某运营地铁抢险工程的安全监测

周 山,包志轩,贺跃光,邵磊森

(1.广东省重工建筑设计院有限公司,广东 广州 510034;2.长沙理工大学 交通运输工程学院,湖南 长沙 410004)

某运营地铁抢险工程的安全监测

周 山1,包志轩2,贺跃光2,邵磊森2

(1.广东省重工建筑设计院有限公司,广东 广州 510034;2.长沙理工大学 交通运输工程学院,湖南 长沙 410004)

以某运营地铁K19+933～K20+092区间段夹层板开裂隧道结构抢险工程为对象,对抢险工程及相邻建(构)筑物和地表进行安全监测。采用自动化监测拆除夹层板的施工段和受影响的临近段;采用人工监测隧道上部基坑及其周边环境。监测数据表明:基坑卸土后,其围护结构和周围地表发生沉降,围护结构南侧墙朝基坑内部倾斜,北侧墙则背离基坑;夹板拆除后,南线地铁隧道结构发生变形,两侧墙朝内侧倾斜,隧道顶板底和板轻微隆起,隧道结构稳定可靠,无需安装支撑。

运营地铁;抢险;安全监测;自动化监测

城市地铁处于特性复杂的浅表地层中,其整体结构自投人建设到后期运营,受外界因素影响较大。这些因素出现在已运营地铁上方或基坑开挖、管线架设、道路铺设及房屋建设等周边工程扰动隧道周围土体,并对其结构产生一系列复杂影响。这些不确定性因素一旦发生,将导致突发性结构变形、开裂[1]。实时安全监测,可直观反映结构及其周围地表的变形情况,并对其未来状况进行预测。

1 抢险工程概况

1.1 工程险情

现场勘察表明,连日大雨加上方基坑排水不畅,导致基坑内大量积水,隧道顶板部分结构出现渗漏水,夹层板与顶板间有大量蓄水,最深处超过1 m;该隧道变形段侧墙发现细小裂缝,顶板无明显裂缝,整体结构稳定;夹层板中部出现纵向裂缝,区间段出现夹层板中部向下凹陷严重,下沉最大处达30 cm;夹层板与隧道结构内壁结合处出现渗水。这表明该段夹层板与隧道结构内壁结合处已发生剪切破坏,如不及时处理,将可能发生坍塌,并可能引发灾难性后果。

1.2 紧急抢险措施

夹层板突然开裂后,已勒令地面基坑停止填土,南线段地铁停开。根据现场情况,实施初步抢险工作:对夹层板上及隧道内部的积水和淤泥进行清理,对可能失稳的夹层板段进行支撑,以免破裂进一步扩大。随后,拟对已经遭破坏的夹层板进行拆除,同时进行地面基坑卸荷处理,初步要求卸土至顶板上覆土为3～4 m。对于出现结构变形以及渗漏水的隧道段,需要进行地面基坑监测、上(下)行隧道的自动化监测与人工监测。

2 监测方案

2.1 监测项目

结合抢险方案,监测项目包括:运营隧道结构的收敛和底板变形;隧道上部周围地表沉降;基坑围护结构桩顶位移和沉降。采用自动化监测与人工监测相结合的方法,其中:隧道内部采用自动化监测,明挖基坑围护结构及其周围地表采用人工监测[2—3]。各监测项目和监测频率见表1。

表1 监测项目监测频率Table 1 Monitoring project and monitoring frequency

2.2 监测方法

谁知，杨力生不说这话，杨秋香火气还小点，一说这话，杨秋香气得几乎晕倒在地。“你……你……”她缓了一口气，很快眼里似喷火一般，大声嚷起来：“杨力生，你是不是不打算和我过了？要是不打算和我过就早早说话！”

1)传感器自动化监测系统

隧道结构主体应变和收敛的传感器分别选择应变计和位移计,它们均为振弦式传感器。底板沉降采用静力水准进行监测,静力水准仪为液位传感器。数据采集器通过采集振弦式传感器的频率,并将频率直接换算为传感器本身的应变或位移,通过传输线路到达接收终端。液位传感器采用压力敏感传感器,传感器将压力的变化转化为电信号,通过内置软件将电信号换算成液位变化,然后,通过传输线路,将液位变化数据传输到接收终端。静力水准基准点布设在施工区影响范围以外的稳定区域,基准点设在地铁站内。

2)全站仪自动化监测系统监测

全站仪自动化监测系统监测程序[4—7]如图1所示。

图1 全站仪自动化监测程序Fig.1 Automation monitoring program at the total station

3)人工监测

①沉降监测。采用闭合线路或附合线路,进行二等水准测量,满足变形监测的“三定”要求。按规范规定要求,观测数据的各项限差,并进行控制。②位移监测。采用前方交会、导线测量和后方交会法对工作基点的稳定性进行检查,用小角度法和极坐标法对各变形监测点进行监测。

2.3 监测点布设

在施工区对应的2号线南线位置YDK19+ 970～YDK20+042,监测断面按7.5 m布设,将摆设仪器位置做适当调整。每个断面布设自动化监测点7个,应变监测点5个,横向收敛监测点1个,底板沉降监测点1个。结构断面监测点位布设如图2所示。

