软土地区某运营地铁线路上部基坑
施工对地铁隧道变形监测与分析
[ 摘 要] 新金桥广场基坑围护结构位于正在运营的地铁隧道顶部。通过有效的隧道结构变形监控指导施工使其对地铁隧道的影响控制在允许范围内,本文对这一成功经验进行有益的总结,为今后同类工程的隧道结构变形监测提供参考价值。
Abstract ：Xin Jinqiao square pit was on the top of a subway tunnel in use. The effect of construction to the exist tunnel was monitored and the results were used to lead the construction process throng controlling displacement in an accepted range. The success experience was summarized, which gave a valuable reference to a similar engineering project.
关键词：地铁 基坑 隧道结构 变形监测
Key Words: subway; pit; tunnel structure; deformation monitoring of tunnel structure
1. 工程概况及围护方案
新金桥广场位于上海市黄浦区由长沙路、北京西路、西藏中路、牯岭路四条道路所围成的地块，地处上海市中心繁华商业区和交通干道旁。
新金桥广场基坑呈四边型，东西长约130m，南北宽约38m，面积约4827m2。基坑为地下一层。基坑围护采用φ850@600SMW桩，桩长8～15m不等。
基坑西侧基础底板下有运营中的地铁一号线区间隧道。为保障基坑施工期间地铁运营安全，基坑分东西二区先后独立进行施工。其中东区基坑开挖深度最深处约7m，基坑内竖向设置一道φ609钢管支撑；西区基坑开挖深度一般为5m，基坑内竖向设置一道型钢支撑。
地铁一号线区间隧道顶部距离本基坑西区底板仅约4m。其中西区基坑南、北侧的SMW围护桩及基坑底部土体加固的SWM搅拌桩离隧道顶部最小距离仅0.5m，离隧道边线最小距离仅0.75m，施工的难度非常大，对隧道保护的要求也非常高。
图1：地铁隧道与基坑剖面示意图
Fig1： Profile of pit and subway tunnel
2.施工区域地质条件
基坑土体自上而下分为以下土层: ① 杂填土,上部夹碎砖、石子等杂物,下部以素填土为主,层厚1100～3140 m ; ② 粘土,含云母及铁锰结核,层厚015～211 m ; ③ 灰色淤泥质粉质粘土,饱和,中～高压缩性,夹粉砂薄层,层厚为2155～ 5160 m ; ④ 灰和淤泥质粘土,流塑,中压缩性,夹薄层粉砂,层厚为7140 m～1010 m ; ⑤ 粘土,饱和软塑,中～ 高压缩性,层厚3100～5160 m , 地下水位在地面下0.5 m 处。
3．基坑施工期间地铁保护措施
本工程区段地铁隧道处于含水量高、压缩性高、强度低、流变性大的饱和软粘土层中,极易受到顶部的深基坑开挖而造成的周边土层移动的影响。
在基坑开挖时采用先中间后四周的盆式挖土方式,做到“分层、分区、分块、对称、平衡、限时”挖土支撑。单块土体的挖土支撑控制在16～24 h , 垫层厚度增至300 mm , 当围护位移过大时采用在垫层内加设型钢支撑的应急预案,加强对周围环境、地铁隧道及基坑的监测,通过监测数据的反馈指导施工。
图2：基坑分块开挖示意图
fig2：Plot of partitioned excavation
4 施工期间隧道变形监测方案
根据本工程的特点及地铁结构保护的要求，在新金桥广场基坑施工期间对地铁一号线隧道进行变形监测。
一、隧道变形监测内容
（1）隧道沉降变形监测,采用相对高程系，在影响隧道范围以外设2点参照点，建立水准测量监测网，参照Ⅱ等水准测量规范要求用N3精密水准仪引测，并每月联测2次，参照点应在工程开工前2～3周前埋设，并通过联测确定其稳定后使用。历次沉降变形监测是通过高程基准点间联测一条附合水准线路，由线路的工作点来测量各监测点的高程。各监测点高程初始值在施工前测定（至少测量2次取平均）。某监测点本次高程减前次高程的差值为本次沉降量，本次高程减初始高程的差值为累计沉降量。
