盾构下穿既有地铁隧道监测分析
（西安市地下铁道有限责任公司）
（西安市地下铁道有限责任公司运营分公司）
1 工程概况
西安地铁 1 号线二期工程张家村站—后卫寨站区间下行线，在里程 ZDK6 + 206.524～ZDK6 + 247.481 段斜下穿 1 号线出入段线双连拱隧道，线路影响范围为41 m。下穿段位于西部大道下方，该段二期区间采用盾构法以28‰ 的坡度上坡，既有出入段线以 32.913‰ 的坡度上坡，结构相交最近处净距约 0.99 m，最远处结构净距约3.44 m。新建隧道衬砌外径 6 m，内径5.4 m。既有 1 号线出入段线隧道结构为浅埋暗挖法施工的双连拱结构，支护形式采用复合式衬砌，二衬为 35 cm 厚 C40 模筑钢筋混泥土结构，纵向施工分段为9 m 一段，轨道结构为整体混凝土道床。新建盾构隧道与既有出入段线隧道相对关系如图 1 所示。
为了避免下穿施工给既有地铁带来安全隐患，确保既有出入段线隧道的正常运营和结构安全，在盾构施工影响范围内，采用自动化监测系统进行 24 h 连续监测，以便及时准确地掌握盾构施工过程对既有出入段线隧道结构的影响。
2 既有线监测
2.1 监测项目及要求
按照 DBJ 61-98-2015《西安城市轨道交通工程监测技术规范》要求，下穿既有轨道线路（包括铁路）的新建工程为一级环境安全等级。针对该等级安全，根据GB50652-2011《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》、GB50911-2013《城市轨道交通工程监测技术规范》、CJJ/T 202-2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》等的要求，确定本次下穿工程对于变形方面的监测内容主要包括隧道结构的沉降或上浮、隧道结构水平位移、隧道差异沉降、轨道横向高差等，下穿施工引起既有隧道结构累计变形总位移＜20 mm，轨道高程差控制值＜4 mm。
2.2 监测仪器
根据监测要求和原则，为了实现自动化监测，采集设备采用徕卡全站仪 TCA2003，同时配合使用相应的通信及后处理软件。自动化监测网络系统的硬件部分主要包括测量机器人、目标棱镜、计算机、信号通信设备与电源箱等。TCA2003 自动全站仪属于测量机器人的一种，它能够自动识别监测目标，并具有照准功能 ATR（Automatic Target Recognition），Leica 标准圆棱镜 ATR 自动照准可达 1 km。目标棱镜设置在变形点和基准点上，设置变形点的目的是监测变形体的变化，因此应设置在监测目标的敏感位置。基准点则是监测结构变形的基准，应保证其高度稳定，因此应将基准点设置在离变形区较远的位置。通过测量各点三维坐标的变化量，即可得到监测点的水平及高程变化（图 2）。
2.3 监测范围及测点布置
新建隧道在穿越影响范围内的最大埋深为 17 m，依据相关规范规定，结合现场施工需要，在既有出入段线上共布设 15 个监测断面：出入段线中部一侧布设 2 个工作基点（观测站），向两边按间距 5 m 布设 7 个断面（主影响区，图 3 中的断面 5～断面 11），间距 10 m 布设4 个断面（次影响区，图 3 中的断面 1～断面 4 和断面 12～断面 15）。每个监测断面上布设 8 个监测点，在上、下行线的道床上各布置 2 个监测点，如图 4 中的 C、B、G、F；在上、下行线的中隔墙中间部位和曲墙拱腰处各布置 1 个监测点，如图 4 中的 D、A、H、E。
2.4 监测周期及频率
监测周期为盾构施工对既有出入段线隧道的影响期，提前进行测点布设并对初始值进行测量采集，施工前盾构掘进至影响范围前 15 m 时开始进行监测，监测终止时间按照施工进度和实测情况而定，实测数据稳定 3 个月后停止监测。
监测频率为施工关键期 1 次 / 30 min，一般施工状态1 次 / h，工后影响期 3 次 / 天。
2.5 监测数据信息化处理
在盾构下穿施工过程中，按照监测方案实施远程控制和数据传输，通过数据库管理软件管理各分控机写来的数据，将这些数据通过多重差分求解各变形点的变化量，并将这些变形数据进行曲线图形显示和各点变形量报表输出。
3 既有线监测结果及分析
3.1 既有线道床累计沉降分析
图 5 给出了既有出入段线下行线道床 F7 监测点随盾构掘进的累计沉降曲线，从图 5 中可以看出：
