廣州地鐵隧道運營期沉降監(jiān)測及分析

1 廣州 地鐵隧道 運營期 沉降監(jiān)測及分析 陳德智 (廣州市地下鐵道總公司 510310) 摘 要 結(jié)合 廣州 地鐵隧道沉降監(jiān)測實例 , 對隧道內(nèi)沉降測點、 差異沉降點的布置和施測方法進行了介紹 ，并 分析了隧道結(jié)構(gòu)的沉降情況、沉降規(guī)律以及沉降成因 ， 對沉降曲線擬合及分析進行 簡單 的介紹，為運營隧道的維修管理提 供經(jīng)驗 。 . 關(guān)鍵詞 隧道 、 沉降監(jiān)測 、分析 、經(jīng)驗 Subsidence monitoring and analyzing in guangzhou subway operation tunnel Chen de zhi (Guangzhou Metro Corporation） Abstract: In guangzhou subway tunnel subsidence monitoring examples, tunnel settlement measurement taps and differential settlement points decorate and measuring method was introduced, and analyzes the settlement of tunnel structure and settlement regularity and settlement causes and the settlement curve fitting and analysis are simply introduced, For the operation of tunnel maintenance management provide experience. Key words: tunnel, the subsidence monitoring ,analysis,experience .1 前言 隨著城市的不斷發(fā)展 ， 地鐵等軌道交通建設(shè)規(guī)模必然不斷擴大 ， 并將成為城市公共交通的重要支柱 。城軌交通的安全運營已成為城市窗口形象 ， 至 2010年亞運前，廣州地鐵已開通運營共 235公里 的線路，最高峰客流 781萬，面對如此龐大的軌道交通網(wǎng)絡(luò)和客流狀況，地 鐵隧道結(jié)構(gòu)安全愈顯重要。隧道變形的穩(wěn)定可控是地鐵安全運營的重要保障之一，隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測是我們了解和掌握隧道結(jié)構(gòu)變化，及時發(fā)現(xiàn)病害和判斷其安全狀況的必要的方法和手段。 通過對地鐵主體結(jié)構(gòu)監(jiān)測 ， 收集監(jiān)測數(shù)據(jù) 、 記錄整治方案 ，系統(tǒng)地整理、積累資料 ， 及時掌握現(xiàn)有建成地鐵工 程運營變形情況 ， 不斷總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗教訓(xùn) ， 為病害治理提供可靠依據(jù) ， 也可供今后相關(guān)工程設(shè)計、施工、運營維護時借鑒。 2 沉降監(jiān)測實 施 廣州 地鐵隧道運營期 的沉降 監(jiān)測 每年進行兩次，主要是監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)的底板沉降 ， 實質(zhì)上是對道床的 監(jiān)測 ， 主要包括區(qū)間隧道的沉降監(jiān)測和隧道與地下車站交接處的沉降差異監(jiān)測 。 