地鐵盾構(gòu)隧道下穿運(yùn)營(yíng)線路的形變分析

張立亞，張宏梅，祝傳廣，高小王

(1. 湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201； 2. 湖南科技大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

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地鐵盾構(gòu)隧道下穿運(yùn)營(yíng)線路的形變分析

張立亞1，張宏梅2，祝傳廣1，高小王2

(1. 湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201； 2. 湖南科技大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

地鐵修建過(guò)程中穿越運(yùn)營(yíng)地鐵線路時(shí)，需動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)和軌道的安全狀態(tài)。本文以深圳地鐵某區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越過(guò)程為例，利用測(cè)量機(jī)器人(TS30)，以2 h/次的頻率對(duì)隧道、道床監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全程觀測(cè)。斷面數(shù)據(jù)分析表明：①9號(hào)線右線、左線穿越垂距1.80 m的左線過(guò)程，疊加應(yīng)力使得2個(gè)主斷面及之間斷面的水平收斂增加，而穿越垂距6.0 m的右線，水平收斂最大值為0.82 mm，可忽略穿越過(guò)程及疊加應(yīng)力對(duì)斷面水平收斂的影響；②9號(hào)線右線單獨(dú)穿越后，最大沉降點(diǎn)在正交斷面(7-1和7-2)，而左線穿越過(guò)程，受疊加應(yīng)力的影響在第四和五階段最大下沉點(diǎn)轉(zhuǎn)移至兩個(gè)正交斷面間(6-1和6-2)；③穿越過(guò)程均表現(xiàn)為從刀盤到達(dá)隧道邊界至穿越結(jié)束期間對(duì)各點(diǎn)沉降影響較大，這期間應(yīng)增大監(jiān)測(cè)頻率至0.5 h/次；④整個(gè)穿越過(guò)程應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面3-1—9-1，即30 m的核心影響區(qū)域，其余斷面最大沉降不超過(guò)3 mm。

盾構(gòu)穿越；測(cè)量機(jī)器人；水平收斂；軌道變形

當(dāng)前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展使城市人口迅速增長(zhǎng)，隨之而來(lái)的交通擁擠、阻塞，對(duì)人們的日常生活產(chǎn)生了很大的消極影響。為緩解這種現(xiàn)象，近年來(lái)政府在公共交通尤其在地鐵修建方面投入巨大。盾構(gòu)法因其安全、高效在地鐵修建中被越來(lái)越多的線路所采用，但仍不可避免地在穿越既有的建(構(gòu))筑物，尤其是在穿越運(yùn)營(yíng)地鐵隧道時(shí)對(duì)運(yùn)營(yíng)線路的安全性帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)。

盾構(gòu)隧道掘進(jìn)會(huì)引起地表沉降[1-2]，當(dāng)前主要使用Leica TCA系列[3-4]對(duì)穿越既有建(構(gòu))筑物的隧道變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析大多只針對(duì)隧道某一部位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行；部分學(xué)者在工程實(shí)際中也采用液體靜力水準(zhǔn)儀[5]進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而這種方法只能測(cè)量垂直方向的形變情況；有的學(xué)者[6-7]使用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)隧道的三維形變進(jìn)行模擬分析，獲得了部分有益成果，但地質(zhì)條件多變，仍需實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢核；有的學(xué)者[8]采用室內(nèi)相似模型方法通過(guò)埋設(shè)位移傳感器研究隧道開(kāi)挖過(guò)程對(duì)上、下線路的變形影響；另有學(xué)者[9]采用數(shù)學(xué)方法計(jì)算盾構(gòu)的幾個(gè)參數(shù)，然后結(jié)合經(jīng)典力學(xué)方法計(jì)算隧道穿越過(guò)程引起的變形；也有學(xué)者的研究集中在對(duì)隧道形變控制的自動(dòng)化系統(tǒng)的研究上[10]。而目前對(duì)結(jié)構(gòu)和軌道實(shí)時(shí)進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)的研究還較少。