（1）在刀盘抵达监测点正下方之前，监测点有一定的隆起，但是隆起值较小，不影响行车安全，此外监测点在盾构通过时的沉降也较小；
（2）在盾尾脱离监测点后，监测点竖向沉降急剧增大，但通过采用初凝时间短、早期强度高的水泥砂浆作为同步注浆材料，有效地遏制了监测点的沉降速率，加之施工时根据监测数据及时优化同步注浆量和注浆压力等参数，成功将沉降控制在 6.2 mm 左右；
（3）二次补浆对既有出入线段隧道结构有一定的抬升作用并加快既有结构进入稳定状态，最终稳定时F7 监测点的沉降为 6.08 mm。
3.2 既有线隧道边墙累计沉降分析
图 6 给出了既有出入段线隧道边墙 4 条测线上各测点的累计沉降变化曲线，由图 6 可以看出：
（1）D、A、H、E 等 4 条测线上的最大沉降量分别为 5.9、5.92、5.91、5.96 mm，均远小于 20 mm 容许值，满足结构累计变形控制要求；
（2）4 条测线上最大沉降值对应点位于盾构隧道中心线的正上方，说明既有出入线段隧道结构在与盾构隧道交叉处沉降最大。
3.3 既有线道床竖直、水平变形分析
3.3.1 既有线道床延长方向竖直位移
图 7 给出了既有出入段线上、下行道床沉降曲线，由图 7 可见：
（1）既有出入段线道床延长方向上 C、B、G、F等 4 条测线的变形结果呈现出典型的“沉降槽”特征，4 条测线上最大沉降值对应点全部位于盾构隧道中心线的正上方，说明交叉处的既有线受盾构隧道施工的影响最大；
（2）既有出入段线道床上 C、B、G、F 等 4 条测线上最大沉降量分别为 5.93、6.08、6、5.95 mm，由此看出，虽然既有出入段线上下行道床与盾构隧道的净距有一定的差别，但是两者的最大沉降量基本相同，而且与隧道边墙上 4 条测线的最大沉降量近似相等，说明既有出入段线隧道在此交叉处发生了整体沉降。
3.3.2 既有线道床延长方向水平位移
图 8 给出了既有出入段线道床延长方向水平位移曲线，由图 8 可见：
（1）既有出入段线道床在延长方向水平面内发生了“S”型摆动，这种摆动正是由于其扭转变形导致的；
（2）既有出入段线道床延长方向的水平位移最大为 0.6 mm，远小于其 6.08 mm 的沉降值，这说明既有出入段线隧道的变形以竖向沉降为主。
3.3.3 既有线轨道高程差
图 9 给出了既有出入段线轨道高程差曲线，从图 9中可以看出：
（1）既有出入段线上、下行线轨道高程差的变化规律是一致的，只是由于交叉位置不同而导致高程差变化曲线在位置上有所错动。由于既有出入段线沿着盾构隧道中心线方向发生了斜对折沉降，使得盾构中心线两侧的既有出入段线产生了方向相反的倾斜，进而导致正负相反的轨道高程差。
（2）既有出入段线上、下行线 2 条轨道中间线与盾构隧道中心线交叉处轨道高程差均为零，即盾构隧道中心线与既有出入段线隧道结构交叉形成一个“特殊截面”，并且轨道以该“特殊截面”为中心在两侧产生方向相反的扭转变形（轨道高程差反向）。在盾构掘进过程中，随着盾构接近既有出入段线下行隧道，高程差逐渐变大，在盾构隧道中心线和既有出入线段下行隧道结构外轮廓线相交处附近达到最大-1.2 mm，穿过该截面后高程差急剧反向变化，最大高程差达到+1.2 mm。可见，既有出入段线最大轨道高程差满足 CJJ/T 202-2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》中小于 4 mm 的要求。
4 结论
（1）应用自动化监测技术可以在保证正常运营的条件下，做到全自动监测、无人值守、远程控制和数据传输，根据监测数据指导施工，并及时修正盾构机掘进参数，确保了既有出入段线隧道主体结构及运营安全。
（2）通过监测数据分析，在盾构下穿过程中既有出入段线隧道边墙沉降量、道床沉降量及轨道高程差等均小于变形控制值，说明下穿过程中既有出入段线隧道结构处于安全状态。
（3）既有出入段线隧道道床水平位移与沉降变形数据相比甚小，说明盾构下穿过程中以沉降变形为主；道床沉降与边墙沉降量很接近，说明盾构下穿过程中既有出入段线隧道结构为整体沉降。
（4）通过变形曲线分析，盾构下穿过程中既有出入段线隧道变形位于盾构隧道中心线的正上方，除竖向沉降变形外，同时伴有扭转变形，进而导致轨道高程差，这种变形形式对既有出入段线行车安全极为不利，在施工过程中应进一步加强掘进参数控制。
文章来源：（中国知网）