2.1 基準(zhǔn)點與測點布設(shè) 地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形主要關(guān)注的是隧道相對區(qū)間兩側(cè)的車站的垂直位移，因地下車站結(jié)構(gòu)體較大，相對隧道要穩(wěn)定得多，因此將車站內(nèi)的所有工作基點組成監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)，對于區(qū)間隧道， 以設(shè)于 區(qū)間兩 端 車站內(nèi)的基準(zhǔn)點為基準(zhǔn)， 與 兩車站之間的 上、下行隧道高程 監(jiān)測 點 分別 組成附合水準(zhǔn)路線 ， 對于 折返線、出入段線 隧 道則以 一端 車站 上 、 下 線的基準(zhǔn)點為基準(zhǔn)，分別與 上 、 下行 線的各監(jiān)測點組成閉合水準(zhǔn)路線，按國家二等水準(zhǔn)測量的技術(shù)要求施測。 隧道沉降監(jiān)測點布設(shè)在道床的兩軌之間 ， 一般每隔 30m左右 設(shè) 1個點 ，在小半徑曲線、不同結(jié)構(gòu)的接縫處、沉管隧道管節(jié)接頭處等地方加密布設(shè)。 2.2 水準(zhǔn)觀測技術(shù)要求 沉降變形測量等級選定為建筑變形測量規(guī)程（ JGJ/T8-97） 中的二級，觀測點測站高差中誤差0.5mm，往返較差、附合或閉合環(huán)線閉合 差 n60.0 mm（ n 為測站數(shù) ,高于二級精度）。同時結(jié)合變形監(jiān)測的具體特點，并采取“三固定”（人員固定，站位固定、儀器固定）的措施來提高觀測精度。 作者簡介 ： 陳德智，男，本科，技術(shù)主管，市政公用工程一級建造師，工程師，從事軌道交通土建技術(shù)管理， 2 圖 新港東 磨碟沙區(qū)間典型點累計變化量 -時間曲線圖 3 隧道的 沉降 原因 分析 將一條線的每一期各測點的累計沉降量曲線繪制在以隧道里程為橫軸 、 沉降量為豎軸的坐標(biāo)系中，繪成“隧道縱向沉降曲線” （如圖 1廣州地鐵一號線隧道縱向沉降變化量曲線圖 ），對于典型的沉 降點，把該點的各期的累計沉降量繪制在以時間為橫軸、沉降量為豎軸的坐標(biāo)系中繪成“典型點累計沉降量 -時間曲線” ，這樣便能直觀地從圖上看出 整條隧道的沉降情況、規(guī)律和趨勢。必要時還可將隧道縱向地質(zhì)剖面圖 3.1 隧道下臥 軟弱地 層 在下臥土層長期固結(jié)沉降過程中，不同性質(zhì)土層的固結(jié)沉降量差異很大，達到沉降穩(wěn)定的所需時間也各不相同，導(dǎo)致隧道因為沿縱向土性分布不均勻而產(chǎn)生差異沉降 ， 例如 廣州地鐵原二號線（現(xiàn)已拆分為二、八號線） 2003年建成并投入 運營，長期的沉降監(jiān)測發(fā) 3.2 隧道臨近建筑施工活動的影響 現(xiàn)， 新港東磨碟沙區(qū) 隧道的 不均勻 沉降 量 不小而且在發(fā)展 （見圖 2） ， 最大累計值 為 -30mm， 變形縫兩側(cè)道床高差約 18mm， 該段隧 道下臥 海相沖積砂層 、沖積洪積砂層 ，厚度為 2 4.5米不等，該區(qū) 間隧道為 明挖矩形隧 道， 均采用砂碎石換 并 填分層碾壓 ，厚度不等，綜合分析表 明隧道的沉降 及其不均勻 及隧道縱斷面繪制在“隧道縱向沉降曲線”下方，更有利于 綜合 分析隧道沉降的成因，做出正確推測。 引起 隧道運營期的沉降因素 很多，主要有地質(zhì)、周邊環(huán)境及地面荷載等方面的影響。而廣州地區(qū)地質(zhì)復(fù)雜， 不但土層和巖層類型眾多，巖層風(fēng)化程度和單軸抗壓強度也變化很大 ， 沿線地層變化劇烈， 起伏大，地 下水非常豐富，周邊建筑施工時有發(fā)生，隧道上方 地面荷載變化等。根據(jù)多年來對廣州地鐵隧道結(jié)構(gòu)的沉降監(jiān)測發(fā)現(xiàn)， 主要有以下因素所致： 性 與換填層及原砂層的 固結(jié)和次固結(jié)沉降 有關(guān)。由于該段為明挖矩 性隧道，其 整體結(jié)構(gòu)剛度 較大，且沒有發(fā)現(xiàn)漏水、結(jié)構(gòu)裂紋等病害，所以目前沉降對結(jié)構(gòu)的承載能力影響不大，但是由于不均勻沉降導(dǎo)致軌道的調(diào)整量加大，仍不可忽視。 