（大地测量学与测量工程专业论文）地铁隧道结构沉降监测及分析.pdf

摘要 摘要 高速运行的地铁车辆对于轨道的平顺度要求极高，而地铁隧道是承载列车运 行的构筑物，其结构体狭长，柔性度大，当结构受力失衡后，极易使狭长的隧道 发生局部变形，从而造成轨道线形的变化，影响列车的运行，因此，进行有关隧 道结构沉降监测的研究具有重大的现实意义。本文就地铁隧道结构的沉降监测主 要研究了以下内容： ( 1 ) 总结了影响地铁隧道结构沉降的多种因素；根据地铁隧道本身的特点， 论述了沉降监测基准网的布设与施测方法，隧道结构的沉降监测及监测数据的处 理与分析，并以南京地铁一号线西延线隧道结构沉降监测为实例，具体阐述了地 铁隧道结构沉降监测的过程。 ( 2 ) 分析了监测基准网的平差基准及其选取；重点研究了相同基准下监测 基准网稳定性分析的几种方法一限差检验法、t 检验法、平均间隙法和分块间隙 法，并结合南京地铁一号线隧道结构沉降监测基准网的监测数据，对其进行了整 体和单点稳定性检验。 ( 3 ) 综合论述了灰色系统理论与模型的建立，模型的特征及其数据处理的 基本方法；着重讨论了灰色系统理论中的g m ( 1 ，1 ) 模型的建模过程及其算法流 程。 ( 4 ) 阐述了神经网络模型的基本原理，主要包括神经网络的结构、传递函 数、学习规则和训练方式：详细讨论了b p 神经网络模型的概念、基本结构、神 经元模型和算法流程。 ( 5 ) 研究了灰色系统理论与神经网络组合的灰色神经网络g n n m ( 1 ，1 ) 模型 的建模思想、网络结构及其优化g n n m ( 1 ，1 ) 模型的方法和学习算法；结合南京地 铁一号线隧道结构沉降监测实例，分别运用灰色系统理论g m ( 1 ，1 ) 模型和灰色神 经网络g n n m ( 1 ，1 ) 模型对监测数据进行了模拟与预报。 关键词：地铁隧道沉降监测参考基准沉降槽稳定性检验灰色系统理论 b p 神经网络灰色神经网络 a b 啦r a c t a b s t r a c t m e 仃0v e l l i c l eo fq u i c k - s p e e dw h e e l i n ge x 慨l l i g h l yr c q u i l _ er a i lp l a n e n e s s a n d m e 订ot 咖e li ss 仇1 c t i l r et 0l o a d s u p p o n i l l gv 出c l ew h e e l i n 岛i t sc o n s m l c 廿o ni s s l e n d e r ，g r c a tn e ) 【i b l ed e g r e e ，w h e ni t sc o n s m l c t i o ns u b j e c tt ol l r l b a l 锄c ef o r c e ，p a n i a l s l e n d e rt 咖e le a s i l yc h a n g e so f 也ef 0 n ，m a k e sal o to f c h a i l g e st ol i n es h 印eo fr a i l 柚da f f b c t 叩e r a t i o no fv c b j c l e nh a s 乒a v ea c n l a lp u r p o s et or e s e a r c hs e d i i 】1 e m a 6 0 n m o n i t o r i n go ft u 加e lc o l l s m l c t i o n t l l i sp a p e rm a i l l l ys t u d y a sf o l i o w sc o n t e n t sa b o u t s e d i m e n t a t i o nm o n j t o r i i 坶o f t u i l l l e lc o i l s t r i j c t i o n ： ( 1 ) g e n e r a i i z em u l t i f o r i i lf a c t o r so fi n n u e i l c i n gs e m e m e n to fm e t r ot i l 珊e 1 a c c o r d i i l gt oi t s e l ff e a t u r e so fm e t mt u i u l e l ，d i s c u s sm e a n so fl a y o u ta 1 1 dm e a s l m n g a b o u ts e t t l e m e n tm o i l i t o r i n gr e f e r e n c en e t ，s e d i m e n t a t i o nm o l l i t o r i n go ft u n n e l c o n s t r u c t i o na n dt r e a h n e mo fm o n i t o 血gd 帆a n dg i v e i n go n ee x a