賀磊，郭文章，段偉，張利凱

(南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210005)

明挖淺埋湖底地鐵隧道上方大面積加卸載下的變形監(jiān)測(cè)研究

賀磊*，郭文章，段偉，張利凱

(南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210005)

淺埋湖底地鐵隧道上方大面積加卸載易導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻沉降和隆起，引起隧道結(jié)構(gòu)病害，而隧道上方有水土壓力，且長(zhǎng)期處于高水位狀態(tài)，對(duì)地鐵隧道使用存在較大安全隱患。本文通過(guò)湖底隧道上方加卸載施工中自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的工程實(shí)例，介紹了自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的技術(shù)要點(diǎn)和施工控制措施，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元模擬計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)以后類(lèi)似的工程實(shí)施有一定的參考價(jià)值。

湖底隧道；明挖淺埋；地鐵隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；加卸載；HS模型；有限元分析

1 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，無(wú)錫市近年正大力興建地鐵工程，下穿隧道由于噪聲小，使用舒適等優(yōu)點(diǎn)，成為地鐵工程的必然選擇，有不少區(qū)段采用明挖淺埋穿越城市公園、人工湖底等方式進(jìn)行地鐵下穿隧道的施工。采用明挖淺埋法穿越湖泊隧道有其特殊性，上部水土荷載大，且長(zhǎng)期處于高水位狀態(tài)，隨著周邊工程開(kāi)發(fā)，若上方有大面積加卸載施工，難免會(huì)使下方隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隆沉變形，引起隧道結(jié)構(gòu)病害，對(duì)隧道維護(hù)和結(jié)構(gòu)耐久性帶來(lái)較大影響，可能會(huì)縮短其使用壽命，并對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全隱患。地鐵工程關(guān)乎民生大計(jì)，對(duì)湖底地鐵工程上方大面積加卸載施工期間，地鐵結(jié)構(gòu)自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與安全評(píng)價(jià)顯得尤為重要。

根據(jù)《無(wú)錫市軌道交通條例》和有關(guān)規(guī)范規(guī)定，淺埋湖底地鐵隧道上方大面積加卸載施工影響等級(jí)為特級(jí)，為保證地鐵結(jié)構(gòu)的安全，應(yīng)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和外部作業(yè)影響進(jìn)行安全評(píng)估，并宜對(duì)影響范圍地鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行不間斷全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握在施工過(guò)程中既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變化，判斷既有結(jié)構(gòu)的安全，為外部施工和地鐵結(jié)構(gòu)維護(hù)提供數(shù)據(jù)依據(jù)[1～4]。

本文以無(wú)錫地鐵保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為例，在淺埋湖底地鐵區(qū)間上方大面積加卸載施工周期內(nèi)，采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)變形實(shí)施監(jiān)測(cè)，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元模擬計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，為施工提供及時(shí)可靠的數(shù)據(jù)，對(duì)可能發(fā)生的危及環(huán)境安全、地鐵結(jié)構(gòu)安全的隱患提供及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)，讓有關(guān)各方做出反應(yīng)、最大可能地避免事故的發(fā)生，并為相似項(xiàng)目提供監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

項(xiàng)目位于錫東新城核心區(qū)，在地鐵區(qū)間上方的映月湖新建擋水墻，地鐵區(qū)間位于湖水正下方，在工程實(shí)施前將映月湖湖水抽干，擋水墻施工完成后進(jìn)行湖水回灌，恢復(fù)正常水位。新建擋水墻采用鋼筋混凝土懸臂式結(jié)構(gòu)，上部采用亞克力擋水板，擋水墻東西向布置，上跨地鐵線(xiàn)路，長(zhǎng)度總計(jì)約 165 m，項(xiàng)目中心處地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)正上方，地鐵影響范圍約 368 m，工程與地鐵平面位置圖如圖1所示。

圖1 工程與地鐵平面位置圖

對(duì)應(yīng)段地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)頂部離湖底豎向距離約為 3.2 m，湖水深約 1.6 m～1.9 m，遠(yuǎn)期控制水深約為 2.1 m，擋水墻底板施工土方開(kāi)挖卸載，開(kāi)挖深度約 0.6 m～0.8 m。擋水墻附近區(qū)間隧道為單孔單線(xiàn)矩形混凝土結(jié)構(gòu)，左右線(xiàn)間距為 16 m。結(jié)構(gòu)尺寸：凈寬 4.6 m、凈高 5.06 m，頂板厚 0.6 m、底板厚 0.7 m、側(cè)墻厚 0.6 m。工程與地鐵結(jié)構(gòu)立面位置圖如圖2所示。

3 有限元分析

在地鐵框架區(qū)間隧道上方進(jìn)行大面積加卸載施工，把地鐵隧道模擬為彈性地基梁，將加卸載施工引起的土體自由場(chǎng)位移作為邊界條件施加于地基梁上，采用MIDAS-GTS建立三維有限元計(jì)算模型，分析卸載和加載兩種工況下湖底隧道的變形情況。土體本構(gòu)采用HS模型，參數(shù)如下(黏性土、粉土：E50≈2Eoed，Eur≈3E50，m≈0.8)：