（2）隧道断面变形监测, 为了能快速、准确、全面地进行隧道变形收敛测量，我们引进了Leica TCRA1101型多功能全站仪断面测量系统。本仪器由Leica全站仪、三角架两部分组成，全站仪扫描头的活动部分可在水平工作台上作水平和垂直两方向360°旋转，内置高精度无合作目标激光测距头。垂直断面方向的扫描旋转由微机控制下的步进电机驱动，具有很高的角定位精度。在全站仪里面装有PCMCIA卡，可将所测的数据存储到PCMCIA卡上与计算机共享。计算机中采用断面测量仪Profiler V1.0的专用软件，整个仪器的安置和测量过程均在此软件的支持下进行。测量操作示意如下图所示。
图3： 隧道收敛测量示意图
Fig3：Plot of convergence measurement
测量方法：
以道床上埋设不锈钢测点为基准点，每次测量时将全站仪安置在基准点上，准确
对中、整平后，利用隧道腰部的定向点及基准点确定测量断面。然后用激光头确
定该断面的起始点和最终点，按STARE键系统自动测量，测完后系统自动存盘，
计算方法：
本系统测量成果的计算由Profiler V1.0软件自动计算生成并形成报表，报表形
式为每一环关键点位的变形数据和整环的变形曲线。
（3）隧道自动沉降监测, 采用美国Sinco公司大地梁倾斜传感器，又称电子水平尺，原理是利用电解液侵蚀界面的变化测量结构的角位移量，通过换算，可知道每只梁前后两端的相对沉降量。多个单元的叠加计算，可知道某段测量范围内每点相对起始点的沉降量。
标准量程：±15弧分、±1°、±3°。
分 辨 率：±0.03％F.S.R。
重 复 性：±0.3％F.S.R。
温度范围：-20℃～50℃。
温度漂移：0.2％F.S/ ℃.
大地梁倾斜传感器的优点是测量精度高，安装简单，可全天候连续测量，可遥控
监测。
图4：新金桥广场施工期间地铁一号线隧道监测点示意图
Fig4：Location of monitoring points in tunnel of Xin Jinqiao Square during construction
二、监测频率
整个基坑施工期间，隧道人工沉降监测贯穿始终。人工沉降监测按以下频率实行：
施工工况 监测频率 备注
基坑围护、加固 1次/天 地铁保护区施工
基坑挖土 1次/天
地下结构施工 1次/周
停工期间 2～4次/月
基坑加固期间，加强隧道断面测量，则根据施工需要，在对应桩位施工时对隧道断面收敛变形进行跟踪测量。
自动沉降监测系统主要在基坑开挖时使用，最高达到1次/5分钟，实现挖土阶段的实时跟踪监测。
三、隧道变形监测报警控制值
按照地铁监护部门的要求，制定的报警控制值如下（数值为绝对值）：
1．隧道沉降日变化量≤1mm，累计变形量≤5mm；
2．隧道收敛日变化量≤2mm，累计变形量≤10mm。
5. 隧道变形监测结果分析
5．1基坑围护及加固期间隧道变形监测分析
1． 隧道上方旋喷加固
图5：基坑旋喷加固施工期间下行线隧道沉降曲线
Fig5:Curve of settlement displacement of downward going line during jet grouting
如上图为基坑围护期间地铁隧道下行线沉降变形曲线。由图可见，此期间由于旋喷加固的施工，造成基坑底部土体的扰动和挤压，从而引起悬浮于土体中地铁隧道的隆沉变形。隧道呈现局部隆起趋势，最大隆起量约达到2.34mm。
（2） 基坑旋喷加固施工隧道断面收敛监测
旋喷桩沿隧道轴线方向布置；每横排3根桩与隧道轴线垂直，即在同一隧道环片上方有3根旋喷桩。在旋喷桩施工前，在与之对应的每一隧道环片内布设三点（隧道底部中心一点，腰部两点），作为隧道断面测量的参照点。
某旋喷桩施工时，在隧道内与之对应的位置用Leica全站仪对隧道环片作不间断的圆断面扫描监测，约每10分钟测量一周，直至该旋喷桩施工完成。
为确保地铁隧道结构安全，旋喷桩水泥掺量为10％，压力为8MPa；施工时同一隧道环片上方的三根桩隔天间隔施工，以利于压力释放。旋喷桩机钻杆在最底部喷浆时间约5分钟。
根据以上施工工艺参数和跟踪监测数据表明：隧道顶部最大径向收缩量约2.6mm，隧道腰部最大径向扩张量约1mm。变形量明显较小。现场监测发现，施工部位隧道内没有渗漏情况。隧道收敛变形曲线如下图：
