广州地铁隧道运营期沉降监测及分析

1 广州 地铁隧道 运营期 沉降监测及分析 陈德智 (广州市地下铁道总公司 510310) 摘 要 结合 广州 地铁隧道沉降监测实例 , 对隧道内沉降测点、 差异沉降点的布置和施测方法进行了介绍 ，并 分析了隧道结构的沉降情况、沉降规律以及沉降成因 ， 对沉降曲线拟合及分析进行 简单 的介绍，为运营隧道的维修管理提 供经验 。 . 关键词 隧道 、 沉降监测 、分析 、经验 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 随着城市的不断发展 ， 地铁等轨道交通建设规模必然不断扩大 ， 并将成为城市公共交通的重要支柱 。城轨交通的安全运营已成为城市窗口形象 ， 至 2010年亚运前，广州地铁已开通运营共 235公里 的线路，最高峰客流 781万，面对如此庞大的轨道交通网络和客流状况，地 铁隧道结构安全愈显重要。隧道变形的稳定可控是地铁安全运营的重要保障之一，隧道结构变形监测是我们了解和掌握隧道结构变化，及时发现病害和判断其安全状况的必要的方法和手段。 通过对地铁主体结构监测 ， 收集监测数据 、 记录整治方案 ，系统地整理、积累资料 ， 及时掌握现有建成地铁工 程运营变形情况 ， 不断总结相关经验教训 ， 为病害治理提供可靠依据 ， 也可供今后相关工程设计、施工、运营维护时借鉴。 2 沉降监测实 施 广州 地铁隧道运营期 的沉降 监测 每年进行两次，主要是监测隧道结构的底板沉降 ， 实质上是对道床的 监测 ， 主要包括区间隧道的沉降监测和隧道与地下车站交接处的沉降差异监测 。 2.1 基准点与测点布设 地铁隧道结构的变形主要关注的是隧道相对区间两侧的车站的垂直位移，因地下车站结构体较大，相对隧道要稳定得多，因此将车站内的所有工作基点组成监测基准网，对于区间隧道， 以设于 区间两 端 车站内的基准点为基准， 与 两车站之间的 上、下行隧道高程 监测 点 分别 组成附合水准路线 ， 对于 折返线、出入段线 隧 道则以 一端 车站 上 、 下 线的基准点为基准，分别与 上 、 下行 线的各监测点组成闭合水准路线，按国家二等水准测量的技术要求施测。 隧道沉降监测点布设在道床的两轨之间 ， 一般每隔 30m左右 设 1个点 ，在小半径曲线、不同结构的接缝处、沉管隧道管节接头处等地方加密布设。 2.2 水准观测技术要求 沉降变形测量等级选定为建筑变形测量规程（ JGJ/T8-97） 中的二级，观测点测站高差中误差0.5mm，往返较差、附合或闭合环线闭合 差 n60.0 mm（ n 为测站数 ,高于二级精度）。同时结合变形监测的具体特点，并采取“三固定”（人员固定，站位固定、仪器固定）的措施来提高观测精度。 作者简介 ： 陈德智，男，本科，技术主管，市政公用工程一级建造师，工程师，从事轨道交通土建技术管理， 2 图 新港东 磨碟沙区间典型点累计变化量 -时间曲线图 3 隧道的 沉降 原因 分析 将一条线的每一期各测点的累计沉降量曲线绘制在以隧道里程为横轴 、 沉降量为竖轴的坐标系中，绘成“隧道纵向沉降曲线” （如图 1广州地铁一号线隧道纵向沉降变化量曲线图 ），对于典型的沉 降点，把该点的各期的累计沉降量绘制在以时间为横轴、沉降量为竖轴的坐标系中绘成“典型点累计沉降量 -时间曲线” ，这样便能直观地从图上看出 整条隧道的沉降情况、规律和趋势。