明挖浅埋湖底地铁隧道上方大面积加卸载下的变形监测研究

贺磊，郭文章，段伟，张利凯

(南京市测绘勘察研究院有限公司，江苏 南京 210005)

明挖浅埋湖底地铁隧道上方大面积加卸载下的变形监测研究

贺磊*，郭文章，段伟，张利凯

(南京市测绘勘察研究院有限公司，江苏 南京 210005)

浅埋湖底地铁隧道上方大面积加卸载易导致隧道结构产生不均匀沉降和隆起，引起隧道结构病害，而隧道上方有水土压力，且长期处于高水位状态，对地铁隧道使用存在较大安全隐患。本文通过湖底隧道上方加卸载施工中自动化监测的工程实例，介绍了自动化实时监测的技术要点和施工控制措施，并对实测数据与有限元模拟计算值进行对比分析，对以后类似的工程实施有一定的参考价值。

湖底隧道；明挖浅埋；地铁隧道自动化监测；加卸载；HS模型；有限元分析

1 引 言

随着社会经济高速发展，无锡市近年正大力兴建地铁工程，下穿隧道由于噪声小，使用舒适等优点，成为地铁工程的必然选择，有不少区段采用明挖浅埋穿越城市公园、人工湖底等方式进行地铁下穿隧道的施工。采用明挖浅埋法穿越湖泊隧道有其特殊性，上部水土荷载大，且长期处于高水位状态，随着周边工程开发，若上方有大面积加卸载施工，难免会使下方隧道结构产生隆沉变形，引起隧道结构病害，对隧道维护和结构耐久性带来较大影响，可能会缩短其使用寿命，并对地铁运营带来安全隐患。地铁工程关乎民生大计，对湖底地铁工程上方大面积加卸载施工期间，地铁结构自动化实时监测与安全评价显得尤为重要。

根据《无锡市轨道交通条例》和有关规范规定，浅埋湖底地铁隧道上方大面积加卸载施工影响等级为特级，为保证地铁结构的安全，应对地铁结构现状和外部作业影响进行安全评估，并宜对影响范围地铁结构进行不间断全方位实时监测。通过实时监测，及时掌握在施工过程中既有地铁隧道结构产生的变化，判断既有结构的安全，为外部施工和地铁结构维护提供数据依据[1～4]。

本文以无锡地铁保护区监测项目为例，在浅埋湖底地铁区间上方大面积加卸载施工周期内，采用自动化监测系统对地铁结构变形实施监测，并对实测数据与有限元模拟计算值进行对比分析，为施工提供及时可靠的数据，对可能发生的危及环境安全、地铁结构安全的隐患提供及时、准确地预报，让有关各方做出反应、最大可能地避免事故的发生，并为相似项目提供监测经验。

2 工程概况

项目位于锡东新城核心区，在地铁区间上方的映月湖新建挡水墙，地铁区间位于湖水正下方，在工程实施前将映月湖湖水抽干，挡水墙施工完成后进行湖水回灌，恢复正常水位。新建挡水墙采用钢筋混凝土悬臂式结构，上部采用亚克力挡水板，挡水墙东西向布置，上跨地铁线路，长度总计约 165 m，项目中心处地铁区间结构正上方，地铁影响范围约 368 m，工程与地铁平面位置图如图1所示。

图1 工程与地铁平面位置图

对应段地铁区间结构顶部离湖底竖向距离约为 3.2 m，湖水深约 1.6 m～1.9 m，远期控制水深约为 2.1 m，挡水墙底板施工土方开挖卸载，开挖深度约 0.6 m～0.8 m。挡水墙附近区间隧道为单孔单线矩形混凝土结构，左右线间距为 16 m。结构尺寸：净宽 4.6 m、净高 5.06 m，顶板厚 0.6 m、底板厚 0.7 m、侧墙厚 0.6 m。工程与地铁结构立面位置图如图2所示。

3 有限元分析

在地铁框架区间隧道上方进行大面积加卸载施工，把地铁隧道模拟为弹性地基梁，将加卸载施工引起的土体自由场位移作为边界条件施加于地基梁上，采用MIDAS-GTS建立三维有限元计算模型，分析卸载和加载两种工况下湖底隧道的变形情况。土体本构采用HS模型，参数如下(黏性土、粉土：E50≈2Eoed，Eur≈3E50，m≈0.8)：

土层计算参数 表1

2号线区间采用线弹性壳单元，坝基采用三维线弹性实体单元，本构参数采用对应等级混凝土参数，为正确获得施工前地层地应力，将2号线区间实施过程进行模拟。

本工程与映月湖中央公园其他相关工程统筹考虑，在挡水墙施工前将湖水抽干，挡水墙施工完成后进行湖水回灌，施工期间均会对下方地铁结构受力产生较大影响。

(1)映月湖现状常水位约1.303 m～1.603 m，水深约 1.603 m～1.903 m，抽水后隧道上方荷载变化，引起地铁区间变形与结构受力变化，地铁结构底板最大上浮量计算值为 4.37 mm。

(2)挡水墙底板施工土方开挖卸载，开挖深度约 0.6 m～0.8 m，挡水墙施工荷载，引起地铁区间变形与结构受力变化，地铁结构底板累积最大上浮量计算值为 3.95 mm。

(3)湖水回灌荷载增加，对地铁区间变形与结构受力影响，地铁结构底板累积最大上浮量计算值为 0.52 mm。

(4)喷泉检修抽水及检修完成后水位恢复，对地铁区间变形与结构受力影响，其中喷泉小池抽水后底板累积最大上浮量计算值为 3.96 mm，小池水位恢复后累积最大上浮量计算值为 0.52 mm。