土層計(jì)算參數(shù) 表1

2號(hào)線(xiàn)區(qū)間采用線(xiàn)彈性殼單元，壩基采用三維線(xiàn)彈性實(shí)體單元，本構(gòu)參數(shù)采用對(duì)應(yīng)等級(jí)混凝土參數(shù)，為正確獲得施工前地層地應(yīng)力，將2號(hào)線(xiàn)區(qū)間實(shí)施過(guò)程進(jìn)行模擬。

本工程與映月湖中央公園其他相關(guān)工程統(tǒng)籌考慮，在擋水墻施工前將湖水抽干，擋水墻施工完成后進(jìn)行湖水回灌，施工期間均會(huì)對(duì)下方地鐵結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生較大影響。

(1)映月湖現(xiàn)狀常水位約1.303 m～1.603 m，水深約 1.603 m～1.903 m，抽水后隧道上方荷載變化，引起地鐵區(qū)間變形與結(jié)構(gòu)受力變化，地鐵結(jié)構(gòu)底板最大上浮量計(jì)算值為 4.37 mm。

(2)擋水墻底板施工土方開(kāi)挖卸載，開(kāi)挖深度約 0.6 m～0.8 m，擋水墻施工荷載，引起地鐵區(qū)間變形與結(jié)構(gòu)受力變化，地鐵結(jié)構(gòu)底板累積最大上浮量計(jì)算值為 3.95 mm。

(3)湖水回灌荷載增加，對(duì)地鐵區(qū)間變形與結(jié)構(gòu)受力影響，地鐵結(jié)構(gòu)底板累積最大上浮量計(jì)算值為 0.52 mm。

(4)噴泉檢修抽水及檢修完成后水位恢復(fù)，對(duì)地鐵區(qū)間變形與結(jié)構(gòu)受力影響，其中噴泉小池抽水后底板累積最大上浮量計(jì)算值為 3.96 mm，小池水位恢復(fù)后累積最大上浮量計(jì)算值為 0.52 mm。

4 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析

4.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及測(cè)點(diǎn)布設(shè)

本項(xiàng)目地鐵左、右線(xiàn)使用全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，共使用2套Leica TM30(0.5″，0.6+1 ppm)測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，左、右線(xiàn)各使用1臺(tái)，24小時(shí)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形觀測(cè)，全天候監(jiān)測(cè)地鐵結(jié)構(gòu)形變。采用自主研發(fā)的“地鐵隧道結(jié)構(gòu)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管理[5]，從數(shù)據(jù)采集、處理、分析、傳輸及分發(fā)，形成高度智能化、自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)成果包括：垂直位移、水平位移、差異沉降、垂直度等測(cè)項(xiàng)。

根據(jù)工程施工特點(diǎn)，本次地保監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分為2個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)段，第1段為抽灌水影響段，長(zhǎng)度 263 m，每 20 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面；第2段為抽灌水、擋水墻施工共同影響區(qū)，長(zhǎng)度 89 m，每 5 m布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。工作基點(diǎn)布設(shè)圖如圖3所示，斷面監(jiān)測(cè)棱鏡布設(shè)圖如圖4所示。

圖3 工作基點(diǎn)布設(shè)圖

圖4 監(jiān)測(cè)斷面棱鏡布設(shè)圖

該矩形隧道區(qū)段左、右線(xiàn)共布設(shè)54個(gè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面根據(jù)監(jiān)測(cè)需要及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境布設(shè)4個(gè)L型監(jiān)測(cè)小棱鏡(如圖4所示)。

4.2 監(jiān)測(cè)實(shí)施及效果

在工作基點(diǎn)上安置測(cè)量機(jī)器人并與RTU相連接，通過(guò)“地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”遠(yuǎn)程控制測(cè)量機(jī)器人，對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信管理，系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

垂直位移、拱頂沉降、水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)參與整網(wǎng)平差計(jì)算，在工作基點(diǎn)平差成果的基礎(chǔ)上采用極坐標(biāo)方法計(jì)算獲取X、Y、Z，客觀的反映地鐵結(jié)構(gòu)變形情況。

監(jiān)測(cè)期間自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，運(yùn)行良好，通過(guò)自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巡查實(shí)時(shí)掌控隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變形，及時(shí)反饋并提出合理化建議，為管理部門(mén)指導(dǎo)施工的決策提供引導(dǎo)方向，施工過(guò)程中通過(guò)采取一系列有效措施，較好地控制了隧道變形。本項(xiàng)目的地鐵保護(hù)安全監(jiān)測(cè)達(dá)到了使項(xiàng)目順利施工的同時(shí)保證了地鐵隧道結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全的目的，圓滿(mǎn)完成了本工程的監(jiān)測(cè)任務(wù)，也為后續(xù)地保監(jiān)測(cè)積累了經(jīng)驗(yàn)。