图2 结构断面监测点位布设Fig.2 The layout diagram of structure section monitoring points

基坑围护结构桩顶位移、沉降及地表沉降沿基坑方向按20 m布设一点,地表沉降点距离基坑3～5 m。隧道上部基坑断面布设如图3所示。

图3 隧道上部基坑监测点布设Fig.3 The layout diagram of tunnel excavation monitoring points

3 监测数据分析

3.1 地铁隧道上部基坑监测数据

地铁隧道上部基坑和周边地表监测结果分别如图4～6所示。

1)为确定地铁隧道施工区间段上部土层厚度是否满足不超过3～4 m的要求,需对基坑坑底地面现状进行纵断面测量。测得坑底平均高程为30 m,而隧道顶板标高为26.5 m,故隧道施工区上部基坑内卸土达到要求厚度。

图4 地表沉降与时间的关系Fig.4 The relationship between surface subsidence and the monitoring time

图5 基坑围护结构沉降与时间的关系Fig.5 The relationship between the subsidence of foundation supporting structures and the monitoring time

图6 基坑围护结构桩顶水平位移与时间的关系Fig.6 The relationship between the horizontal displacement of the pile foundation supporting structures and the monitoring time

2)基坑北侧地表最大沉降为3.9 mm;基坑南侧地表最大沉降为4.6 mm。基坑周围地表土体沉降量小,隧道周围土体稳定。

3)12月20日开始基坑卸土。随着卸土量的增加,基坑围护结构开始沉降,最大沉降为2.8 mm;趋于稳定后,各监测点的沉降均值为2.5 mm,表明基坑侧墙沉降变形较小。

4)基坑围护结构的南侧墙受到主动土压力,水平位移为正,表明其位移方向朝向基坑,最大变形为1.7 mm;北侧墙受到被动土压力,水平位移为负,表明其位移方向背离基坑,最大变形为1.4 mm。由于地铁隧道结构整体靠近基坑南侧,基坑土体卸荷时土体发生应力重分布。对围护结构南侧墙的作用较对北侧墙的大。围护结构侧墙位移总体稳定,可预测。

3.2 洞内监测数据分析

施工段结构具体情况分别如图7～11所示。

1)12月8日前南侧墙的横向变形在—1～0.5 mm之间浮动,变化小,稳定;12月8日后所有断面的侧墙横向变形均出现较大变化,变形的最大值为2.45 mm,之后趋于稳定。北侧墙横向变形趋势如同南侧墙的,变形的最大值为2.35 mm。12月8日将支撑卸下,侧墙失去支撑后向变形,变形趋势朝向隧道内侧。南、北侧墙横向变形的最小断面均为YDK20+029和YDK20+036.5,处于夹层板严重裂缝区。拆除支撑之前,夹层板对侧墙的支撑效果已减弱,侧墙产生一定变形。支撑拆除后,残余支撑力对该段侧墙横向变形的影响不大,对其他断面的影响则大一倍以上。

图7 隧道南侧墙横向变形与时间的关系Fig.7 The relationship between the south side of the tunnel wall lateral deformation value and the monitoring time

图8 隧道底板南测点纵向变形与时间的关系Fig.8 The relationship between tunnel floor measuring point south longitudinal deformation values and the monitoring time

图9 隧道顶板纵向变形与时间的关系Fig.9 The relationship between tunnel roof longitudinal deformation value and the monitoring time

图10 隧道横向收敛与时间的关系Fig.10 The relationship between tunnel lateral convergence and the monitoring time

图11 南线轨道沉降差与时间的关系Fig.11 The relationship between south line track differential settlement subsidence and the monitoring time

2)底板在夹层板支撑拆除前均处于稳定状态,纵向变形处于—0.6～0.2 mm之间;夹层板支撑拆除后,纵向位移变大,南测点纵向变形的最大值为1.1 mm,北测点纵向变形的最大值为0.9 mm。至12月8日将支撑拆除,产生卸荷,隧道整体结构自重减轻,底板在周围土体压力作用下产生轻微隆起。南侧测点的底板隆起程度比北侧测点的大,表明整个底板不均匀隆起,需参考左、右轨道差异沉降进行计算,以确保变形在允许范围内。底板变形虽一直增加,未达到稳定状态,但总变形很小,之后不需要进行抢险施工中的实时监测,监测频率满足日常监测即可。

3)夹层板拆除施工完成后,开始进行顶板位移监测。从图9中可以看出,夹层板拆除后的一段时间内,顶板纵向位移处于缓慢变形中,位移方向背离隧道朝基坑底隆起,纵向位移最大处位于YDK19+977.5断面,其最大值为—2 mm。由于夹层板支撑拆除,两侧侧墙朝隧道内部挤压,加之顶板上覆土层过薄,造成顶板上拱。

