紧邻施工对地铁隧道结构服役性态的自动连续监测与分析

2023-09-12彭瑜李浩然胡占东周诚

土木建筑工程信息技术 2023年3期

彭瑜李浩然胡占东周诚

（1 华中科技大学国家数字建造技术创新中心，武汉 430074；2 华中科技大学土木与水利工程学院，武汉 430074;3 中国建筑第八工程局有限公司，上海 200122）

引言

随着我国城市化进程的加快，城市地下轨道交通建设得到了快速发展，地下既有运营地铁范围大规模扩大，促使紧邻地铁施工项目数量增加。为了保护地铁隧道结构和施工项目地下结构，往往在临近地铁隧道范围内进行保护性施工，例如MJS 土体加固等，紧邻施工必然会引起地铁隧道周围的土体扰动，对地铁隧道结构造成不良影响[1]。

王立新等[2]基于正交试验分析了水平净距，竖直净距等影响因素敏感性程度，采用室内模型试验分析了基坑开挖对既有隧道影响的受力变形规律。刘宗辉等[3]针对桩基施工影响地铁隧道的问题，从基本研究方法、主要影响因素和控制保护措施三个方面的研究进展进行综述，指出尚可继续研究的问题。杨军等[4]依托有限元数值工具为研究手段，研究了采用钻孔灌注桩+三轴搅拌桩+预应力装配式内支撑的联合支护体系对保护地铁隧道结构安全的作用。江杰等[5]提出了一种计算地面堆载引起的邻近地铁隧道变形的方法。谢宇飏等[6]分析全方位高压喷射工法桩加固坑内土体施工引起下卧地铁隧道变形及其规律。何小龙等[7]利用三维有限元模型，研究基坑开挖过程对地铁区间隧道变形的影响。史剑[8]通过三轴搅拌桩施工过程工艺参数选择及监测数据分析了对既有运营地铁隧道的影响。然而，对TRD 施工、地下连续墙施工和MJS 土体加固阶段对地铁隧道结构服役性态的研究较少，因此基于地铁隧道监测数据针对这三个施工阶段进行详细分析对解决隧道结构安全问题具有重要意义。

本文结合武汉市三镇中心项目，介绍了紧邻既有运营地铁施工自动连续监测方案设计，对地铁隧道拱顶沉降、道床沉降、水平位移和径向收敛四个自动连续监测项目进行时序和空间位置分析，揭示了TRD 施工、地下连续墙施工和MJS 土体加固三个施工阶段对地铁隧道结构服役性态的影响，为类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 工程布局

轨道交通2 号线由西北角至东南角横穿武汉市三镇中心项目而过，地铁区间为中山公园站与青年路站。隧道采用盾构法施工而成，隧道外径为6.00m，内径为5.40m，盾构管片厚度为0.30m，采用高强度高性能混凝土预制管片，隧道结构顶部覆土厚度约12 ～14.6m。

根据目前阶段建筑规划方案，如图1 所示，轨道交通2 号线将整个场地分为南北两块，两侧地下室均为地下四层。北区地下室和南区地下室之间结构外墙相距40m，两个分区之间的地铁上盖共设置三处联络通道。南区和北侧区地下建筑均位于轨道交通控制线以外6.2m；南区和北区基坑止水帷幕与地铁隧道水平净距约9.7m~10.2m。南区与北区之间地下通道底部与隧道顶竖向净距约7.36~8.45m，位于轨道交通控制线范围内。

图1 平面概况图

1.2 地质与水文条件

拟建场区地属长江与汉江堆积平原一级阶地地貌，整体起伏不大，地面标高20.87 ～22.81m,相对高差1.94m。拟建场地分布的岩土主要有：人工填积（Qml）层、第四系全新统冲积（Q4al）层、志留系泥岩（S2f）组成。武汉三镇中心项目范围内，左线隧道顶埋深12.5 ～14.66m，洞身位于④-1 粉砂层；隧道顶部以上主要为③-5 粉质粘土、粉土、粉砂互层等，隧道底部为④-2 细砂层等。该处基岩面埋深约53m。右线地层情况与左线类似，右线隧道顶埋深13.44 ～14.21m。