m p l e 岫u t s e m e m e mm o i l i t 0 血go ft u n n e lc o s 廿u c t i o no fn 删i n gm e 仰n 0 1 ，s p e c i 丘c l y c x p o u n ds e n l 锄e n tm o n i 枷n go f m e t r ot u i l i l e lc o n s t n l c t i o n ( 2 ) a n a l y s ea d j u s t m e n tr e f c r c c ea n di t s e l fa c c e s so fm o l l i t o r i n gr e f e r e n c en e t m a i l l l yr e s e 肿c hs o m ea n a l y s i sm e t h o d sd b o u ts t a b i l i z a 廿o no fm o n i t o r i i 培r e f b r e n c e n e tb a s e do ns 锄er c f c r e n c e ，i c l u d i n gm e t l l o do f i n s p e c t i o no f t o l e r a n c e ，ti n s p e c t i o n m e 血o d ，a 、旧m g ec l e a r 柚c ei n s p e c t i o nm e t h o d ，b l o c h n gc l c a r a n c ei i l s p e c t i o nm e 血o d ， a 1 1 db a s e do ni n o l l i t o r i 雌d a t ao ft u m ”lc o s m l c t i o ns e t t l e m e n tm o n i t o r i n gr e f e r e r l c e n e to fn 孤j i i l gm e 仃on o l ，i n d i v i d l l a l l yu s eu p w 盯dm e m o d st oi n s p e c ts t a b i l i z a t i o n o fs i n g l e - p o i n t 锄dg l o b a li l e t ( 3 ) s y l l t l l e t i c a l l ye x p o u n dg r e ys y s t e m 也e o r y 锄db l l i i d i i l gm o d e ，f b a t u r eo f m o d e ，a n d 打e a t i n g m e t l l o d o f d a 协m a j o r l ys t u d y b l l i l d i n g p r o c e s so f g m ( 1 ，1 ) m o d e a da l g o r i m m c i r c 血 ( 4 ) r e p r c s e n tb 嬲i ca x i o mo fn e r u m ln e t ，m a i n l yi n c l u d i n gm o d es t r i l c t i l r e ， t r 眦s f e r 劬c t i o n ，1 e a r i l i n gr e g u l a t i o na 1 1 d 劬i i l i n gw a yd e t a i k dd i s c u s sc o c 印t ， m o d e ，b a s i cf a b r i c ，n e r v e1 1 i l i ti n o d ea n da i g o i i t h i l lp m c e s so f b p n e a ln e 帆o r k ( 5 ) s t u d ym o d e l l i l l gm o u g h t ，n e m o r kc o n f i g i l r a t i 咀m a j 耐z cg n n m ( 1 ，1 ) m o d e m 砒0 da n dl e a r n i n ga l g o r i 血mo fg n n m ( 1 ，1 ) m o d ec o m b i n e dg r e ys y s t e mm e o r y a n dn e l l r a ln e t w o r k b a s e do nt u 皿e lc o n s 虮l c t i o ns e t t l e m e n tm o i l i t o 血1 9o fn a i l i i n g m e 缸dn 0 1 ，s i l n u la _ t ea n df o r e c 嬲tm o r l i t o 血培d a t ab yg m ( 1 ，1 ) m o d ea 1 1 dc n n m ( 1 ，1 ) m o d e k e yw o r d s ：m e t r ot i l n n e l ，s e m e m e n tm o i l i t o r i n g ，r e f e r e n c ed a t u m ，s e m e r ，t e s to f t h es t a b i i i 吼g r e ys y s t e m 山e o r y ，b pn e u r a ln e t w o r k ，g r e yn e l 】r a ln e t w o r k 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 到! 