报告业主单位。