3.2 隧道上方增加地面荷載 隧道建成后 隧道下部土體的反力小于未修建隧道前此處土的自重應(yīng)力，隧道下臥土層壓縮模量比修建隧道以前有所降低，如在隧道上方增加荷載 地面加載，受施工擾動的隧道下臥土層的長期次固結(jié) 將 繼續(xù)。如大學(xué)城南新造區(qū)間四號線新造至洞口隧道 K24472 K24 651段， 從 2006年年底開通至 2007年 10月其沉降量很小，而在 2007年 10月 2008年 7月 期間 ， 其 左線最大沉降量為 -16mm，右線最大沉降量為-15mm，經(jīng)調(diào)查，其隧道上方地面陸續(xù)新增 余泥堆放2 3米厚不等，故引起隧道的不同程度沉降，廣州地鐵立即采取措施阻止在隧道上方堆余泥，至 2009年 8月，最大 沉降增到 -33.9mm，以后沉降逐漸收斂至 穩(wěn)定 。 3.3 隧 道臨近建筑施工的影響 根據(jù)多 年來的觀測，凡是在地鐵控制保護區(qū)內(nèi)進行的建筑施工都引起地鐵結(jié)構(gòu)不同程度的沉降、位移及變形。如一號線黃沙站旁 的和記黃埔 物業(yè)開發(fā) 項目，-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 Z2+082.2 Z2+700.0 Z3+907.4 Z5+373 Z6+115 Z7+356 Z8+300 Z9+284 Z10+380 Z11+400 Z12+530 Z13+780 Z15+250 Z16+295 Z18+381 里程（ m) 2008年下半年 2009年上半年 2009年下半年 - 沉降（ mm) 圖 1 廣州地鐵一號線隧道縱 向沉降 變化量曲線圖 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 05 年 46月 05 年 910月 06 年 79月 07 年 56月 07年 1012月 08 年 4月 08 年 8月 09 年 1月 09 年 6月 09 年 9月 監(jiān)測日期 沉降(mm) XM99 XM101 XM159 XM100 XM102 XM160 10 年 3月 圖 2 新港東 磨碟沙區(qū)間典型點累計變化量 -時間曲線圖 3 其 最近處基坑距離地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)僅為 6米，基坑開挖深度約為 10.3 18米，場地存在深厚砂層，該區(qū)間隧道的變形較大， 在其施工期間黃沙長壽路地鐵區(qū)間隧道最大的沉降量達 -14.4mm（見圖 3） 。深基坑開挖過程實際上是一卸載的過程，地鐵隧道臨近的深基坑開挖對隧道的影響主要 有 ： 深基坑施工要抽走大量的水，從而 引起地 下水位的下降，各地層在水位下降誘發(fā)的附加應(yīng)力作用下產(chǎn)生壓縮， 由于 不同地方壓縮量不同從而引起隧道縱向不均勻沉降 ，另外抽水也可能引起 隧道下臥土層水土流失造成破壞性縱向變形 。 由于基 坑開挖引起圍護的側(cè)向位移和坑內(nèi)隆起使得坑外地 層沉降，導(dǎo)致隧道也隨之 沉降?；?坑開 挖引起圍護向基坑內(nèi)的側(cè)向水平位移，導(dǎo)致隧道發(fā)生撓曲變形。 3.4隧道穿越的影響 城市軌道交通網(wǎng) 的不斷發(fā)展 ，使得不同隧道形成空間交叉穿越的現(xiàn)象越來越多 ， 后續(xù)線路施工自然要穿越既有線路， 另外 有大量市政隧道 (或通道 )在地鐵隧道附近或上下部穿越施工 。后建隧道對周圍土體的擾動，會在隧道橫向的地層中形成一個近似正態(tài)分布的沉降槽，導(dǎo)致 已建隧道產(chǎn)生縱向的不均勻沉降 ，而在不同的地質(zhì)條件穿越施工引起的隧道沉降相很大。如 珠江新城 APM 集運系統(tǒng)下穿一號線 體育西站體育中心站 區(qū)間施工期間，一號線 該區(qū) 間隧道下沉最大值 -8mm，穿越施工完成后隧道逐漸穩(wěn)定；另外六號線下穿一號線的烈士陵園 東山口區(qū)間， 施工的六號線左線隧道頂部距一號線礦山法隧道底部最近距離約為5.5米， 施工過程最大沉降值僅為 -2.07mm，施工過后隧道沉降穩(wěn)定，這是因為 該 下穿施工的地層為中風(fēng)化、微風(fēng)化巖層，盾構(gòu)施工對圍巖擾動 很 小。 