必要时还可将隧道纵向地质剖面图 3.1 隧道下卧 软弱地 层 在下卧土层长期固结沉降过程中，不同性质土层的固结沉降量差异很大，达到沉降稳定的所需时间也各不相同，导致隧道因为沿纵向土性分布不均匀而产生差异沉降 ， 例如 广州地铁原二号线（现已拆分为二、八号线） 2003年建成并投入 运营，长期的沉降监测发 3.2 隧道临近建筑施工活动的影响 现， 新港东磨碟沙区 隧道的 不均匀 沉降 量 不小而且在发展 （见图 2） ， 最大累计值 为 -30mm， 变形缝两侧道床高差约 18mm， 该段隧 道下卧 海相冲积砂层 、冲积洪积砂层 ，厚度为 2 4.5米不等，该区 间隧道为 明挖矩形隧 道， 均采用砂碎石换 并 填分层碾压 ，厚度不等，综合分析表 明隧道的沉降 及其不均匀 及隧道纵断面绘制在“隧道纵向沉降曲线”下方，更有利于 综合 分析隧道沉降的成因，做出正确推测。 引起 隧道运营期的沉降因素 很多，主要有地质、周边环境及地面荷载等方面的影响。而广州地区地质复杂， 不但土层和岩层类型众多，岩层风化程度和单轴抗压强度也变化很大 ， 沿线地层变化剧烈， 起伏大，地 下水非常丰富，周边建筑施工时有发生，隧道上方 地面荷载变化等。根据多年来对广州地铁隧道结构的沉降监测发现， 主要有以下因素所致： 性 与换填层及原砂层的 固结和次固结沉降 有关。由于该段为明挖矩 性隧道，其 整体结构刚度 较大，且没有发现漏水、结构裂纹等病害，所以目前沉降对结构的承载能力影响不大，但是由于不均匀沉降导致轨道的调整量加大，仍不可忽视。 3.2 隧道上方增加地面荷载 隧道建成后 隧道下部土体的反力小于未修建隧道前此处土的自重应力，隧道下卧土层压缩模量比修建隧道以前有所降低，如在隧道上方增加荷载 地面加载，受施工扰动的隧道下卧土层的长期次固结 将 继续。如大学城南新造区间四号线新造至洞口隧道 K24472 K24 651段， 从 2006年年底开通至 2007年 10月其沉降量很小，而在 2007年 10月 2008年 7月 期间 ， 其 左线最大沉降量为 -16mm，右线最大沉降量为-15mm，经调查，其隧道上方地面陆续新增 余泥堆放2 3米厚不等，故引起隧道的不同程度沉降，广州地铁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，以后沉降逐渐收敛至 稳定 。 3.3 隧 道临近建筑施工的影响 根据多 年来的观测，凡是在地铁控制保护区内进行的建筑施工都引起地铁结构不同程度的沉降、位移及变形。如一号线黄沙站旁 的和记黄埔 物业开发 项目，-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) 图 1 广州地铁一号线隧道纵 向沉降 变化量曲线图 -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 监测日期 沉降(mm) XM99 XM101 XM159 XM100 XM102 XM160 10 年 3月 图 2 新港东 磨碟沙区间典型点累计变化量 -时间曲线图 3 其 最近处基坑距离地铁区间隧道结构仅为 6米，基坑开挖深度约为 10.3 18米，场地存在深厚砂层，该区间隧道的变形较大， 在其施工期间黄沙长寿路地铁区间隧道最大的沉降量达 -14.4mm（见图 3） 。深基坑开挖过程实际上是一卸载的过程，地铁隧道临近的深基坑开挖对隧道的影响主要 有 ： 深基坑施工要抽走大量的水，从而 引起地 下水位的下降，各地层在水位下降诱发的附加应力作用下产生压缩， 由于 不同地方压缩量不同从而引起隧道纵向不均匀沉降 ，另外抽水也可能引起 隧道下卧土层水土流失造成破坏性纵向变形 。 由于基 坑开挖引起围护的侧向位移和坑内隆起使得坑外地 层沉降，导致隧道也随之 沉降。基 坑开 挖引起围护向基坑内的侧向水平位移，导致隧道发生挠曲变形。 