量! 趣 2 0 0 6 年0 5 月2 5 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ：型! 勉2 0 0 6 年0 5 月2 5 日 第一章绪论 第一章绪论 2 0 世纪下半叶以来，伴随着世界范围内的城市化进程，世界各国的城市人 口逐渐上升，城市经济日益发展，城市区域也逐渐扩大。由于流动人口以及车辆 的增加，城市交通量呈急骤增长的态势，机动车辆增长尤快。城市道路的相对有 限性带来了人口超饱和、交通阻塞、车速下降、事故频繁、城市绿化面积减少等 一系列问题。行车难、乘车难，不仅成为市民工作和生活的一个突出问题，而且 制约着城市经济的发展。另外，道路上汽车排放废气、噪声等环境污染问题也愈 来愈引起人们的高度重视。 纵观当今世界，发达国家已经把对城市地下空间的开发利用作为解决城市人 口、资源、环境三大危机的重要措旌和医治“城市综合症”、实施城市可持续发 展战略的重要途径1 】【2 】。城市地下空间作为新型国土资源受到发达国家越来越多 的重视。自1 9 9 7 年以来，已召开多次以地下空间为主题的国际会议，通过了不 少呼吁开发利用地下空间的决议、宣言和文件。在工程实践方面，瑞典、挪威、 加拿大、美国、法国、日本和芬兰等国在城市地下空间利用领域已达到相当规模 和水平。城市地下空间的利用和开发，已成为世界性发展趋势，并以它作为衡量 城市现代化的标志。向地下要土地、要空间己成为城市发展的历史必然。实践表 明，它是提高土地利用率与节省土地资源、缓减中心城市密度、人车分流、疏导 交通、扩充基础设旌容量、增加城市绿地、保持城市历史文化景观、减少环境污 染、改善城市生态的最有效途径。因此国际上不少学者提出“2 l 世纪是地下空 间开发利用的世纪”。城市向三维空间发展，即实行立体化的再开发，是城市中 心区改造的唯一现实的途径。发达国家的大城市区如纽约、巴黎都曾出现过由于 向上部畸形发展而后呈现“逆城市化”的教训。“逆城市化”表明，以高层建筑 和高架道路为标志的向上部发展模式不是扩展城市空间的最合理模式。在对城市 中心区的改造和再开发过程中，逐渐形成了地面空间、地下空间与上部空间的协 调发展的城市空间构成的新概念，即城市的立体再开发。地下空间的充分利用是 城市立体化开发的重要组成部分。立体化的开发结果，扩大了空间的容量，提高 了城市集约度，交通顺畅，商业更繁荣，绿化面积增加。 在这样的背景下，世界各国纷纷开始采用立体化的快速轨道交通来解决日益 恶化的城市交通问题。大城市逐步形成了目前以地下铁道为主体，多种轨道交通 类型并存的现代城市轨道交通新格局。地下铁道具有运量大、速度快、噪音小、 污染轻、能耗低等优点。从1 8 6 3 年英国伦敦建成第一条地下铁道至今，世界上 河海大学硕士学位论文 已有3 5 个国家和地区的8 0 多个城市修建了约5 0 0 0 公里的地下铁道。不少城市 如伦敦、巴黎、纽约、东京、莫斯科已形成四通八达的地铁线网，运量占交通量 的5 0 以上。 根据预测和分析，2 1 世纪将是中国城市轨道交通的新纪元，经济发展将会 伴随更大的都市化，地铁交通的建设将促使城市的发展，甚至成为一个急迫的任 务【3 】。北京地铁建设规划总里程要达到6 0 0 公里，广州拟建1 4 条地铁线，南京 拟建7 条地铁线，成都、苏州、青岛、杭州、沈阳等城市都正在筹建地铁线，预 计在本世纪初，可能要建造大约3 3 条地铁和轻轨线路，总长在原有地铁线的基 础上增加6 5 0 公里。至2 0 3 0 年，我国地铁通车里程将达到1 0 0 0 公里，将大大促 进城市轨道交通的发展。 1 1 本课题研究的意义 地下铁道的建成极大地缓解了城市中心交通拥挤、阻塞状况，给广大市民出 行提供安全、便捷、舒适、清洁的交通工具，对城市基础设施建设也起着极为重 要的作用，而且对保持城市风貌，提高环境质量，拉动地方经济，实施可持续发 展战略有难以估量的积极意义。 地铁的建设促进了城市经济的发展和地下空间的利用，但是和其它的城市地 下公共设施一样，地铁隧道多建在软弱的第四纪沉( 冲) 积土层中，且地质复杂、 道路狭窄、地下管线密集、交通繁忙的闹市中心，又由于地铁沿线地区的城市建 设等原因必将引起地铁隧道结构的纵向沉降，一定程度的沉降，可以视为正常现 象，但是沉降量超过一定的限度，尤其是不均匀沉降，将会引起地铁隧道结构的 变形，给地铁的正常运行带来隐患，对周边环境( 公路地表、附近建筑物、地下 市政管线等) 产生沉降、位移，甚至引发难以想象的安全事故，造成不可估量的 经济损失和恶劣的社会影响。