3.5 建設(shè)期 隧道 施工工藝及 質(zhì)量 建設(shè)時期采用不同的施工設(shè)備 、施工工藝、施工參數(shù)、注漿材料和施工過程中對環(huán)境擾動程度和擾動范圍不同，由此而引起對地鐵投入運營后的地鐵結(jié)構(gòu)沉降變形影響不同。盾構(gòu)法隧道的管片壁后的注漿填充程度、注漿材料對隧道的沉降穩(wěn)定也是密切相關(guān)。如三號線區(qū)間隧道 YDK27+600 YDK27+700，礦山法開挖及初支，盾構(gòu)拼裝管片作為二襯方法的特殊工法，施工時對管片與礦山法隧道初支間的空隙進行充填，由于施工工藝造成局部管片背后仍存在空隙，因而運營后隧道沉降仍在發(fā)展。特殊的地段如一號線體育西體育中心區(qū)間沉降較大的區(qū)間發(fā)生在區(qū)間的 大彎道部分（ 最大的已超過 -7.5mm），此 處隧道采用以特制的橡膠支座支承道床底部的浮置板道床結(jié)構(gòu) ，綜合此段地質(zhì)結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境等因素分 析認為 原因是 隨著列車運行的增多，上部荷載及振動不斷增大，道床下的部分橡膠支座可能已出現(xiàn)老化現(xiàn)象。 3.6地鐵列車振動及 隧道 滲漏 地鐵隧道在運營期間，受到地鐵列車振動荷載的長期循環(huán)作用 與隧道存在不同程度滲漏的影響 。有研究表明，列車振動荷載引起的結(jié)構(gòu)振動位移很小，但在列車振動荷載長期循環(huán)持續(xù)的 作用下，可能會引起隧道下臥的飽和砂土層液化、飽和粘土振陷、花崗巖殘積土軟化等 。 列車動載引起的地基土沉降以塑性變形為 主 ,在運行初期就達到相當(dāng)大的沉降量 ,隨著運行次數(shù)的增多 ， 沉降的增加趨勢逐漸減弱 ， 但其長期累積作用不可忽視。 4 隧道縱向沉降曲線 隧道的抗縱向變形能 力很脆弱，引起隧道變形的因素通常是導(dǎo)致隧道變形向不利的方向發(fā)展， 在隧道縱向變形或曲率半徑達到一定的量值后， 輕則引起隧道結(jié)構(gòu)滲漏水，重則導(dǎo)致 道床與隧道脫空、隧道 開裂過大、 結(jié)構(gòu)損壞等，危及列車運營安全。 沉降曲線的曲率大小是隧道結(jié)構(gòu)受力情況判別的重要依據(jù)， 對了解隧道變形趨勢、結(jié)構(gòu)性能和健康狀況意義重大。 4.1沉降曲線數(shù)據(jù)點擬合 沉降曲線的曲率通過 沉降曲線數(shù)據(jù)點擬合 得到，一般采用 多段三次多項式曲線擬合 法 對沉降曲線進行分段模擬，每一段的沉降模擬曲線可統(tǒng)一為水平距離的三次多項式曲線： S=ax3+bx2+cx+S0 式中 S為沉降（ m）， x為水平坐標(biāo)（ m）， S0為分段沉降曲線起始點（以 x=x0 作為每段的起點）的沉降（ m）， a、 b、 c 均為擬合參數(shù)。模擬段的選?。河?4 xi代表測點橫向 位置 坐標(biāo) （ i為共用編號），第 i-2段為 xi-2， xi-1， xi， xi+1，第 i-1段為 xi-2， xi-1， xi，xi+1，第 i段為 xi-1， xi， xi+1， xi+2，這樣交叉順次往后選取 。這樣任何兩點 xi， xi+1就被模擬計算三次，最后結(jié)果取平均值。曲率 k計算式為： K= 2321SS 式中 S 、 S 分別為函數(shù) S 對 x 的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)。 曲率半徑為曲率的倒數(shù)： R=1/ k 。 4.2沉降曲線 半徑臨界值分析 對盾構(gòu)隧道來說，一是 將 盾構(gòu) 隧道縱向單環(huán)簡化成一個理想化的剛體，環(huán)間只發(fā)生很小角度的剛體轉(zhuǎn)動，通過一系列剛體 轉(zhuǎn)動而形成隧道的縱向沉降變形。圖 4為管片接頭張開量計算示意圖。 其中剛性管片接頭張開量可 近似為： S=LD /R，其中 R 為相鄰管片環(huán)變形曲率半徑， D為管片直徑， L為管片環(huán)長度。