拟建场区地下水主要为上层滞水、孔隙承压水、基岩裂隙水。上层滞水主要赋存于场地表层①层杂填土中，上层滞水水位埋深1.30 ～4.80 m之间，水位标高17.31～20.86m；孔隙承压水主要赋存于④层粉细砂、细砂层、⑤圆砾中，该层地下水水位埋深10.2 ～10.5 m之间，水位标高11.09 ～11.47 m；基岩裂隙水主要赋存于底部泥岩裂隙之中，水量贫乏，勘察期间未观测到该层地下水。

1.3 现场施工工况

本项目基坑开挖前阶段，临近地铁隧道的施工阶段主要包括三个阶段：TRD 施工阶段、地下连续墙施工阶段和MJS 土体加固阶段，相对位置关系如图2 所示。由于本项目临近地铁隧道，基坑落底帷幕轮廓线较为复杂，对围护结构止水成墙效果有较高的质量要求，为保证落底帷幕的连续性，在围护结构临近地铁隧道一侧采用TRD 工法施工。在TRD 成墙后进行地下连续墙施工，地下连续墙在围护结构中起到止水抗渗、挡土等作用。由于南北区地下联络通道宽度较大、通道基坑开挖面距离地铁隧道拱顶较近，因此对南北区地下联络通道两侧土体加固采用Φ1600@2000MJS工法重力坝（+20.00 ～+11.45m 深度范围），南北区地下联络通道基础土体加固采用Φ1600@2000MJS 工法地基加固（+15.45 ～+11.45m 深度范围）。

图2 地铁隧道剖面图

2 监测方案设计

2.1 监测点布置及监测项目

观测地铁隧道变形监测的基准点和监测点都只能布设在地铁隧道的狭长空间中，高精度测量机器人建立固定式持续监测系统或移动式周期监测系统才是最好的选择。无论是持续监测系统还是周期监测系统，基准点一般都位于两端相对稳定的区域，而工作基点则必须设在变形区域内。原则上两端应各布设至少3个基准点，在中间布设工作基点。工作基点不宜太多，且要便于进行变形点的监测。

如图3 所示，中山公园站～青年路站区间监测里程为：YDK8+468 ～YDK8+913，ZDK8+452 ～ZDK8+917。根据轨道交通工程运营期结构监测技术规程，其中影响等级为特级区段（右DK8+580.475 ～右DK8+800.666，左DK8+564.337 ～左DK8+804.753）3 米一个断面，其余区段按9m 间距设置监测断面，左右线预计各布设111处监测断面。

图3 监测点布置图

变形监测每个断面在轨道附近的道床上布设两个沉降监测点，中腰位置两侧各布设两个监测点，拱顶布设1 个监测点，即每个监测断面布设5 个监测点，如图4 所示。监测项目包括拱顶沉降、道床沉降、水平位移和径向收敛。拱顶沉降和道床沉降分别通过1号和3、4 号监测点不同时间的高程变化来反映沉降；水平位移通过2 号监测点隧道曲率以及不同时间坐标变化，计算出点位在隧道径向的位移；径向收敛通过2、5 号监测点间距离计算隧道径向距离，通过不同时间的径向距离变化反映径向收敛。

图4 监测断面剖面图

2.2 监测设备及监测方法

本检测项目在待监测隧道的左右两侧同一水平高度上钻孔安装L 型迷你棱镜，与徕卡TM/TS 智能型全站仪配合使用，如图5 所示。智能型全站仪在待监测范围的中部位置选择左右具备通视条件及距离适中处安装固定，然后基于网页端开发自动化监测软件，定时启动仪器，利用自动监测系统自动测量地铁隧道结构在三维方向的变形位移值，通过无线网络进行数据传输。采集的数据经软件处理后，生成变形监测报表，如图6 所示。隧道结构及收敛监测采用后方交会及极坐标测量原理进行观测[9,10]，以测量各点的三维坐标。隧道沉降监测与隧道结构及收敛测量方式一致，使用徕卡TM/TS 智能型全站仪对沉降进行自动化监测，采用三角高程的原理。

图5 L 型迷你棱镜与徕卡TM/TS 智能型全站仪的安装与固定

图6 网页端自动监测系统

图7 拱顶累计沉降监测时序图

图8 道床累计沉降监测时序图

图9 水平位移监测时序图

2.3 监测频率及控制值设置

在地铁隧道裂缝监测完成初始现状调查后，结合现场情况制定了监测频率及控制值，如表1 所示。其中，径向收敛中“+”为径向变大，“-”为径向减小；沉降变形中“+”为上浮，“-”为下沉；水平位移中左线“+”为向右，右线“+”为向左。“变形速率”按30 天变化量计算。