上海市地铁一号线于1 9 9 5 年4 月正式建成投入运 营，经过长期的变形监测发现，隧道在长期运营中的纵向沉降及不均匀沉降相当 大，许多隧道段的纵向沉降和不均匀沉降一直在发展，而且没有收敛的趋势【4 】。至 2 0 0 1 年底人民广场站一新闸路站之问的区间隧道最大累计沉降量超过2 0 0 m m ， 黄陂南路站一人民广场站之问的区间隧道差异沉降量近1 0 0 m m 。过大的不均匀 变形已对隧道的结构、接头防水构成威胁。到目前为止，虽然管片遭到破坏的情 况极少，但在一号线已发现道床与管片之间发生开裂现象，在汉中路站至黄陂南 路站之间已经发现至少5 处整体道床与管片之间发生开裂和脱节现象，断断续续 累计达3 0 0 m 。经过调查发现，基本上都是由于隧道局部较大的不均匀沉降造成 第一章绪论 的【5 】。因此为了确保地铁隧道主体结构和周边环境安全，必须对地铁隧道结构进 行沉降监测，对监测数据进行及时分析与反馈，以及对以后的沉降情况作出预测， 提前采取措施，防止事故的发生。 因此，对地铁隧道结构进行沉降监测在隧道安全监控中具有重要意义 1 2 国内外研究的现状 国际隧道协会( i t a ) 在2 0 0 0 年盾构法隧道设计指导中提出在必要时将隧道 沉降的影响列入荷载种类的其他荷载项予以考虑【6 】。上海市地基基础设计规范对 盾构隧道设计的规定中也提出必要时尤其在隧道下卧土层土性变化处应考虑隧 道不均匀沉降对隧道内力的影响7 1 。这表明隧道沉降尤其是不均匀沉降对隧道的 影响已经引起国内外工程界的重视，但至今在国外还未见到有关此课题研究的报 道，国内研究的资料也很少见【8 】【9 】。 由于监测基准网在建( 构) 筑物变形监测中的重要地位，使得人们对与监测 基准网相关的各项理论和实践不断地进行研究与探讨，取得了较大的成就，推动 了测绘工作的发展。 进行监测基准网的稳定性分析其主要目的是判定监测基准网是否稳定，分析 监测点位的真实情况。监测基准网的稳定性分析是解决许多测量实际问题的关 键，例如：变形监测基准网需要定期进行网点稳定性检验，以确保平差计算基准 的相对稳定和统一；变形网需根据多次观测的结果进行变形点位移的计算，并利 用所求得的真正位移及其精度进行变形趋势的估计；常规网复测后进行网点位移 判定等。 监测基准网稳定性的研究主要包括：用拟稳平差与带参考点的秩亏网平差的 方法计算统计量，判定点的稳定性；工程中变形监测网稳定性的定性定量分析和 多点位移的发现；两期基准网网形不一致的位移量计算：多期水准网稳定点的检 验等。 监测基准网的稳定性分析理论相对比较成熟，经典的方法主要利用平均间隙 法和t 检验法对监测基准网进行总体和单点的稳定性分析。平均间隙法是由德国 h a n n o v e r 大学的h p e l z e r 提出的，其基本思想是应用统计检验的方法对变形监 测网作几何图形一致性检验，以判明该网在两期观测之间是否发生显著性变化。 检验通过则认为所有点是稳定的，否则认为不稳定。在构成统计量时，用到了网 点点位间隙的带权平方平均数，故称为平均间隙法。t 检验法是由荷兰d e l f t 大 学大地测量计算中心j k o k 提出的，该方法应用了b a a r d a 数据探测理论。采用 河海大学硕士学位论文 此方法检验时，在认为先验方差因子已知的条件下，首先进行监测网图形一致性 检验，然后再逐点进行位移分量检验【1 0 】。2 0 0 1 年，武汉大学的黄声享教授在测 绘信息与工程发表的论文一监测网的稳定性分析中提到了一种新的方法一逐次 定权迭代法，此法是经典分析方法与稳健估计理论的结合，其实质是通过参考点 位移量的大小来调整相应的权，使得位移场少受扭曲。该方法也称为稳健一s 变 换法【1 ”。 随着计算机语言的发展，程序开发工具越来越简单，为平差和分析软件的设 计开发提供了很好的空间。鉴于监测基准网在桥梁、隧道等大型工程监测阶段的 重要位置，监测基准网的稳定性得到了普遍重视，稳定性分析的理论和方法的研 究也愈加深入。 变形监测只是手段，定量的变形预报、采取针对性措施才是目的。因为变形 预报受到诸多不确定因素的影响，所以这一部分的分析模型相对比较多，而且各 有利弊，常见的有以下几种【1 2 】【1 3 1 ： 1 ) 灰色系统理论模型它认为客观系统无论怎样复杂，它都是关联的、有序 的、有整体功能的。因此，作为行为特征的数据总是隐含着某种规律的，对原始 数据进行处理、组合，就可挖掘和发现规律。将原始、看似无规律的数据进行加 工处理，使之变得较有规律，然后利用生成后的数据序列建立数学模型。常见的 方法是将灰色理论中的g m ( 1 ，1 ) 模型引入到变形变化量时间曲线的拟合与 外推，得到变形预报的结果。 2 )回归分析模型它是一种经典的变形预报方法，而且在变形数据处理方 面是运用较早的。最初回归分析模型主要是用的多元回归分析法和逐步回归分析 法，后来发展为广义线性回归和展开式回归法；另外，单点回归分析也过渡到多 点回归分析。 3 ) 神经网络模型人工神经网络是由许许多多神经元组成的大规模非线性 动态系统，它具有较强的动态处理能力。