基坑上跨施工对既有地铁结构影响监测分析

代 杰 杜晓峰 邹道磊 姜爱辉

（1、山东轨道交通勘察设计院有限公司,山东 济南 250014 2、山东轨道交通工程咨询有限公司,山东 济南 250014 3、菏泽市测绘院,山东 菏泽 2740324、山东师范大学 地理与环境学院,山东 济南 250358）

随着社会经济的快速发展,城市建设密度不断增大,地铁保护区内的施工作业越来越多,尤其是近距离上跨既有地铁线路施工,容易造成地铁结构破坏,危及运营安全[1]。为了保证既有地铁结构及运营安全,除了在施工中采取相应控制措施外,还需加强对地铁结构的动态监测[2],掌握其在施工作业过程中的变形信息,对可能发生的事故提供及时准确的预报,避免事故的发生[3]。

本文通过对某石油管道迁改工程上跨济南地铁2号线过程监测数据的计算分析,掌握了地铁结构在上跨基坑施工全过程中的形变情况,结合相关水文地质等资料,总结积累形变规律,可为今后同类工程提供类比依据。

1 工程概况

拟建石油管道位于地铁区间隧道上方,与地铁线路走向夹角约80°。管道基坑的深度约5m,开挖宽度约11m,采用1:0.33 放坡开挖,基坑底部距离隧道结构顶部最小净距约4.5m；管道采用开挖预埋保护涵方式施工,两组管涵尺寸皆为3.22m（宽）×1.5m（高）,管涵净距约3.3m,拟建石油管道与地铁区间隧道相对位置关系如图1 所示。拟建场地地貌单元为山间平原～丘陵,地形较平坦。场地覆盖层主要由黏性土、碎石土组成,上覆新近人工填土,下伏燕山期闪长岩及奥陶系石灰岩、泥灰岩。场地内地下水位在地铁区间隧道底板以下,无需考虑地下水的影响。该项目位于地铁特别保护区范围内,施工作业影响等级为特级,基坑施工可能造成既有地铁结构的上浮和差异沉降变形。

图1 拟建石油管道与地铁区间隧道相对位置关系

2 监测方案实施

2.1 监测点位布设

在石油管道迁改施工过程中,需对济南地铁2 号线既有结构进行监测,监测范围为区间与拟建石油管道基坑相交及两侧各6 倍基坑开挖深度范围内隧道结构,监测范围约70m。其中包括强烈影响区10m,监测断面间距为2m；显著影响区20m,监测断面间距为5m；一般影响区40m,监测断面间距为10m。双线共布设28 道断面,具体监测点位布设平面位置如图2 所示。

图2 监测点位布设平面图

每个监测断面上,在隧道拱底布设一个沉降监测道钉,在隧道拱顶、两侧拱腰各安装一个棱镜点,在隧道拱脚处管片两侧各贴一个带十字中心反射片作为一道接缝张开量监测点[4],每个监测断面点位布设位置如图3所示。

图3 监测断面点位布设位置图

2.2 监测方法

拱底沉降监测采用几何水准测量方法,使用0.3mm/km 级精密电子水准仪进行观测；拱顶沉降监测采用中间设站三角高程法,管片结构水平位移、相对收敛监测采用极坐标法,均使用0.5＂级高精度全站仪进行观测；管片接缝张开量采用游标卡尺进行监测[5]。

监测工作自石油管道迁改施工开始,基坑开挖、管涵浇筑及基坑回填期间监测频率为1 次/1 天,基坑回填1 个月内监测频率为1 次/1 周,基坑回填1～2 个月内监测频率为1 次/2 周,基坑回填2～3 个月内监测频率为1 次/1 月。

2.3 监测数据分析

本项目自2019 年9 月15 日起开展监测工作,至2020 年3 月2 日监测工作结束,共完成监测92 次,区间受影响段隧道结构在整个监测周期内未出现监测预警情况。

2.3.1 拱底、拱顶沉降

拱底沉降共28 个监测点,累计变化量范围在+2.37mm～-1.56mm 之间,其中累计最大上浮变化量+2.37mm 发生位置为Y2断面拱底,发生时间为2019 年11 月30 日（西侧管涵结构施工）；累计最大下沉变化量-1.56mm 发生位置为Y5 断面拱底,发生时间为2019 年12 月28 日（基坑回填）。部分特征监测点变形- 时间曲线如图4 所示。