若已知管片環(huán)縫接頭張開量臨界值，則可采用下式估算隧道變形曲 率半徑臨 界值： S=LD /R。 二是 將 盾構(gòu) 隧道縱向變形視為錯臺變形 ， 管 片 均勻錯臺后形成的附加沉降曲線半徑 R可用下式計算： R=L2/ 2。式中： L為沉降盆 (或范圍 )半徑； R為沉降曲線半徑；為錯臺沉降差。 通過管片錯臺沉降差限值算出對應(yīng)的 沉降曲線 半徑臨界值。 對于明挖矩形隧道、暗挖礦山法隧道，其薄弱處為施工縫、變形縫處，不均勻沉降往往 會造成變形縫處錯臺，從而引起為該處道床錯臺，如果錯臺過大則直接威脅行車安全。 對于區(qū)間不設(shè)變形縫的礦山法隧道，其縱向變形曲率半徑監(jiān)界值一般通過縱向變形引起二襯受拉區(qū)裂縫限值來確定；對于沉管隧道，一般來說威脅最大為管節(jié)之間、管節(jié)與岸上段的連接部位的沉降差，如果過大則會造成接頭滲漏水甚至破壞。 5 隧道維修管理對策 廣州地鐵的隧道沉降整體上是穩(wěn)定的， 但是不能掉以 輕心 ，周邊建筑施工的影響、環(huán)境的變化等可能會造成隧道 沉降 的突然變化，必須保持 密切的 監(jiān)控 ，并且結(jié)合日常的檢查、隧道的專項檢查、線路的維護情況等分析，采取相 應(yīng)的措施。 5.1 隧道檢查 從隧道及地下工程的維修經(jīng)驗看，通用維修管理模式是：檢查發(fā)現(xiàn)變異推定變異原因明確變異后結(jié)構(gòu)物的健全度制定相應(yīng)的整治措施整治，根據(jù)這一原則，廣州地鐵采取 “勤檢查、早發(fā)現(xiàn)、少維修”的維修管理模式。檢查手段有日常檢查（目視、敲擊等）、裂縫觀察、沉監(jiān)監(jiān)測、襯砌（管片）的鋼筋及混凝土無損檢測、圍巖檢測等。沉降監(jiān)測采用每年兩次例行沉降監(jiān)測、結(jié)合加密監(jiān)測、自動監(jiān)測的模式，加密監(jiān)測是在例行監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)沉降異常的后實施的，自動監(jiān)測是在地鐵隧道旁進行建筑施工活動時，為了及時準(zhǔn)確地掌握施工過 程對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，確保地鐵隧道結(jié)構(gòu)和地鐵列車運營安全 而采取的監(jiān)測方法。 5.2 隧道沉降限值 廣州地鐵對于隧道鄰近建筑施工引起的隧道沉降，根據(jù)隧道的不同狀況，把 10 mm 20 mm作為隧道沉降的控制值，但在隧道已經(jīng)有相當(dāng)沉降量的情況下則需要專門評估分析。關(guān)于沉降速率，日本鐵路隧道的健全度評定辦法把變形速率達 10mm/年者定為 AA級（最嚴重級）， 鐵路橋隧建筑物修 理 規(guī)則 中也把隧道變形速率大于 10mm/年者定為嚴重病害，需要立即查明原因，采取相應(yīng)措施。可以參考鐵路的經(jīng)驗把沉降速率 10mm/年作為一個極 限值。需要注意的是，不同地段的線路狀況不一樣，要密切關(guān)注隧道沉降大的地段的線路變化情況。 5.3維修對策 維修管理中， 在 充分調(diào)查的基礎(chǔ)上推定引起隧道沉降的主要原因十分重要，以便做到“對癥下藥”。如果在相當(dāng)長的時間隧道沉降作求收斂，其沉降值或速率已接近限值，這時必須采取整治措施，針對不同原因采取不同的整治方法：由隧道下臥地層承載力不足的沉降，可采取在隧道底注漿等方法提高其承載力從而達到控制沉降的目的；對于隧道上方增加地面荷載，則必須減少、清除或者控制這些增加的荷載或 5 者；由于隧道鄰近施工的影響、隧道穿越的 影響的，則要嚴格控制其施工方案，如基坑不得大量的抽水，優(yōu)化其基坑支護方案、開挖方案等，調(diào)整其施工參數(shù)等，一般在其施工完成后一段時間后隧道沉降達到穩(wěn)定；對于隧道隧道管片后注漿不充分、砌襯有空腔等，可采用充填注漿的辦法進行加固；在維修過程中注意對隧道滲漏水的治理，及時封堵滲漏水大的處所，控制