3.4隧道穿越的影响 城市轨道交通网 的不断发展 ，使得不同隧道形成空间交叉穿越的现象越来越多 ， 后续线路施工自然要穿越既有线路， 另外 有大量市政隧道 (或通道 )在地铁隧道附近或上下部穿越施工 。后建隧道对周围土体的扰动，会在隧道横向的地层中形成一个近似正态分布的沉降槽，导致 已建隧道产生纵向的不均匀沉降 ，而在不同的地质条件穿越施工引起的隧道沉降相很大。如 珠江新城 APM 集运系统下穿一号线 体育西站体育中心站 区间施工期间，一号线 该区 间隧道下沉最大值 -8mm，穿越施工完成后隧道逐渐稳定；另外六号线下穿一号线的烈士陵园 东山口区间， 施工的六号线左线隧道顶部距一号线矿山法隧道底部最近距离约为5.5米， 施工过程最大沉降值仅为 -2.07mm，施工过后隧道沉降稳定，这是因为 该 下穿施工的地层为中风化、微风化岩层，盾构施工对围岩扰动 很 小。 3.5 建设期 隧道 施工工艺及 质量 建设时期采用不同的施工设备 、施工工艺、施工参数、注浆材料和施工过程中对环境扰动程度和扰动范围不同，由此而引起对地铁投入运营后的地铁结构沉降变形影响不同。盾构法隧道的管片壁后的注浆填充程度、注浆材料对隧道的沉降稳定也是密切相关。如三号线区间隧道 YDK27+600 YDK27+700，矿山法开挖及初支，盾构拼装管片作为二衬方法的特殊工法，施工时对管片与矿山法隧道初支间的空隙进行充填，由于施工工艺造成局部管片背后仍存在空隙，因而运营后隧道沉降仍在发展。特殊的地段如一号线体育西体育中心区间沉降较大的区间发生在区间的 大弯道部分（ 最大的已超过 -7.5mm），此 处隧道采用以特制的橡胶支座支承道床底部的浮置板道床结构 ，综合此段地质结构、周边环境等因素分 析认为 原因是 随着列车运行的增多，上部荷载及振动不断增大，道床下的部分橡胶支座可能已出现老化现象。 3.6地铁列车振动及 隧道 渗漏 地铁隧道在运营期间，受到地铁列车振动荷载的长期循环作用 与隧道存在不同程度渗漏的影响 。有研究表明，列车振动荷载引起的结构振动位移很小，但在列车振动荷载长期循环持续的 作用下，可能会引起隧道下卧的饱和砂土层液化、饱和粘土振陷、花岗岩残积土软化等 。 列车动载引起的地基土沉降以塑性变形为 主 ,在运行初期就达到相当大的沉降量 ,随着运行次数的增多 ， 沉降的增加趋势逐渐减弱 ， 但其长期累积作用不可忽视。 4 隧道纵向沉降曲线 隧道的抗纵向变形能 力很脆弱，引起隧道变形的因素通常是导致隧道变形向不利的方向发展， 在隧道纵向变形或曲率半径达到一定的量值后， 轻则引起隧道结构渗漏水，重则导致 道床与隧道脱空、隧道 开裂过大、 结构损坏等，危及列车运营安全。 沉降曲线的曲率大小是隧道结构受力情况判别的重要依据， 对了解隧道变形趋势、结构性能和健康状况意义重大。 4.1沉降曲线数据点拟合 沉降曲线的曲率通过 沉降曲线数据点拟合 得到，一般采用 多段三次多项式曲线拟合 法 对沉降曲线进行分段模拟，每一段的沉降模拟曲线可统一为水平距离的三次多项式曲线： S=ax3+bx2+cx+S0 式中 S为沉降（ m）， x为水平坐标（ m）， S0为分段沉降曲线起始点（以 x=x0 作为每段的起点）的沉降（ m）， a、 b、 c 均为拟合参数。模拟段的选取：用 4 xi代表测点横向 位置 坐标 （ i为共用编号），第 i-2段为 xi-2， xi-1， xi， xi+1，第 i-1段为 xi-2， xi-1， xi，xi+1，第 i段为 xi-1， xi， xi+1， xi+2，这样交叉顺次往后选取 。这样任何两点 xi， xi+1就被模拟计算三次，最后结果取平均值。曲率 k计算式为： K= 2321SS 式中 S 、 S 分别为函数 S 对 x 的一阶导数、二阶导数。 曲率半径为曲率的倒数： R=1/ k 。 