5 監(jiān)測(cè)分析

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)周期自2月27日持續(xù)至9月12日，其后跟蹤期及檢修期間采用人工方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，以施工段正下方地鐵隧道結(jié)構(gòu)自動(dòng)化垂直位移為例，進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)變形分析，垂直位移變化量曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5地鐵隧道變形時(shí)程曲線(xiàn)(mm)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，映月湖公園抽水施工卸載引起地鐵區(qū)間整體上浮，變形較為顯著，擋水墻施工采取分區(qū)開(kāi)挖較好的控制其對(duì)地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響，開(kāi)挖卸載區(qū)間結(jié)構(gòu)進(jìn)一步上浮，區(qū)間結(jié)構(gòu)均發(fā)生不同程度的上浮，上浮量主要產(chǎn)生在映月湖水抽排階段，且有較明顯的滯后效應(yīng)，根據(jù)自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，相關(guān)單位采取對(duì)隧道上方堆載、少量回灌湖水等措施控制上浮變形趨勢(shì)，自動(dòng)化數(shù)據(jù)顯示控制措施效果明顯，保證了地鐵結(jié)構(gòu)安全。

為保證湖水回灌期間地鐵結(jié)構(gòu)下沉可控，依據(jù)前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，首先回灌噴泉小池，再回灌映月湖，回灌期間進(jìn)行分層緩慢回灌，加載期間區(qū)間結(jié)構(gòu)下沉較明顯，且有一定的滯后影響，期間結(jié)構(gòu)變形可控。

擋水墻內(nèi)噴泉檢修時(shí)，分時(shí)段進(jìn)行抽排水，并嚴(yán)格控制噴泉抽水的輸出量，降水卸荷引起區(qū)間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生小幅上??；噴泉小池檢修完畢分層回灌水位后，結(jié)構(gòu)上浮有所回落。整個(gè)監(jiān)測(cè)期間累積變形體現(xiàn)為沉降，根據(jù)長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，工前該區(qū)間存在一定的自然沉降，項(xiàng)目階段最終的沉降變形主要為自然沉降量，與零狀態(tài)相比，施工完成后隧道沒(méi)有明顯新增病害，整體良好。

實(shí)測(cè)及計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比表 表2

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與前期預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生差異的主要原因有：第一，施工期間根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采取了相應(yīng)的施工措施，一定程度上控制了變形發(fā)展；第二，軟土固結(jié)沉降有一定的滯后性；第三，前期預(yù)測(cè)未考慮一定的工后沉降。

6 結(jié) 論

大面積加卸載施工易引起下方隧道結(jié)構(gòu)的變形，對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)形成安全隱患。本文通過(guò)地鐵保護(hù)區(qū)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目實(shí)例，對(duì)明挖淺埋湖底地鐵上方大面積加卸載下地鐵結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析，在外部工程施工前對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，根據(jù)施工期間實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，相關(guān)方及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，并根據(jù)后續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)施工進(jìn)行合理調(diào)整，有效地控制了施工對(duì)地鐵的影響，體現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在地鐵保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的重要性和必要性，也為以后類(lèi)似工程提供一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

[1] 賀磊，許誠(chéng)權(quán)，陸曉勇等. 測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化測(cè)量在地鐵結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 城市勘測(cè)，2015(1)：137～139.

[2] 儲(chǔ)征偉，鐘金寧，段偉等. 自動(dòng)化三維高精度智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版，2013，43(S2)：225～229.

[3] 儲(chǔ)征偉，段偉，趙兵帥等. 多元回歸與頻譜分析在地鐵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用研究[J]. 測(cè)繪通報(bào)，2014(S1)：1～3.

[4] 張志偉，胡伍生，黃曉明. 線(xiàn)性回歸模型精化方法[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版，2009，39(6)：1279～1280.

[5] 黃維華，岳榮花，張學(xué)華等. 地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[J]. 現(xiàn)代測(cè)繪，2008，31(1)：23～25.

ResearchonAcrosstheLakebedMetroTunnelDeformationMonitoringDuetoLarge-scaleLoadingandUnloading

He Lei，Guo Whenzhang，Duan Wei，Zhang Likai
(Nanjing Institute of Surveying，Mapping & Geotechnical Investigation，Co.，Ltd，Nanjing 210005，China)

A large area of loading and unloading easily lead to uneven settlement and uplift of the cut shallow lake tunnel，resulting in the damage of the tunnel structure，the tunnel above the soil and water pressure，and long-term high water level，there is a big security risk. This paper through the subway automatic monitoring project during the cut shallow lake tunnel top loading and unloading，introduces the automatic real-time monitoring technology and construction control measures，and the measured data with the calculated values are compared and analyzed，have certain reference value for future similar project implementation.

lake tunnel；cut shallow；subway tunnel automated monitoring；loading and unloading；HS model；finite element analysis

1672-8262(2017)06-114-04

TU196

B

2017—02—26

賀磊(1982—)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事精密工程測(cè)量及地鐵結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)工作。

江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2014026)