本文以深圳在建地鐵9號(hào)線下穿運(yùn)營(yíng)1號(hào)線為例，以左、右線穿越過(guò)程正上方斷面為正交面，在可能的影響范圍內(nèi)按照5～10 m的斷面間隔(各9個(gè))布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(拱腰和道床)，使用TS30以2 h/次的頻率對(duì)穿越過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。刀盤掘進(jìn)至不同距離時(shí)，利用每個(gè)斷面的一對(duì)拱腰點(diǎn)的三維坐標(biāo)計(jì)算水平收斂值；根據(jù)盾構(gòu)機(jī)與運(yùn)營(yíng)線路不同的空間位置，分析隧道水平收斂、道床沉降和平順度、相鄰軌道的差異沉降，再結(jié)合運(yùn)營(yíng)線路左、右線與掘進(jìn)隧道垂距的不同，通過(guò)綜合分析來(lái)獲得軌道變形與盾構(gòu)隧道推進(jìn)位置的動(dòng)態(tài)關(guān)系，對(duì)比兩種垂距各自變形的特點(diǎn)，達(dá)到安全施工、優(yōu)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)和調(diào)制盾構(gòu)機(jī)參數(shù)的目的。

一、工程及地質(zhì)概況

深圳地鐵某區(qū)間下穿運(yùn)營(yíng)地鐵1號(hào)線，該地區(qū)建筑物較密集，交通便利，人口眾多，地勢(shì)也十分平坦。原始地貌為河谷沖洪積平原，近年來(lái)經(jīng)過(guò)人為的回填，使地勢(shì)變得平坦，標(biāo)高為3.20～4.00 m。下伏地層依次為：素填土層、淤泥質(zhì)黏土層、中粗砂層、圓礫層、可塑狀殘積層、全風(fēng)化變質(zhì)砂層、強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂層和強(qiáng)風(fēng)化糜棱巖層。地面被建筑物、道路覆蓋，原始地貌不復(fù)存在或變得極為模糊。在建隧道主要穿越強(qiáng)風(fēng)化糜棱巖層，運(yùn)營(yíng)隧道分布地層從圓礫層到強(qiáng)風(fēng)化糜棱巖層之間。

在建區(qū)間隧道長(zhǎng)度為824.506 m，隧道的直徑均為6 m，左、右線間距為11.7 m，埋深20.6 m；運(yùn)營(yíng)隧道直徑6.0 m，左、右線間距16.3 m，左線埋深12.8 m，右線埋深8.2 m，既有1號(hào)線左線隧道底與擬建線路隧道之間最小凈距1.8 m，右線距在建隧道垂距為6.0 m。

二、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

1. 監(jiān)測(cè)斷面的布設(shè)

按照《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》(TB 10121—2007)，在盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)的地鐵1號(hào)線左、右線隧道內(nèi)各布設(shè)9個(gè)變形監(jiān)測(cè)斷面，左、右線編號(hào)依次為：2-1—10-1和2-2—10-2；其中3-1—9-1和3-2—9-2斷面間距約為5～6 m，其他斷面間距10 m；監(jiān)測(cè)斷面布點(diǎn)如圖1所示。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面對(duì)稱布設(shè)4個(gè)點(diǎn)：2個(gè)拱腰點(diǎn)和2個(gè)道床軌面點(diǎn)，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置及編號(hào)見(jiàn)表1。

圖1 變形監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)

1號(hào)線左線正交斷面5?17?1拱腰點(diǎn)軌面點(diǎn)拱腰點(diǎn)軌面點(diǎn)68266829683668396836683969276928

2. 監(jiān)測(cè)設(shè)備及頻率

本次穿越采用TS30測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，儀器測(cè)角精度為0.5″，測(cè)距精度0.6 mm+1×10-6D，能夠滿足高精度測(cè)量的要求。盾構(gòu)左右線下穿1號(hào)線期間，監(jiān)測(cè)頻率為2 h/次，當(dāng)重要斷面沉降值變化較大時(shí)，依次增加重要監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)頻率，整個(gè)觀測(cè)過(guò)程輔以人工監(jiān)測(cè)，以自動(dòng)化監(jiān)測(cè)為主。按照風(fēng)險(xiǎn)控制指標(biāo)要求，各軌道點(diǎn)的沉降控制值為-10 mm、上浮為+1.5 mm；道床平順度4.0 mm/10 m，上、下軌道差異沉降4 mm。

