馮 琦

天津地鐵9號(hào)線運(yùn)營(yíng)期橋隧結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)

馮 琦

地鐵隧道橋梁結(jié)構(gòu)安全是運(yùn)營(yíng)安全的前提，定期對(duì)地鐵隧道橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究地鐵隧道橋梁結(jié)構(gòu)變形規(guī)律已成為保障地鐵運(yùn)營(yíng)安全的重要技術(shù)手段。文章介紹天津地鐵9號(hào)線運(yùn)營(yíng)期橋梁與隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)、監(jiān)測(cè)方法與技術(shù)要求、控制標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行了論述，對(duì)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明監(jiān)測(cè)效果良好。

地鐵；橋梁隧道；結(jié)構(gòu)安全；監(jiān)測(cè)

1 工程概況

天津地鐵9號(hào)線是連接市區(qū)與濱海新區(qū)的城市快速軌道交通，分東、西2段建設(shè)，全長(zhǎng)52.252 km，以高架線為主，高架線全長(zhǎng)40.53 km，占全線77.6%，地面線5.57 km，占全線10.6%，地下隧道6.15 km，占全線11.8%。為掌握運(yùn)營(yíng)期橋梁、隧道結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，排除結(jié)構(gòu)異常沉降，及時(shí)排查存在的安全隱患，特對(duì)9號(hào)線橋梁、隧道運(yùn)營(yíng)期的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)

運(yùn)營(yíng)期地鐵結(jié)構(gòu)允許發(fā)生的沉降變形目前尚無標(biāo)準(zhǔn)可循，各城市均根據(jù)地鐵所處地質(zhì)條件和實(shí)際結(jié)構(gòu)狀況來制定企業(yè)內(nèi)部管理標(biāo)準(zhǔn)。天津地鐵9號(hào)線橋梁監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)如下：橋梁豎向位移警戒值為±3 mm、控制值為±5 mm。根據(jù)多年監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于地鐵結(jié)構(gòu)跨越范圍大，地鐵途經(jīng)區(qū)域地表亦有不同程度沉降變化。因此，橋梁結(jié)構(gòu)整體沉降值往往只能作為參考，判斷結(jié)構(gòu)安全更主要的還要依據(jù)相鄰橋墩的差異沉降值進(jìn)行判斷。本文實(shí)際采用控制標(biāo)準(zhǔn)為，相鄰兩墩的沉降差異值≤±5 mm，沿橋向、橫橋向橋墩傾斜度≤3‰；9號(hào)線隧道監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)為，隧道累計(jì)沉降值≤10 mm，沉降速率≤1 mm/天，隧道差異沉降值≤4% L0（L0為沿隧道軸向兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距，m），差異沉降速率≤0.6 mm。

3 橋隧結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)

3.1 橋梁沉降、傾斜監(jiān)測(cè)

3.1.1 監(jiān)測(cè)方法與技術(shù)要求

橋梁沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在橋墩上，每個(gè)橋墩布設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別設(shè)置在墩身四角，具體設(shè)置見圖1。

將高架線部分按固定的間距或所處區(qū)域進(jìn)行劃分，在每個(gè)區(qū)域分別選擇穩(wěn)定的點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立平差計(jì)算。分區(qū)域監(jiān)測(cè)后，有利于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理和監(jiān)測(cè)結(jié)果的變形分析。在各個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域連接部位，可以直接監(jiān)測(cè)高差來反映差異沉降的變化，以此反應(yīng)天津地鐵9號(hào)線全線橋梁結(jié)構(gòu)的沉降變化。每個(gè)橋墩設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這種設(shè)置既可反應(yīng)橋墩沉降變化，亦可根據(jù)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)高差值來反應(yīng)橋墩縱向、橫向傾斜狀況。