图6： 加固期间隧道断面收敛曲线
Fig6：Convergence Curve of tunnel face during soil improvement
5．2基坑开挖期间隧道变形监测分析
图7： 基坑开挖期间上行线隧道人工沉降监测曲线
Fig7：Curve of settlement displacement monitored manually for upward going line during pit excavation
上图为基坑开挖期间上行线隧道沉降曲线图。由图可见，随着基坑开挖的进行，隧道上方大量土方卸载，引起了悬浮于土体中隧道的隆起，且逐日隆起现象比较显著。
其中，每块土方开挖期间，隆起量约0.5mm，当上行线上方的土方于2004年8月15日全部挖完时，隧道隆起最大点SCJ10达6.10mm；开挖完成后一段时间后由于下行线也在开挖，因此隧道还在持续隆起，于2004年9月3日SCJ7点达到峰值7.46mm，又上隆约1.36mm。
尤其在土方开挖过程中，由于基坑开挖深度较深（达5m），隧道隆起十分明显。其中隧道以外开挖完成后，引起隧道隆起约3.53mm，此时，如何顺利、快速、安全地开挖隧道上方的剩余土方，同时有效控制隧道上隆，确保地铁运营安全，是本次基坑施工的关键所在。按照地铁运营公司的技术要求，隧道上方的土方分采用了分小块开挖的方式，由中部向两边进行挖土，沿隧道轴线每3m为1个开挖块，限时开挖，开挖完成后立即施工该块底板，待混凝土凝固后再立即进行压重（沙袋或钢管）处理，防止隧道隆起。
实践证明，这样的施工方法是行之有效的。在隧道上方的11块土方全部开挖完成后，引起的隧道隆起量约1.5mm，大大小于其他工况下的变形量。
此外，在基坑开挖完成后一段时间，隧道有持续隆起现象。据分析，由于施工场地土质软弱，软土所反映出的变形滞后效应是造成开挖完成后继续隆起的主要原因。
图8： 基坑开挖期间上行线自动监测沉降曲线
Fig8: Curve of settlement displacement monitored automatically for upward going line during pit excavation
由图可见，随着开挖的进行隧道逐步隆起，其变形趋势与人工监测的变形趋势十分吻合。整个开挖过程隧道隆起约2.05mm。图中还可看出，在基坑隧道上方分小块开挖时，隧道的隆起量非常小，每开挖一小块隆起0.3mm左右。
由于分块开挖的开挖顺序为从基坑中部向基坑两侧开挖，从图中曲线可以看出隆起最大点位置随着基坑开挖的分块位置变化而移动，避免了基坑中部隧道持续隆起，造成较大的差异沉降。
监测数据说明分小块限时开挖、浇底板、压重的施工方法受到了良好的效果，有效地减小了施工对隧道变形的不良影响。随着开挖深度的加深，隧道就会逐步隆起，其变形趋势与人工监测的变形趋势十分吻合。隧道在基坑开挖位置会有明显的隆起趋势。在底板浇筑后隆起趋势开始变缓，逐步达到稳定状态。
隧道上方分块开挖时，电子水平尺自动监测系统以最高每5分钟1次的频率，及时、准确地向施工现场传递了开挖过程中的隧道变形数据，实现了对地铁隧道结构安全的远距离实时监控。
但是将电子水平尺自动监测数据与人工沉降测量数据比较发现，自动监测数据较人工测量数据偏小一些，这可能是由于自动监测的起点（参照点）离施工区域相对较近的原因。
6 结论
1) 纵观该基坑施工全过程，从基坑围护及基坑开挖直至底板浇筑、基坑主体结构完成，施工单位始终对保护运营地铁隧道非常重视，并采取了大量有效措施。尤其在基坑开挖期间，以“时空效应”理论为指导， 合理安排人力、物力,减少基坑无支护暴露及支撑的架设时间,对保护基坑周边环境作用非常明显。
2) 地铁运营线路上部基坑施工时在隧道内同步布设自动监测系统、采用人工监测与自动监测相结合的方式，及时采集分析数据以优化施工参数,对保证地铁结构安全的意义重大。
参考文献：
1.上海京海工程技术公司 新金桥广场施工地铁一号线监测报告 上海:上海京海工程技术公司 2004
2. 刘建航 侯学渊 基坑工程手册 北京:中国建筑工业出版社 1997
3 王如路,周贤浩. 近年来上海地铁监护发现的问题及对策. 中国土木工程学会隧道及地下工程学会地下铁道专业委员会第十四届学术交流会论文集. 北京:中国科学技术出版社,2000