3. 監(jiān)測(cè)方法

本工程采用Leica TS30配合L型小棱鏡測(cè)量隧道的水平位移、收斂變形和沉降。數(shù)據(jù)處理采用Leica配套的SmartMonitor軟件，包含SmartMonitor監(jiān)測(cè)器和SmartAnalyzer分析器兩個(gè)模塊。監(jiān)測(cè)網(wǎng)由基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成，在左、右線監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)各布設(shè)9個(gè)監(jiān)測(cè)斷面和4個(gè)后視點(diǎn)(基準(zhǔn)點(diǎn)，最遠(yuǎn)距離約100 m)，基準(zhǔn)點(diǎn)分布在離變形區(qū)兩端較遠(yuǎn)的地方，以保證其穩(wěn)定，每個(gè)斷面分別在兩腰和道床上布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

第1次觀測(cè)時(shí)，先人工概略照準(zhǔn)每個(gè)目標(biāo)，儀器自動(dòng)精確照準(zhǔn)，用方向法觀測(cè)各點(diǎn)的方向值及距離，多次觀測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)平差后，作為以后變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的初始值。從第2次觀測(cè)開(kāi)始，每次測(cè)站必須利用差分基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量出本次測(cè)量的測(cè)站三維坐標(biāo)，然后自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量、差分、平差計(jì)算出該次各監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)值(Xi，Yi，Zi)，并計(jì)算出每一對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在水平方向的變形值(DX,DY)和沉降方向變形值(DZ)。

三、數(shù)據(jù)分析

右線先掘進(jìn)下穿，穿越過(guò)程監(jiān)測(cè)時(shí)間從2014年10月13日23:00—10月25日09:00貫通為止，左線后掘進(jìn)下穿，監(jiān)測(cè)時(shí)間從2014年12月04日09:00—12月07日19:00貫通。

由于篇幅限制，右線掘進(jìn)過(guò)程不再列舉，只分析左線穿越過(guò)程(代表了運(yùn)營(yíng)線路的最終變形情況)對(duì)1號(hào)線左線、右線的影響規(guī)律。

1. 左、右線隧道水平收斂分析

如圖1所示，坐標(biāo)原點(diǎn)表示盾構(gòu)機(jī)頭剛好在中心線上，橫軸表示盾構(gòu)頭與1號(hào)線左(右)隧道中心線的相對(duì)距離，其中正值表示盾構(gòu)機(jī)頭經(jīng)過(guò)原點(diǎn)后超出左(右)中心線的距離，負(fù)值表示盾構(gòu)機(jī)頭未到達(dá)原點(diǎn)時(shí)距離左(右)中心線的距離；縱軸表示點(diǎn)位的累計(jì)沉降。

由圖2可以看出，在盾構(gòu)機(jī)穿越左線過(guò)程中，斷面3-1、4-1和正交斷面5-1的水平收斂值的波動(dòng)相對(duì)較大。斷面4-1的水平收斂值從刀盤位于3.34 m處開(kāi)始先增加后減小，之后又增大，最后趨穩(wěn)，在刀盤位于9.67 m處水平收斂值最大為1.08 mm；斷面3-1和5-1的水平收斂值在整個(gè)穿越過(guò)程一直波動(dòng)，均在21.87 m達(dá)到最大，分別為0.63和1.10 mm斷面，相比右線穿越后的最大值(1.10和1.71 mm)，左線穿越產(chǎn)生的疊加應(yīng)力使得水平收斂值減??；正交斷面7-1的水平收斂從盾構(gòu)機(jī)初始位置到位于15.01 m的過(guò)程緩慢增大，最大水平收斂值為2.60 mm；斷面6-1的水平收斂值在-8.99 m前產(chǎn)生波動(dòng)，最大值為3.61 mm，之后幾乎無(wú)變化。