監(jiān)測(cè)精度必須滿足GB50308-2008《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》的技術(shù)要求，測(cè)量精度按Ⅱ等水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。監(jiān)測(cè)儀器使用±0.3 mm/km精度電子水準(zhǔn)儀及配套2 m銦瓦精密水準(zhǔn)尺，儀器及水準(zhǔn)尺必須經(jīng)過專業(yè)機(jī)構(gòu)的鑒定。作業(yè)前及作業(yè)過程中定期對(duì)儀器進(jìn)行常規(guī)性檢查。各監(jiān)測(cè)區(qū)域監(jiān)測(cè)路線采用閉合環(huán)結(jié)點(diǎn)連接的方式進(jìn)行，并對(duì)每天的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行精度和可靠性檢查。根據(jù)每天監(jiān)測(cè)的工作量制定監(jiān)測(cè)起點(diǎn)和終點(diǎn)，測(cè)量到當(dāng)天的終點(diǎn)后及時(shí)返回起點(diǎn)進(jìn)行閉合，并計(jì)算當(dāng)天測(cè)量閉合差，且閉合差（L為往返測(cè)量線路長(zhǎng)度，km）。做到1天1閉合，保證每天監(jiān)測(cè)成果的可靠性。對(duì)當(dāng)天閉合差超限進(jìn)行原因分析，第2天及時(shí)進(jìn)行外業(yè)補(bǔ)測(cè)。

3.1.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

（1）橋梁沉降。提取天津地鐵9號(hào)線2011年至2014年小東莊—軍糧城區(qū)間部分橋梁沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，并繪制年度沉降曲線，見圖2。根據(jù)圖2可知，該區(qū)間2011年至2012年測(cè)點(diǎn)626A沉降值最大，達(dá)-56.1mm，2012年至2013年測(cè)點(diǎn)639A沉降值最大，達(dá)-45.4 mm，2013年至2014年測(cè)點(diǎn)633A沉降值最大，達(dá)-39.7 mm。另外，從圖2中可看出，從2011年至2014年，橋墩整體呈下沉趨勢(shì)，但沉降值逐年減小，即沉降速率有所減緩。天津市是我們國(guó)家地面沉降災(zāi)害最為嚴(yán)重的城市之一，東麗區(qū)一帶為新近形成的區(qū)域性沉降帶，這一帶橋梁沉降值最明顯，這也是由于整體區(qū)域性下沉所致。根據(jù)近幾年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，雖然呈整體下沉的趨勢(shì)，但是沉降速率較以往有所減緩。

圖2 2011－2014年橋梁累計(jì)沉降曲線

（2）橋梁差異沉降。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)來說，排除區(qū)域性下沉的影響，相鄰橋墩的差異沉降才是反映橋梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的重要因素。根據(jù)2014年橋梁沉降監(jiān)測(cè)成果（以圖2中選取的區(qū)間為例），繪制橋墩差異沉降圖，見圖3。從圖3中可以看出，該區(qū)間相鄰橋墩差異沉降值均在±3 mm內(nèi)變化，最大達(dá)2.63 mm。考慮橋墩水平距離為25 m，橋墩差異沉降導(dǎo)致該處線路變化后的坡度值為0.105‰，滿足線路容許變化坡度0.4‰的要求，因此，2.63 mm的差異沉降對(duì)線路軌道并沒有很大的影響。

圖3 橋墩差異沉降

（3）橋墩傾斜。選取圖2中差異沉降最大的613橋墩進(jìn)行橋梁傾斜驗(yàn)算。根據(jù)613橋墩613A、613B、613C等3點(diǎn)2014年沉降值進(jìn)行傾斜度計(jì)算，該橋墩沿橋向的傾斜度為0.69‰，橫橋向的傾斜度為0.07‰，均小于3‰的允許值，因此，橋墩傾斜滿足行車安全的要求。

3.2 隧道沉降監(jiān)測(cè)

3.2.1 監(jiān)測(cè)方法與技術(shù)要求

盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于隧道中線道床上，直線段及半徑2 000 m以上曲線處每隔30 m設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，半徑800 m曲線處每隔18 m設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，半徑400 m曲線處每隔12 m設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。明挖區(qū)間沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于側(cè)墻變形縫兩側(cè)50 cm處，上下行對(duì)稱設(shè)置。監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置情況見圖4。

圖4 隧道沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

天津地鐵9號(hào)線地下段全長(zhǎng)6.15 km，雙線運(yùn)營(yíng)，共設(shè)5個(gè)車站，主要結(jié)構(gòu)由明挖區(qū)間和盾構(gòu)區(qū)間組成。針對(duì)地鐵隧道狹長(zhǎng)、呈帶狀分布的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，隧道沉降監(jiān)測(cè)采用區(qū)間閉合的方式進(jìn)行。