在不需要知道数据间的分布形式和变量 间关系的情况下，从积累的工程实例中训练学习知识，建立各影响因素之间的高 度非线性映射关系，特别是对残缺不全或模糊随机的不确定信息具有较强的容错 能力，并基于大量的测试成果，实现对未来发展规律的推测，其预测精度更高， 外延粗度更低。 另外现今各种系统论、控制论、信息论、分形理论等科学思想也被引入进来， 变形预报模型就变得异常丰富【1 4 】。 4 第一章绪论 1 3 本文研究的内容 地铁隧道结构沉降监测是一项复杂的系统工程，监测方案的设计是整个监测 过程中的基本内容，监测数据的分析与处理以及对隧道沉降的分析方法也不尽完 善。本文结合南京地铁一号线，对地铁隧道结构的沉降监测问题进行了一些研究 和探讨： 1 ) 根据地铁隧道本身的特点，论述了影响地铁隧道结构沉降的多种因素； 对沉降监测的方法和技术进行了经验总结，主要包括监测基准网的布设与施测方 法、平差基准及其选取、沉降监测网和点的布设、观测频率、隧道沉降分析方法 等，并以南京地铁一号线西延线隧道结构沉降髓测为实例，具体阐述了地铁隧道 结构沉降监测的情况。 2 ) 对地铁隧道结构沉降监测基准网稳定性分析的理论和方法进行研究，进 而分析和判定南京地铁一号线隧道结构沉降监测基准网的稳定情况。主要讨论了 几种稳定性分析的方法：平均间隙法、限差检验法、t 检验法和分块间隙法。其 中，平均间隙法主要用于分析监测基准网的整体稳定性，限差检验法和t 检验法 主要用于分析单点的稳定性，而分块间隙法可以看作是两种方法的结合，既可用 于单点稳定性分析，也可用于整体稳定性分析。以南京地铁一号线两期观测成果 为实例，分别用以上四种方法对监测基准网的稳定性进行了分析研究。 3 ) 分别讨论了灰色系统理论和神经网络理论，根据两者的不同特点，将它 们融合在一起，形成灰色神经网络模型；阐述了灰色神经网络g n n m ( 1 ，1 ) 模型 的建模思想、网络结构及其优化g n n m ( 1 ，1 ) 模型的方法和学习算法；运用灰色系 统理论的g m ( 1 ，1 ) 模型和灰色神经网络的g n n m ( 1 ，1 ) 模型分别对南京地铁一号 线的西延线隧道结构沉降进行了模拟与预测。 河海大学硕士学位论文 第二章地铁隧道结构沉降监测的方法与技术要求 2 1 地铁隧道结构沉降影响因素分析 由于地铁隧道所处的位置和地理条件不一样，影响其沉降的因素也不尽相 同，大体上可以分为以下几种【1 5 】f 1 6 】： 2 1 1 隧道在长期营运中的纵向沉降影响因素 在长期营运中隧道的纵向不均匀沉降主要有以下六个因素所致旧：隧道下 卧土层固结特性不同；隧道临近建筑施工活动的影响；隧道上方增加地面荷 载；隧道所处地层的水位变化；区间隧道下卧土层水土流失造成破坏性纵向 变形；隧道与工作井、车站连接处的差异沉降。 处于饱和软弱土层中的隧道在长期营运中，一般都会持续增大纵向沉降，很 可能会占到总沉降量的主要部分。例如上海地铁1 号线于1 9 9 5 年建成投入营运， 长期的沉降监测发现，隧道在长期运营中的沉降及不均匀沉降相当大，许多隧道 段的沉降和不均匀沉降一直在发展，而且没有收敛的趋势。图2 1 为1 9 9 5 1 9 9 9 年上海地铁1 号线累计沉降曲线图【4 】，可以看出，1 9 9 5 年到1 9 9 9 年问，人民广 场站一新闸路站之间的区间隧道最大累计沉降量超过1 4 5 n 】l n ；黄陂路站一人民广 场站之间的区间隧道在1 9 9 5 1 9 9 9 年间差异沉降量近9 0 m 。长期下去，必然会 对隧道的结构安全、接头防水造成威胁，而且过大的不均匀沉降也会影响轨道的 平整度，影响正常营运。因此，必须重视隧道的纵向沉降在长期营运中的发展情 况，并从设计、施工、工程防治、周围环境的影响等综合方面予以控制【1 5 】。 图2 11 9 9 5 1 9 9 9 年上海地铁1 号线累积沉降曲线图 2 1 2 下卧土层的分布不均匀性 下卧土层的不均匀性是隧道产生纵向不均匀变形的基本原因。实际工程中， 沿隧道纵向分布的各土层性质不同而且分层情况、土层过渡情况、隧道埋深也随 6 o蚰蚰 冒3 棚世蛙 第二章地铁隧道结构沉降监测的方法与技术要求 时在变化。由于土性不同而决定的土层的扰动、回弹量、固结和次固结沉降量、 沉降速率、沉降达到稳定时间等都有不同程度的差别，导致隧道发生不均匀沉降。 一般情况下，隧道下卧土层类别变化处正是隧道发生较大不均匀沉降的地方。上 海打浦路越江隧道在长期使用的1 6 年中，下卧土层为接近砂性土的隧道段，沉 降增量只有4 0 5 0 唧；而下卧土层为松软的淤泥质粉质粘土的隧道段，其沉降增 量大于1 0 0 咖；两者相差接近一倍【4 】( 图2 2 ) 。 5 0 1 0 0 蒌姗 量2 0 0 ( m ) 粉质粘土粘质粉土及粉质粘除泥质粉质粘 _ 一 _ 、 图2 2 上海打浦路越江隧道纵向沉降曲线 2 1 3 隧道上方地表加卸载 处于软弱地层中的隧道，上方地面加载将导致隧道产生不均匀沉降。特别是 当加载面积较大、压缩土层较厚时，在附加应力的作用下，隧道沉降和不均匀沉 降继续增加。