圖2 1號(hào)線左線斷面水平收斂動(dòng)態(tài)曲線

由圖3可知，盾構(gòu)機(jī)在9號(hào)線左線掘進(jìn)穿越1號(hào)線右線隧道時(shí)，各斷面的水平收斂值均集中在1 mm以內(nèi)，整個(gè)過(guò)程斷面6-2和7-2水平收斂值變化相對(duì)較大，分別在4.91和8.05 m(-1.95 m)達(dá)到最大值，均為0.82 mm，斷面7-2水平收斂值的變化量最大為0.29 mm(第1—3階段)，斷面3-2、4-2和5-2的初始水平收斂值分別為0.40、0.22和0.32 mm，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)位于-7.29 m時(shí)水平收斂值最大,分別為0.54、0.61和0.60 mm?？梢?jiàn)9號(hào)線右、左線分別盾構(gòu)穿越1號(hào)線右線的過(guò)程，水平收斂值均很小。

注：為便于與圖2水平收斂波動(dòng)對(duì)比，取縱軸最大值為4 mm。圖3 1號(hào)線右線斷面水平收斂動(dòng)態(tài)曲線

由左、右線水平收斂曲線綜合分析可知，當(dāng)上下隧道垂距1.8 m時(shí)，隨著盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)，受疊加應(yīng)力影響，各監(jiān)測(cè)斷面水平收斂值相對(duì)較大，最大水平收斂值在6-1斷面為3.50 mm，左線穿越過(guò)程引起的波動(dòng)范圍在0.61～1.35 mm間；而當(dāng)上下隧道間距6.0 m時(shí)，隨著盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)，各斷面水平收斂值最大為0.82 mm(6-2和7-2斷面)，左線推進(jìn)過(guò)程引起的波動(dòng)也較小，因此，在這種間距下，下方穿越對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道的水平收斂值影響很小，可忽略不計(jì)。

2. 左、右線道床沉降分析

以各斷面分析點(diǎn)的位置為橫坐標(biāo)，縱軸表示點(diǎn)位的各階段累計(jì)沉降或累計(jì)沉降差。階段劃分如下：

盾構(gòu)掘進(jìn)至監(jiān)測(cè)隧道首次產(chǎn)生變形為第1階段，盾構(gòu)刀盤剛到既有隧道邊界為第2階段，盾構(gòu)刀盤到達(dá)既有隧道軸線正下方為第3階段，盾尾剛離開(kāi)既有隧道另一邊界為第4階段，至監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到穩(wěn)定為第5階段。

由圖4可以看出，盾構(gòu)機(jī)在9號(hào)線左線掘進(jìn)時(shí)，1號(hào)線左線上道床的沉降總趨勢(shì)：隨著盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)，道床的沉降累計(jì)值越來(lái)越大，正交斷面5-1(6827)的沉降變化量最大。第1—3階段在正交斷面7-1(6837)處累計(jì)沉降值、斜率最大，分別達(dá)到-5.7、-5.9、-6.0 mm和-4.5 mm/10 m、-4.3 mm/10 m、-4.2 mm/10 m(斷面5-1—6-1間)；第4、5階段在斷面6-1(6832)處累計(jì)沉降最大，分別達(dá)到-8.4、-10.3 mm，最大斜率出現(xiàn)在斷面4-1—5-1間，為-7.2 mm/10 m；最大差異沉降出現(xiàn)在斷面6-1，為1.3 mm。

圖4 1號(hào)線左線上、下道床沉降曲線

盾構(gòu)左線穿越1號(hào)線左線過(guò)程：第1—3階段，軌道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化量較小，累計(jì)最大沉降位置在正交斷面7-1，最大斜率位置在斷面5-1—6-1；第4—5階段(刀盤位于隧道中心到盾尾出隧道邊界)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量增大，其中5-1斷面沉降變化量最大為-3.7 mm，而累計(jì)最大沉降出現(xiàn)在受左、右線疊加影響的6-1斷面為-10.3 mm，最大斜率斷面在4-1—5-1。

由圖5可以看出，盾構(gòu)機(jī)在9號(hào)線左線掘進(jìn)時(shí)，1號(hào)線右線上道床的沉降總趨勢(shì)：1號(hào)線右線上道床在五個(gè)階段的沉降趨勢(shì)幾乎相同，其中第1—3階段在斷面7-2(監(jiān)測(cè)點(diǎn)6937)處累計(jì)沉降值、斜率最大，分別達(dá)到-7.7、-7.9、-8.5 mm和-5.8 mm/10 m、-5.5 mm/10 m、-4.6 mm/10 m(斷面5-2—6-2間)；第4、5階段在斷面6-2(監(jiān)測(cè)點(diǎn)6932)處累計(jì)沉降最大，分別達(dá)到-9.1、-9.5 mm，最大斜率出現(xiàn)在斷面3-2—4-2間，為-4.8 mm/10 m；最大差異沉降出現(xiàn)在斷面6-2，為1.3 mm。