4.2沉降曲线 半径临界值分析 对盾构隧道来说，一是 将 盾构 隧道纵向单环简化成一个理想化的刚体，环间只发生很小角度的刚体转动，通过一系列刚体 转动而形成隧道的纵向沉降变形。图 4为管片接头张开量计算示意图。 其中刚性管片接头张开量可 近似为： S=LD /R，其中 R 为相邻管片环变形曲率半径， D为管片直径， L为管片环长度。若已知管片环缝接头张开量临界值，则可采用下式估算隧道变形曲 率半径临 界值： S=LD /R。 二是 将 盾构 隧道纵向变形视为错台变形 ， 管 片 均匀错台后形成的附加沉降曲线半径 R可用下式计算： R=L2/ 2。式中： L为沉降盆 (或范围 )半径； R为沉降曲线半径；为错台沉降差。 通过管片错台沉降差限值算出对应的 沉降曲线 半径临界值。 对于明挖矩形隧道、暗挖矿山法隧道，其薄弱处为施工缝、变形缝处，不均匀沉降往往 会造成变形缝处错台，从而引起为该处道床错台，如果错台过大则直接威胁行车安全。 对于区间不设变形缝的矿山法隧道，其纵向变形曲率半径监界值一般通过纵向变形引起二衬受拉区裂缝限值来确定；对于沉管隧道，一般来说威胁最大为管节之间、管节与岸上段的连接部位的沉降差，如果过大则会造成接头渗漏水甚至破坏。 5 隧道维修管理对策 广州地铁的隧道沉降整体上是稳定的， 但是不能掉以 轻心 ，周边建筑施工的影响、环境的变化等可能会造成隧道 沉降 的突然变化，必须保持 密切的 监控 ，并且结合日常的检查、隧道的专项检查、线路的维护情况等分析，采取相 应的措施。 5.1 隧道检查 从隧道及地下工程的维修经验看，通用维修管理模式是：检查发现变异推定变异原因明确变异后结构物的健全度制定相应的整治措施整治，根据这一原则，广州地铁采取 “勤检查、早发现、少维修”的维修管理模式。检查手段有日常检查（目视、敲击等）、裂缝观察、沉监监测、衬砌（管片）的钢筋及混凝土无损检测、围岩检测等。沉降监测采用每年两次例行沉降监测、结合加密监测、自动监测的模式，加密监测是在例行监测中发现沉降异常的后实施的，自动监测是在地铁隧道旁进行建筑施工活动时，为了及时准确地掌握施工过 程对地铁隧道结构的影响，确保地铁隧道结构和地铁列车运营安全 而采取的监测方法。 5.2 隧道沉降限值 广州地铁对于隧道邻近建筑施工引起的隧道沉降，根据隧道的不同状况，把 10 mm 20 mm作为隧道沉降的控制值，但在隧道已经有相当沉降量的情况下则需要专门评估分析。关于沉降速率，日本铁路隧道的健全度评定办法把变形速率达 10mm/年者定为 AA级（最严重级）， 铁路桥隧建筑物修 理 规则 中也把隧道变形速率大于 10mm/年者定为严重病害，需要立即查明原因，采取相应措施。可以参考铁路的经验把沉降速率 10mm/年作为一个极 限值。需要注意的是，不同地段的线路状况不一样，要密切关注隧道沉降大的地段的线路变化情况。 5.3维修对策 维修管理中， 在 充分调查的基础上推定引起隧道沉降的主要原因十分重要，以便做到“对症下药”。如果在相当长的时间隧道沉降作求收敛，其沉降值或速率已接近限值，这时必须采取整治措施，针对不同原因采取不同的整治方法：由隧道下卧地层承载力不足的沉降，可采取在隧道底注浆等方法提高其承载力从而达到控制沉降的目的；对于隧道上方增加地面荷载，则必须减少、清除或者控制这些增加的荷载或 5 者；由于隧道邻近施工的影响、隧道穿越的 影响的，则要严格控制其施工方案，如基坑不得大量的抽水，优化其基坑支护方案、开挖方案等，调整其施工参数等，一般在其施工完成后一段时间后隧道沉降达到稳定；对于隧道隧道管片后注浆不充分、砌衬有空腔等，可采用充填注浆的办法进行加固；在维修过程中注意对隧道渗漏水的治理，及时封堵渗漏水大的处所，控制