由于隧道下部土体的反力总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，而且受旌工扰动的隧道下卧土 层的长期次固结在地面加载时依然在继续。因此，当隧道上方要进行大面积加载 时，一定要考虑加载对隧道纵向沉降的影响，以免纵向不均匀沉降过大威胁隧道 的安全和地铁的正常营运。 2 1 4 隧道临近的建筑施工载荷 ( 1 ) 地铁临近的建筑载荷 地铁隧道一般都要穿越城市闹市区，市中心建筑密度大，高楼林立。这样大 面积的建筑物尤其是高层建筑沿地铁隧道沿线排列，其建筑载荷产生的附加应力 对地层沉降的影响是相当大的。而且地铁隧道下部土层的性质和压缩土层的厚度 也在变化，不同性质、厚度的土层对附加应力的固结作用的反应有很大的差异， 从而导致隧道产生纵向不均匀沉降。 河海大学硕士学位论文 ( 2 ) 地铁临近基坑开挖 高层建筑地下室一般采取深基坑开挖施工方法。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是两个方面：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。临 近基坑的隧道段和远离基坑的隧道段间将产生明显的纵向不均匀沉降。 ( 3 ) 隧道近距离穿越 城市地下空间的有限和立体化综合开发、以及城市轨道交通网换乘的需要， 使得不同隧道形成空间近距离交叉穿越的现象越来越多。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，导致己建隧道产 生纵向的不均匀沉降。 从图2 1 中也可以看到，地铁隧道沉降量比较大的地方，也是地铁沿线原有高 层建筑密集和高层建筑施工非常频繁的地区。因此必须严格控制隧道临近范围内 的各种施工活动，做好隧道的监测工作，保护隧道的安全和正常营运。为此，上 海地铁保护技术标准规定：周边环境加卸载引起地铁隧道总位移不得超过2 0 m m ， 引起隧道变形曲线的曲率半径应大于1 50 0 0 m 【7 】o 2 1 5 地铁列车振动 地铁隧道在正常营运期间，要受至地铁列车振动荷载的长期循环作用。研究 表明，列车振动荷载引起的结构振动位移很小，引起的弯距、轴力、剪力都不超 过水土压力引起相应值的1 0 1 8 】。但在列车振动荷载长期循环持续的作用下，必 须注意隧道下卧的饱和砂土层液化的可能性以及饱和粘土震陷的可能性。 2 1 6 地震 由于隧道存在结构与土共同作用的关系，地震的作用机理及结构反应极其复 杂。由于地质环境差异，隧道轴线弯曲，临近工程的影响和周边约束条件的不同 等因素，区间隧道会对地震做出的不同反应，引起隧道的纵向不均匀变形，所出 现的后果也比较严重。1 9 9 5 年日本阪神地震就发现地下车站结构遭到了严重破 坏，区间隧道发生纵向水平裂缝【1 9 】。对处于软土地层的隧道来说饱和粉土与粉 细砂土在地震中的液化问题特别应该重视。地层液化对隧道纵向不均匀变形的影 响主要表现在土层大量震陷或地层液化对隧道产生向上的浮力，这样均会导致隧 道结构纵向的巨大不均匀变形，使隧道结构内力急剧增大，从而导致隧道结构破 坏。因此在易于产生地层液化的地区，应该采取适当的措施，如用注浆等手段改良 第二章地铁隧道结构沉降监测的方法与技术要求 地层条件，用加强结构措旌来增强隧道结构性能 2 0 】【2 “。 2 1 7 城市地层沉降的综合影响 隧道处于地层中间，就不可避免地要受到城市地面沉降的综合影响。城市地 面沉降是一个待解决的世界性问题。我国的大多数大中城市的地面沉降问题都非 常严重。监测资料显示，上海中心城区在1 9 9 0 年至1 9 9 8 年问的平均累计地面沉降 量为1 3 5 砌，年均1 5 m ，局部地区更大。地层构造使得城市的地层沉降会产生沉 降漏斗区。当隧道穿越沉降漏斗区时，位于漏斗区内的那段隧道的沉降明显比漏 斗区外隧道的沉降大，长期积累下去，就会产生严重的纵向不均匀变形。上海人 民广场地区就是沉降漏斗区，从图2 1 可以看出位于这些区域的隧道沉降比临近 的隧道沉降要大许多 4 】。 2 1 8 地铁隧道与车站的差异沉降 地铁隧道和车站在结构性能、地质环境、施工方法和运行条件等多个方面存 在很大差异，因此隧道和车站之间不可避免地存在差异沉降，有时这种差异沉降 足以达到使隧道环缝漏水和管片开列的程度。地铁车站是一种钢筋混凝土长条状 箱形结构，由于功能的需要，车站经常为地下二至三层结构，车站的修建使其底 部的土体应力处于严重的卸荷状态，并且，软土地铁车站常采用支撑地下连续墙 明挖施工或逆做法施工，车站主体结构和地下连续墙结合为一体，施工对土体的 挠动比较小，车站整体稳定在于抗浮稳定，而地铁隧道的施工虽然也对底部土体 形成卸荷，但在量值上要小得多，由于旋工中对周围软土的挠动，隧道位移一般 是向下沉降，这样即在车站和隧道之间形成不均匀沉降圈。 2 2 监测基准网的布设与施测方法 监测基准网是隧道沉降监测的参考系，由基准点和工作基点组成。基准点是 沉降监测的基本控制，应保持其坚固与稳定。选择基准点位置的一般原则是：根据 工程大小，地形地质条件以及观测精度的要求，基准点应布设在变形体或变形区 之外，且地质情况良好，不易被破坏的地方【2 3 】。