盾構(gòu)左線穿越1號(hào)線右線過(guò)程：第1、2階段，軌道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化量較小，累計(jì)最大沉降位置在正交斷面7-2，最大斜率位置在斷面5-2—6-2；第3、4階段(刀盤進(jìn)隧道到盾尾出隧道邊界)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量增大，其中5-2斷面沉降變化量最大為-2.0 mm，而累計(jì)最大沉降出現(xiàn)在受左、右線疊加影響的6-2斷面為-10.8 mm；第5階段沉降變化量很小，而最大斜率為-4.8 mm/10 m，在斷面3-2—4-2間。

3. 超控制點(diǎn)(段)分析

在監(jiān)測(cè)的隧道水平收斂、道床沉降、平順度和道床差異沉降4個(gè)指標(biāo)中，隧道水平收斂最大值為3.6 mm，道床差異沉降為1.3 mm，無(wú)超限情況，位置均在斷面6-1；道床沉降出現(xiàn)2個(gè)超限點(diǎn)，平順度出現(xiàn)4個(gè)超限段，具體位置分布見(jiàn)表2。說(shuō)明監(jiān)測(cè)過(guò)程須重點(diǎn)監(jiān)測(cè)主斷面及其之間的斷面點(diǎn)的變形情況。

圖5 1號(hào)線右線上、下道床沉降曲線

超限類型道床沉降平順度超限點(diǎn)(段)6832(6?1)6933(6?2)6822?6827(4?1—5?1)6832?6837(6?1—7?1)6823?6827(4?1—5?1)6833?6838(6?1—7?1)控制值-10mm4mm/10m監(jiān)測(cè)值-10．3mm-10．8mm7．2mm/10m4．8mm/10m6．8mm/10m4．3mm/10m

四、結(jié) 論

1) 9號(hào)線右線、左線穿越垂距1.80 m的左線過(guò)程，疊加應(yīng)力使得2個(gè)主斷面及之間斷面的水平收斂增大，最大值在6-1，為3.50 mm；而穿越垂距6.0 m的右線，水平收斂最大值為0.82 mm，可忽略穿越過(guò)程及疊加應(yīng)力對(duì)斷面的水平收斂的影響。

2) 9號(hào)線右線單獨(dú)穿越后，最大沉降點(diǎn)在正交斷面(7-1和7-2)，而左線穿越過(guò)程，受疊加應(yīng)力的影響在第4和5階段最大下沉點(diǎn)轉(zhuǎn)移至兩個(gè)正交斷面間(6-1和6-2)，最大沉降值為-10.8 mm，道床平順度最大為7.2 mm/10 m，均超控制值，最大差異沉降1.3 mm。

3) 9號(hào)線右線、左線穿越過(guò)程，1.80和6.0 m垂距的監(jiān)測(cè)斷面，均表現(xiàn)對(duì)第3、4和5階段(從刀盤到達(dá)隧道邊界至穿越結(jié)束過(guò)程)各點(diǎn)沉降影響較大，這期間應(yīng)增大監(jiān)測(cè)頻率。

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Deformation Analysis of Metro Shield Line Under-crossing Operation Tunnel

ZHANG Liya，ZHANG Hongmei，ZHU Chuanguang，GAO Xiaowang

2016-01-08

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(13C313)；湖南省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014FJ3104)；湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(E21505)

張立亞(1982—)， 男，博士，講師，主要從事深基坑、盾構(gòu)隧道變形數(shù)據(jù)處理的教學(xué)與科研工作。E-mail：lyzhang47@163.com

張立亞，張宏梅，祝傳廣,等.地鐵盾構(gòu)隧道下穿運(yùn)營(yíng)線路的形變分析[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(11)：85-88.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0372.

P258

B

0494-0911(2016)11-0085-04