4 自动化监测及数据分析

4.1 监测系统及测点布设

本项目地铁左、右线使用全自动化监测，共使用2套Leica TM30(0.5″，0.6+1 ppm)测量机器人进行自动化数据采集，左、右线各使用1台，24小时对地铁结构进行变形观测，全天候监测地铁结构形变。采用自主研发的“地铁隧道结构自动化监测系统”进行网络化管理[5]，从数据采集、处理、分析、传输及分发，形成高度智能化、自动化的监测管理系统。监测成果包括：垂直位移、水平位移、差异沉降、垂直度等测项。

根据工程施工特点，本次地保监测项目分为2个监测区段，第1段为抽灌水影响段，长度 263 m，每 20 m布设一个监测断面；第2段为抽灌水、挡水墙施工共同影响区，长度 89 m，每 5 m布设1个监测断面。工作基点布设图如图3所示，断面监测棱镜布设图如图4所示。

图3 工作基点布设图

图4 监测断面棱镜布设图

该矩形隧道区段左、右线共布设54个自动化监测断面，每个断面根据监测需要及现场环境布设4个L型监测小棱镜(如图4所示)。

4.2 监测实施及效果

在工作基点上安置测量机器人并与RTU相连接，通过“地铁隧道结构变形自动化监测系统”远程控制测量机器人，对基准点、工作基点、监测点进行数据采集和数据通信管理，系统通过实时无线发送监测数据成果，实现全自动化实时监测。

垂直位移、拱顶沉降、水平位移监测点参与整网平差计算，在工作基点平差成果的基础上采用极坐标方法计算获取X、Y、Z，客观的反映地铁结构变形情况。

监测期间自动化监测系统稳定可靠，运行良好，通过自动化实时监测和数据分析，并结合现场巡查实时掌控隧道结构的动态变形，及时反馈并提出合理化建议，为管理部门指导施工的决策提供引导方向，施工过程中通过采取一系列有效措施，较好地控制了隧道变形。本项目的地铁保护安全监测达到了使项目顺利施工的同时保证了地铁隧道结构和运营安全的目的，圆满完成了本工程的监测任务，也为后续地保监测积累了经验。

5 监测分析

自动化监测周期自2月27日持续至9月12日，其后跟踪期及检修期间采用人工方式进行监测。在本项目监测周期内，以施工段正下方地铁隧道结构自动化垂直位移为例，进行隧道结构变形分析，垂直位移变化量曲线如图5所示。

图5地铁隧道变形时程曲线(mm)

监测数据显示，映月湖公园抽水施工卸载引起地铁区间整体上浮，变形较为显著，挡水墙施工采取分区开挖较好的控制其对地铁区间结构的影响，开挖卸载区间结构进一步上浮，区间结构均发生不同程度的上浮，上浮量主要产生在映月湖水抽排阶段，且有较明显的滞后效应，根据自动化实时监测数据，相关单位采取对隧道上方堆载、少量回灌湖水等措施控制上浮变形趋势，自动化数据显示控制措施效果明显，保证了地铁结构安全。

为保证湖水回灌期间地铁结构下沉可控，依据前期监测数据，首先回灌喷泉小池，再回灌映月湖，回灌期间进行分层缓慢回灌，加载期间区间结构下沉较明显，且有一定的滞后影响，期间结构变形可控。

挡水墙内喷泉检修时，分时段进行抽排水，并严格控制喷泉抽水的输出量，降水卸荷引起区间结构产生小幅上浮；喷泉小池检修完毕分层回灌水位后，结构上浮有所回落。整个监测期间累积变形体现为沉降，根据长期结构监测数据分析，工前该区间存在一定的自然沉降，项目阶段最终的沉降变形主要为自然沉降量，与零状态相比，施工完成后隧道没有明显新增病害，整体良好。

实测及计算数据对比表 表2

自动化监测与前期预测数据产生差异的主要原因有：第一，施工期间根据实时监测数据，采取了相应的施工措施，一定程度上控制了变形发展；第二，软土固结沉降有一定的滞后性；第三，前期预测未考虑一定的工后沉降。

6 结 论

大面积加卸载施工易引起下方隧道结构的变形，对地铁运营形成安全隐患。本文通过地铁保护区自动化监测项目实例，对明挖浅埋湖底地铁上方大面积加卸载下地铁结构变形进行分析，在外部工程施工前对地铁结构变形进行分析和预测，根据施工期间实时自动化监测数据，相关方及时采取应对措施，并根据后续实时监测，对施工进行合理调整，有效地控制了施工对地铁的影响，体现了自动化监测在地铁保护区监测项目中的重要性和必要性，也为以后类似工程提供一定的实践经验。

[1] 贺磊，许诚权，陆晓勇等. 测量机器人自动化测量在地铁结构变形监测中的应用[J]. 城市勘测，2015(1)：137～139.

[2] 储征伟，钟金宁，段伟等. 自动化三维高精度智能监测系统在地铁变形监测中的应用[J]. 东南大学学报·自然科学版，2013，43(S2)：225～229.

[3] 储征伟，段伟，赵兵帅等. 多元回归与频谱分析在地铁自动化监测数据分析中的应用研究[J]. 测绘通报，2014(S1)：1～3.

[4] 张志伟，胡伍生，黄晓明. 线性回归模型精化方法[J]. 东南大学学报·自然科学版，2009，39(6)：1279～1280.

[5] 黄维华，岳荣花，张学华等. 地铁隧道结构变形监测信息管理系统的开发[J]. 现代测绘，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

贺磊(1982—)，男，硕士，高级工程师，主要从事精密工程测量及地铁结构变形监测工作。

江苏省科技支撑计划项目(BE2014026)