就地铁隧道建成后的实际情况来看 若在地铁区间隧道内设立基岩基准点或倒垂基准点，将会破坏地铁隧道结构整体 防水性能和地铁的钢筋混凝土结构，并且其设置费用也比较高，这是很不适宜的， 因此地铁隧道结构沉降监测的基准点一般是设在远离地铁隧道区域之外，相对比 较稳定的地方。地铁隧道因线路较长，水准基点一般远离测区，若仅依靠水准基 点监测隧道，不仅观测量大，还将使观测成果含有较大的误差，不利于变形分析， 9 河海大学硕士学位论文 因此需要在隧道内相对比较稳定的地方设置工作基点，而地铁车站所处的地质条 件一般较好，遇到不良地质，皆进行地基处理，所以可以将车站看作一个大的稳定 的刚体，发生变形的可能性较小：另外，个别车站发生变形，也可从邻车站的位置 关系反映出来。因此，可以把变形监测的工作基点建立在两隧道之间的车站上， 如选择车站的铺轨控制基标或埋设的特殊点作为变形监测的工作基点。 监测基准网宜布设成附合水准路线或沿上、下行线隧道成结点水准路线形 式，根据地质条件和车站结构的稳定状况确定定期观测的周期，采用国家一等水 准技术要求施测，但观测限差则应按严格的变形监测指标1 2 4 】控制，否则平差后的 工作基点高程中误差太大，难以检验出工作基点发生的极小沉降位移，使隧道沉 降监测时附合水准线路无法测合。为了尽可能地减小观测误差，观测前要对所使 用仪器的各项指标进行检测校正，并且每次观测时所用的仪器和观测人员都要固 定，观测时的环境条件要基本一致，观测的路线、方法和程序要固定，观测过程 中，所有操作人员要相互配合，协调一致，认真仔细，做到步步有校核。 2 3 隧道结构的沉降监测 监测隧道结构的沉降，主要是监测隧道结构的底板沉降，实质上是对道床的 监测( 见图2 3 ) ，主要包括两方面内容。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 3 1 区间隧道的沉降监测 区间隧道沉降监测点布设在道床的两轨之间( 见图2 3 ) ，一般每隔5 0 6 0 m 设1 个点，地质条件差或地下水丰富的区段需加密。标点可兼用铺轨控制基标， 点名宜采用里程编号。观测以区间两侧工作基点构成附合路线，施测的方法和要 求与监测基准网相同。隧道内测量光线暗，测站多，折光大，应设法减弱测量误 差，比如，校正仪器i 角，严格控制前后视距差，每期观测固定测站和转点位置 等。 2 3 2 隧道与车站交接处的沉降差异监测 该项监测较简单，只需在隧道与车站交接缝两侧约l m 处的道床上布设一对 沉降监测点( 见图2 4 ) ，用精密水准测量方法监测两点之间的高差变化，当高差 变化量大于3 舯时应预警，变化量大于5 硼则应报警【2 4 】。 第二章地铁隧道结构沉降监测的方法与技术要求 图2 3 隧道结构横断面图 f交接缝 v鱼、上行线隧道 地铁车站 监测点 ， vv t f 彗雌 图2 ，4车站与隧道交接处沉降差异点 布设示意图 2 3 3 监测数据处理与分析 监测基准网点的稳定性分析将在第三章里专门介绍，本节主要介绍隧道的沉 降分析。 地铁的隧道结构体为条形状，呈现一定的柔性，在地质条件不稳固状态下极 易产生变形，而地下车站结构体相对较大，垂直位移要比隧道小得多。在工程管 理中，无论从结构安全还是行车安全上考虑，密切关注的是隧道相对车站的垂直 位移。所以，对隧道的沉降分析应重点分析隧道相对于车站的隆沉，也就是沉降 监测点相对于工作基点的变化。 隧道沉降监测点数量较多，且相邻测点之间的结构体呈现一定的刚度，如果 仅仅对单一沉降测点的变化进行分析，即不方便，又不能全面地反映出隧道纵向 的整体沉降情况。所以，沉降分析宜采取整体分析，可按隧道的上、下行线逐条 或区问逐段去分析。较直观的方法是将监测的报表绘制成“监测点沉降量曲线 图”，即将每一期各测点的累计沉降量曲线绘制在以隧道里程( 或测点) 为横轴， 沉降量为竖轴的坐标系中，同样方法绘制“监测点沉降速率曲线图”，这样便能 直观地从i 訇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| 蛩及隧道纵断面绘制在“监测点沉降量曲线图”下方，更有利于分析隧道 沉降的成因，做出正确推测。 2 4 地铁隧道结构沉降监测实例 2 4 1 地铁隧道沉降监测概况 南京地铁西延线是南京地铁一号线的西延工程，位于秦淮河河西地区( 简称 河西) ，线路全长4 8 2 k m ，其中地下隧道长3 9 3 k m ，设有奥体中心、元通和中胜 三座地下车站。西延线隧道坐落在具有高含水量、高压缩性、高灵敏性、低强度、 河海大学硕士学位论文 易变形特征的软一一流塑淤泥粉质粘土层中，为长江漫滩，覆盖层厚度大，基岩 埋没深，大部分层厚达3 0 4 0 m ，地质状况较差。隧道为双洞矩形，采取顺作法 施工。主体结构于2 0 0 3 年底施工结束，2 0 0 4 年2 月完成顶板土回填，已于2 0 0 5 年9 月通车运营。 2 0 0 4 年9 月开始对隧道底板作沉降监测，考虑到河西地区正处于开发高峰， 隧道周边大量的施工工地在降水作业，道路在修筑，即使地下车站也处在较大的 沉降过程中，因此，监测基准网决定选择固定基准。