首先布設(shè)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)，監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)是隧道沉降監(jiān)測(cè)的參考系，由水準(zhǔn)基點(diǎn)和工作基點(diǎn)構(gòu)成。水準(zhǔn)基點(diǎn)采用遠(yuǎn)離測(cè)區(qū)范圍且穩(wěn)定的國(guó)家Ⅱ等或Ⅰ等水準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)網(wǎng)的高程值由國(guó)家水準(zhǔn)點(diǎn)引入，每季度校核1次，測(cè)量前分析工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性。

工作基點(diǎn)布設(shè)在沿線車站內(nèi)和聯(lián)絡(luò)通道處，每個(gè)車站布設(shè)4個(gè)工作基點(diǎn)，分別位于車站的四角，并設(shè)置在方便引入隧道結(jié)構(gòu)的部位，同時(shí)，聯(lián)絡(luò)通道處上、下行側(cè)各布設(shè)1個(gè)工作基點(diǎn)。水準(zhǔn)基點(diǎn)與車站內(nèi)和聯(lián)絡(luò)通道處工作基點(diǎn)共同構(gòu)成監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)。網(wǎng)形沿上、下行隧道布設(shè)成結(jié)點(diǎn)水準(zhǔn)路線形式，即從一個(gè)車站基準(zhǔn)點(diǎn)開始測(cè)量，沿上行線路（下行線路）到下一個(gè)車站基準(zhǔn)點(diǎn)，然后沿該區(qū)間的下行線路（上行線路）測(cè)量到起始車站的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，見圖5。

圖5 隧道沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)

監(jiān)測(cè)采用國(guó)家Ⅱ等水準(zhǔn)測(cè)量的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，監(jiān)測(cè)儀器使用±0.3 mm/km精度電子水準(zhǔn)儀及配套2 m銦瓦精密水準(zhǔn)尺。區(qū)間閉合測(cè)量結(jié)束后，計(jì)算當(dāng)天閉合差，并要求閉合差（L為往返測(cè)量線路長(zhǎng)度，km）。

3.2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

（1）隧道整體沉降。相比于隧道明挖段，盾構(gòu)段結(jié)構(gòu)長(zhǎng)，柔度大，結(jié)構(gòu)變形也較大，其中以直沽—東興路區(qū)間沉降最明顯，提取2011年至2014年天津地鐵9號(hào)線直沽—東興路區(qū)間隧道沉降數(shù)據(jù)，并繪制年度沉降曲線，見圖6。根據(jù)圖6可知，2011年至2012年，直沽—東興路區(qū)間以2435號(hào)測(cè)點(diǎn)沉降值最大，達(dá)-15.94 mm。2012年至2013年，以2759號(hào)測(cè)點(diǎn)沉降值最大，達(dá)-9.43 mm。2013年至2014年，以2385號(hào)測(cè)點(diǎn)沉降值最大，達(dá)-3.78 mm?？傮w來看，隧道測(cè)點(diǎn)均呈下沉趨勢(shì)，但隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)，沉降速率有所減緩。隧道沉降與地面整體下沉關(guān)系密切，并非異常結(jié)構(gòu)沉降。

圖6 直沽—東興路區(qū)間隧道沉降曲線

（2）隧道差異沉降。對(duì)隧道結(jié)構(gòu)來說，排除區(qū)域性下沉的影響，隧道相鄰測(cè)點(diǎn)的差異沉降才是反映隧道結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的重要因素。根據(jù)2014年隧道沉降監(jiān)測(cè)成果，以圖6中選取的區(qū)間為例，繪制隧道差異沉降圖，見圖7。從圖7中可以看出該區(qū)間隧道差異沉降值均在±1 mm內(nèi)變化，滿足隧道差異沉降值≤4% L0（L0為沿隧道軸向兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距，m）的要求。根據(jù)12個(gè)月的監(jiān)測(cè)周期計(jì)算，差異沉降速率均＜0.08 mm/月，滿足差異沉降速率≤0.6 mm/月的控制要求，其他區(qū)間的隧道差異沉降變化也大致如此。因此，隧道結(jié)構(gòu)整體狀況良好，沒有出現(xiàn)大的不均勻沉降，滿足行車安全的要求。

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