图4 拱底沉降变形- 时间曲线图

图5 拱顶沉降变形- 时间曲线图

拱顶沉降共28 个监测点,累计变化量范围在+1.50mm～-2.90mm 之间,其中累计最大上浮变化量+1.50mm 发生位置为Z11断面拱顶,发生时间为2019 年10 月24 日（东侧管涵结构施工）；累计最大下沉变化量-2.90mm 发生位置为Z6 断面拱顶,发生时间为2019 年11 月19 日（西侧管涵管道安装）。

如图4、5 所示,地铁隧道拱底、拱顶沉降监测数据变化趋势相似,基坑开挖及管涵结构施工阶段管片结构多数呈现不同程度上浮,由于基坑采用分区分时段开挖且支护较及时,上浮量较小且趋势较为平缓,至管涵结构施工完成且基坑未回填时上浮达到最大值；基坑回填后管片结构因土方回填发生小幅沉降,回填完成后管片结构变形趋于平稳。

2.3.2 管片结构水平位移

管片结构水平位移共56 个监测点,左线水平位移累计变化量范围在+2.00mm～-3.2mm 之间,右线水平位移累计变化量范围在+1.8mm～-3.1mm 之间,其中左线累计最大右（南）移量+2.00mm 发生位置为Z1 断面左（北）侧拱腰,发生时间为2019年12 月1 日（西侧管涵结构施工）；左线累计最大左移量-3.2mm 发生位置为Z2断面左侧拱腰,发生时间为2019 年10 月25 日（东侧管涵结构养护）。右线累计最大右移量+1.8mm 发生位置为Y1 断面右侧拱腰,发生时间为2019 年9 月26 日（东侧基坑开挖至底）；右线累计最大左移量-3.1mm 发生位置为Y3 断面左侧拱腰,发生时间为2019 年10 月22 日（东侧管涵结构养护）。

如图6、7 所示,由于基坑基坑采用分区分时段开挖,地铁隧道左（北）侧区域最先开挖,土体卸荷引起管片结构呈现左移趋势；由于开挖基坑较为狭长且开挖量不大,管片结构左移量较小；自地铁隧道右（南）侧区域开挖至基坑回填,管片结构出现右移并逐渐趋于平稳[4]。

图6 左线水平位移变形- 时间曲线图

图7 右线水平位移变形- 时间曲线图

2.3.3 管片结构相对收敛、接缝张开量

管片结构相对收敛共28 个监测点,累计变化量范围在+2.46mm～-3.19mm之间,其中累计最大张开变化量+2.46mm发生位置为Y4 断面拱腰,发生时间为2019 年12 月6 日（西侧管涵结构养护）；累计最大收缩变化量-3.19mm 发生位置为Z2 断面拱腰,发生时间为2019 年11月30 日（西侧管涵结构施工）。

管片接缝张开量共28 个监测点,累计变化量范围在+0.92mm～-1.07mm 之间,其中累计最大张开变化量+0.92mm 发生位置为Y1 断面拱脚,发生时间为2019年9 月20 日（东侧管涵基坑开挖）；累计最大收缩变化量-1.07mm 发生位置为Z3断面拱角,发生时间为2019 年12 月28 日（基坑已回填）。

如图8、9 所示,由于开挖基坑较为狭长且分段开挖,整体开挖扰动引起的地铁管片结构相对收敛、接缝张开量变形量较小且趋势平缓。需注意的是隧道水平位移和收敛在监测过程中受地铁联络通道施工的影响,监测数据有所波动,但整体较为稳定。

图8 相对收敛变形- 时间曲线图

图9 管片接缝张开量变形- 时间曲线图

3 结论

3.1 通过对石油管道基坑上跨施工过程中地铁隧道的变形进行分析,结合工程施工进度,可知地铁隧道变形规律与石油管道施工进度基本保持一致,地铁隧道结构随基坑开挖土体卸载、管涵回筑基坑回填等工序呈先升后降的趋势,整体变形幅度较小,未发生预警,隧道结构在施工过程中保持良好的状态,整体安全可控。

3.2 对于基坑施工位于地铁隧道正上方时,通过选取分区分时段对称开挖的方式,可减小基坑施工过程对地铁隧道的扰动影响,保证地铁结构和运营安全。