表1 监测频率及预警值表

3 监测结果与安全性分析

如图6~9 所示，本文根据本项目监测点布置和实际施工位置，左线隧道等距离选取地铁主要影响区域内的Z25、Z41、Z55、Z70、Z84 和地铁主要影响区域外的Z10、Z100 共七个监测断面进行监测数据分析，右线隧道等距离选取地铁主要影响区域内的Y10、Y25、Y41、Y55、Y70、Y84 和地铁主要影响区域外的Y10、Y100 共七个监测断面进行监测数据分析，记录了从3 月11 日至7 月31 日包含TRD 施工阶段、地下连续墙施工阶段和MJS 土体加固阶段在内的隧道结构的变化。

如图10~图12 所示，根据实际施工重要节点，选取3 月11 日、4 月30 日、7 月1 日和7 月30 日作为地铁隧道状态节点，记录了这4 个节点的隧道变形空间位置分布。

图10 径向收敛监测时序图

图11 拱顶累计沉降空间分布图

图12 道床累计沉降空间分布图

如图13 所示，根据隧道径向收敛大小划分成四个等级，按径向收敛大小从小到大依次一般变形、显著变形、大变形、严重变形；对断面赋予四种颜色。其中，径向收敛绝对值小于0.5mm 为绿色，大于0.5mm 且小于1.0mm 为黄色，大于1.0mm 且小于1.5mm 为橙色，大于1.5mm 为红色。

图13 水平位移空间分布图

如图14 所示，选取邻近MJS 施工位置Z31、Y30、Z70 和Y70 共四个变形最明显的断面做变形分析，记录了4 月1 日、5 月1 日、7 月1 日和7 月31 日的隧道变形情况，变形量增大倍数为450 倍。

图14 隧道径向收敛空间位置图（7 月31 日）

3.1 TRD 施工阶段监测

(1) 拱顶沉降和道床沉降时序分析

从图6~图7 中可以看出，地铁主要影响范围内的断面相比于地铁主要影响范围外的断面，拱顶累计沉降和道床累计沉降有着明显的波动变化。在TRD 施工阶段，左线和右线部分断面出现下沉，拱顶最大累计下沉为-2.94mm，道床最大累计下沉为-3.26mm，部分断面出现上浮，拱顶最大累计上浮量为1.92mm，道床最大累计上浮量为1.85mm。

左线右线拱顶和道床沉降均在控制值范围内，左线整体下沉幅度小于右线，上浮幅度与右线较为相近，南区TRD 施工阶段比北区TRD 施工阶段下沉、上浮幅度大。

(2) 水平位移与径向收敛时序分析

从图8 中可以看出，地铁主要影响范围内的断面相比于地铁主要影响范围外的断面，水平位移发生较大波动，左线呈现出部分断面左移、部分右移的现象，右线在北区TRD 施工阶段总体向右移，在北区TRD施工结束后总体向左移，水平位移均在控制值范围内。

从图9 中可以看出，地铁主要影响范围内的断面相比于地铁主要影响范围外的断面，径向收敛发生较大波动，左线径向收敛呈现出整体大于零的现象，即隧道内径增大，右线径向收敛在北区TRD 施工阶段小于零，在北区TRD 施工结束后大于零且持续增大，即隧道内径先减小再增大。

(3) 变形和位移空间位置分析

从图10~图13 中可以看出，在TRD 施工阶段，即4 月30 日前，左线拱顶沉降和道床沉降波动覆盖隧道全线，而右线拱顶沉降和道床沉降集中在Y50-Y100断面。左线总体向右移，移动距离均小于2mm，右线Y30-Y50 断面呈现出右移现象，其余断面向左移，其中Y60-Y80 断面移动幅度最大。左线和右线的径向收敛呈现出中部的大于零的现象，即隧道主要影响范围内隧道内径增大。