但西延线隧道周边大区域的 地质不稳定，无法建立稳定可靠和长期使用的水准基点，设想的基岩标因地下岩 层埋深大、建设成本高未能付诸实施，所以水准基点利用了距离隧道3 3 k m 处的 i 雪家i i 等水准点n t 0 4 ，并在在结构相对稳定的三座车站内分别布设了3 个工作 基点b m l 、b m 2 、b m 3 ，与n t 0 4 组成图2 5 所示的监测基准网。 图2 5 西延线隧道结构沉降监测基准网 隧道内的沉降监测点布设在两轨外侧的道床上，按隧道结构的施工浇筑段每 段设1 个点，测点间距平均为2 4 m ，左右线隧道分别布设了1 5 3 个沉降测点，部 分点兼用了控制基标。 为了减少外业观测工作量，监测基准网与隧道沉降合为一体观测，即监测基 准网测量的水准路线均从隧道内的监测点通过。观测采用标称精度为o 7 衄k m 的德国蔡司生产的n 1 0 0 7 精密自动安平水准仪，并配备相应的铟瓦水准尺以国家 一等几何水准测量的方法施测，观测的技术指标参照文献【2 4 1 要求，外业记录采用 p c e 6 5 0 计算机和自编的程序电子记录簿。观测频率为每月一次，截至到2 0 0 5 年8 月共观测了1 2 期。 2 4 2 监测数据处理 每期观测后，首先对图2 5 所示的基准网进行经典平差，以n t 0 4 为基准， 计算出b m l 、b m 2 、b m 3 的高程，然后采用平均间隙法，以当期与首期两期观 测作检验进行工作基点稳定性分析，若存在不稳定点，再用限差检验法以2 倍中 误差作为极限误差寻找动点，并作高程值的修币。最后，以隧道两侧的工作基点 1 2 第二章地铁隧道结构沉降监测的方法与技术要求 构成的附合水准路线平差计算每条隧道内的沉降测点高程。 表2 1 为前8 期工作基点高程变化量统计表，各期经基准点的稳定性检验， 工作基点b m l 、b m 2 和b m 3 分别在第3 、6 和4 期沉降了一2 7 唧、一2 1 册、一2 3 m ， 都超出了各自的极限误差，说明三个车站在不同的时期发生了沉降。当检验出工 作基点下沉后，在以后期作稳定性检验中，则以当期观测与该期观测作比较。 表2 1 工作基点高程变化量统计表 极限误差高程变化量d i ( ) 点名距离( k m ) ( n ) 第2 期第3 期第4 期第5 期第6 期第7 期 第8 期 叫l7 2 21 6 0 82 70 11 4一o 3一1 01 3 b m 25 3 61 4o 60 4一1 3 1 32 1一1 20 8 b m 33 9 21 20 60 22 30 ，5o 9 0 20 g 各注：“一”表示下沉。 将西延线隧道观测结果按左、右线分别绘制“监测点沉降量曲线图”和“监 测点沉降速率曲线图”，图2 6 、图2 7 为前8 期部分测期部分测点的曲线图。 从图中可以看出： 一o 8 一册 咖 世一蚰 螺 1 0 o 一一l o o 一2 0 喇一3 0 世4 0 蜉5 0 6 0 一7 0 图2 6 西延线隧道累积沉降量曲线图 河海大学硕士学位论文 图2 7 西延线隧道沉降量速率曲线图 1 ) 整条隧道出现了不同程度的下沉， 隧道产生了三个较长的沉降槽， 表2 2 ： 左右线沉降存在相同的变化规律： 总长度约为9 1 0m ，分布及沉降情况见 累计沉降量2 c m 的隧道长度共1 4 1 4 m ，2 4 c m 共1 4 4 7 m ，4 6 c 共 4 3 2 ， 6 c m 共2 0 0 m 。 表2 2 西延线隧道三个沉降槽分布及沉降情况 最大沉降量( m ) 里程区间长度( ) 左线 右线 k 0 + 8 4 0 k 1 + 0 9 02 5 0 6 7 4 6 0 3 k 1 + 7 0 0 k 2 + 0 0 03 0 05 2 55 1 4 k 2 + 7 6 0 k 3 + 1 2 03 6 04 4 65 8 6 2 ) 三个沉降槽的过程曲线在逐期降低，表明沉降还在继续；其它区间段的 曲线开始重合，沉降趋于稳定。 3 ) 在前6 期，隧道的沉降速率在不断变大，第6 期之后开始逐渐收敛，所 以，图2 7 的沉降速率曲线前6 期是逐期下降，而第8 期的曲线则处在了第6 期 上面，表2 3 统计了隧道各区段部分测期的平均沉降速率。 1 4 瑚 咻 啪 瑚 姗 ；0 0 一p目一醉艘世器 ， o o 0 0 0 0 彻 伸 帅 n m m m m 玑 仉 。 一 一 一 一 一pm埘一斟蝌逝蛙 第二章地铁隧道结构沉降监测的方法与技术要求 表2 3 西延线隧道区间段平均沉降速率统计表( 单位：衄d ) 左线 右线 里程区间 第2 期第4 期第6 期第7 期第8 期第2 期第4 期第6 期第7 期第8 期 k o + 0 0 0 k 1 + 0 5 l 一0 0 1 5 0 0 2 00 0 2 8 0 0 2 5 0 0 2 l 一0 0 0 70 0 1 l 一0 0 1 5 0 0 1 40 0 1 0 k 1 + 0 5 l k l + 2 0 0 0 3 0 3 0 3 2 70 3 5 40 3 1 80 0 6 5 0 1 5 60 2 3 3 0 2 5 50 2 4 7 0 2 2 8 k l