4)12月8日之前,各断面横向收敛值在—0.8～1.5 mm之间,且大部分收敛值为正,表明隧道整体结构在横向上轻微外扩,这是因为进行夹层板拆除施工作业时设置有支撑架。12月8日后,收敛值变为负,表明结构的横向开始收敛。这是因为横向支撑装置拆除后,两侧墙朝隧道内侧倾斜,收敛的最大值为—4.5 mm。在警戒值以下,但由于YDK19+970等多个断面收敛继续,存在安全隐患,需继续对其观测,直至收敛值趋于平稳。

5)YDK20+006.5断面左、右轨道沉降差的最大值为1.3 mm;其余断面左、右轨道沉降差的最大值为0.7 mm。各区间段轨道沉降差均处于警戒值以下,建议对YDK20+006.5断面附近区域的轨道沉降差进一步跟踪监测。

4 结论

1)隧道施工区上部基坑内卸土达到要求深度,符合安全要求。基坑卸土后,其围护结构与周围地表发生沉降,围护结构南侧墙朝基坑内部倾斜,北侧墙则背离基坑。夹板拆除后,南线地铁隧道结构发生三维变形,两侧墙朝内侧倾斜,隧道顶板和底板轻微隆起,总变形幅度较小。施工结束后,隧道结构稳定可靠,无需安装支撑。

2)采用自动化与人工相结合的实时动态监测方法,经济合理,且为运营地铁隧道抢险工程施工安全提供了保障,并对类似工程具有借鉴与指导意义。

[1] 北京城建勘测设计研究院有限责任公司.GB 50911—2013,城市轨道交通工程监测技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.(Beijing Urban Construction Exploration&Surveying Design Research Co., Ltd..GB 50911—2013,Code for the monitoring measurement of urban rail transit engineering[S]. Beijing:China Architecture&Building Press,2013. (in Chinese))

[2] 北京市规划委员会.GB 50308—2008,城市轨道交通工程测量规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008. (Beijing Municipal Commission of Urban Planning. GB 50308—2008,Code for the urban rail transit engineering survey[S].Beijing:China Architecture& Building Press,2008.(in Chinese))

[3] 中华人民共和国建设部.JGJ 8—2007,建筑变形测量规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2007.(Ministry of Development of the People’s Republic of China. JGJ 8—2007,Code for the deformation measurement of buildings and structures[S].Beijing:China Architecture&Building Press,2007.(in Chinese))

[4] 贺跃光,熊莎,吴盛才.基于监测数据的某地铁基坑工程安全风险模糊评价[J].工程勘察,2013(9):47—50,55.(HE Yue-guang,XIONG Sha,WU Sheng-cai. Furry evaluation of safety risk based on the monitoring data of a subway foundation pit engineering[J]. Geotechnical Investigation&Surveying,2013(9): 47—50,55.(in Chinese)) [5] 吴楠.基于深基坑施工期风险评估的安全指数研究[J].地下空间与工程学报,2011(3):604—608.(WU Nan.Study of safety index system based on risk assessment in the construction of deep excavation project[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2011(3):604—608.(in Chinese))

[6] 卫建东,包欢,徐忠阳,等.基于多台测量机器人的监测网络系统[J].测绘学院学报,2005(2):154—156. (WEI Jian-dong,BAO Huan,XU Zhong-yang,et al. Research on the monitoring network system with georobot[J].Journal of Institute of Surveying and Mapping,2005(2):154—156.(in Chinese))

[7] 贺跃光,吴盛才,徐鹏.城市地铁安全监测数据分析与处理[J].工程勘察,2011(12):46—49,54.(HE Yueguang,WU Sheng-cai,XU Peng.Data processing and analysis methods for safety monitoring of city subway[J].Geotechnical Investigation&Surveying, 2011(12):46—49,54.(in Chinese))

The security monitoring of emergency work in an operating subway

ZHOU Shan1,BAO Zhi-xuan2,HE Yue-guang2,SHAO Lei-sen2
(1.Guangdong Zhonggong Architectural Design Institute Co.,Ltd.,Guangzhou 510034,China; 2.College of Traffic and Transportation Engineering,Changsha University of Science&Technology,Changsha 410004,China)

Taken the section from K19+933 to K20+092 of the tunnel structure of which the sandwich plate is cracked of an operating subway as the research object,security monitoring of the emergency project and the adjacent buildings(structures)and the ground surface was operated.Automatic monitoring was applying to the section of which the sandwich plate was removed and the section which is affected.The upside foundation pit of the tunnel and the ambient enviroment was artificially monitored.The settlement of the retaining structure for foundation pits and the surrounding ground after the excavation unloading soil was shown by the monitoring data,as well as the south wall of the retaining structure tilting toward the inner place of the the foundation pit,the north wall tilting away from the foundation pit.The monitoring data also showed that after the removal of the sandwich palte,the south part of the metro tunnel structure deformed from the walls of both side tilting inby,the roof and the bottom of the tunnel slightly raised, the tunnel structure is stable and reliable and no need for installing the support.

operating subway;emergency project;security monitoring;automatic monitoring

U456.3

A

1674—599X(2015)04—0038—05

2015—08—29

周 山(1973—),男,广东省重工建筑设计院有限公司高级工程师。