(4) TRD 施工对地铁隧道影响规律

由上述分析可以说明，TRD 施工会造成隧道下沉或上浮，且与地下连续墙阶段进行对比，其波动的幅度较大；TRD 施工时会造成隧道发生水平位移和径向收敛，虽有波动但整体呈现出左线右移、右线左移、隧道内径增大的现象；各施工区域的隧道变形趋势存在差异，说明由于各个具体施工位置的地质条件不同，TRD 施工对隧道结构的造成的影响不同。由于TRD 施工周期较短，再加上可能有其他施工活动同期进行，因此对隧道结构的影响可能存在不稳定性，例如南区TRD 施工时，在与MJS 土体加固相邻施工位置的部分时段中，可能受到MJS 土体加固的影响。

3.2 地下连续墙施工阶段监测

(1) 拱顶沉降和道床沉降时序分析

从图6~图7 中可以看出，地铁主要影响范围内的断面相比于地铁主要影响范围外的断面，左线拱顶和道床沉降基本呈现出整体下沉趋势，且整个地下连续墙施工过程沉降趋势较为明显，右线拱顶呈现出下沉趋势，而道床呈现出先上浮后沉降趋势。其中最大拱顶沉降为-4.89mm，最大道床沉降为-3.3mm，均发生在7 月30 日左右。最大拱顶累计沉降超过控制值，结合项目实际情况，此情况可能为施工方未严格按施工流程施工导致，属于特殊情况。

(2) 水平位移与径向收敛时序分析从图8 中可以看出，地铁主要影响范围内的断面相比于地铁主要影响范围外的断面，水平位移有较为明显的增加趋势，均在控制值范围内。其中，左线水平位移持续增大，左线隧道部分断面右移、部分左移，右线水平位移普遍大于零，即右线隧道总体左移。从图9 中可以看出，地铁主要影响范围内的断面相比于地铁主要影响范围外的断面，径向收敛出现波动现象，左线径向收敛总体大于零，即左线隧道内径增大，而右线隧道出现先大于零后小于零的趋势，且最终径向收敛接近于零，即右线隧道内径基本保持不变，仅有小幅度波动。

(3) 变形和位移空间位置分析

从图10~图13 中可以看出，在地下连续墙施工阶段，左线拱顶沉降和道床沉降波动覆盖隧道全线，而右线拱顶沉降和道床沉降集中在Y50-Y100 断面。左线水平位移集中在Z20-Z100 断面，发生右移现象，右线波动覆盖隧道全线，地移动幅度较小。左线和右线隧道发生径向变形集中在Z30-Z80、Y30-Y100 断面，发生隧道内径增大现象。

(4) 地下连续墙施工对地铁隧道影响规律

由上述分析可以说明，地下连续墙施工阶段相比于TRD 施工阶段，对地铁隧道造成的影响较小，其变形和位移幅度较小，整体趋势较为明显；其中拱顶和道床总体呈现下沉趋势，水平位移方面呈现出左线右移、右线左移趋势，隧道径向变形较小，存在部分断面隧道内径增大的现象，可能是由于各个具体施工位置的地质条件不同，地下连续墙施工对隧道结构的造成的影响不同。因此，TRD 施工阶段主要对隧道的侧向土体产生压力，挤压左右两线隧道之间土体，且会使隧道发生小幅度沉降。

3.3 MJS 土体加固阶段监测

(1) 隧道径向变形分析

根据当前施工情况和监测方案，MJS 土体加固位置位于监测断面Z30-Z33、Y30-Y33、Z62-Z73 和Y62-Y73 处，本文选取Z31、Y30、Z70 和Y70 共四个变形最明显的断面作为代表进行分析。从图14 中可以看出，MJS 土体加固开始时，即4 月1 日，隧道径向变形和位移量较小，随着MJS 土体加固施工的进行，拱顶和道床下沉量逐渐增大，Z31 和Y30 断面隧道内径减小，而Z70 和Y70 隧道内径增大，隧道呈现出持续下沉趋势，隧道变形和位移均在控制范围内。

(2) MJS 土体加固对地铁隧道影响规律

由上述分析可以说明，在隧道上方进行MJS 土体加固会使隧道发生下沉，且随着施工的进行有进一步下沉趋势，隧道内径随着施工的进行可能减小或增大，如图15 所示，因此，MJS 土体加固主要影响隧道顶部土体沉降，对隧道侧向土体扰动作用较小。