知识科普 | 地铁主体结构变形监测的必要性分析

知识科普 | 地铁主体结构变形监测的必要性分析

来源：52监测  

（部分素材来源网络，转载请标明出处，52监测）

编前语

目前国内已经有很多条城市轨道交通线路(简称“城轨”或“地铁”)建成运营,通过对天津、上海、北京等城市的一些已运营的线路调查研究发现,在建设过程和运营期间,其隧道、高架桥、U型结构、路基挡墙等主体结构均有变形发生,从而引起线路沉降、轨道变形,严重时则影响城轨的运营安全。

为了及时掌握地铁主体结构的变形情况,及时消除安全隐患,在运营期间,对主体结构采取适宜的变形监测是非常必要的,根据变形监测情况,及时提出整治方案,以保障城轨的运营安全。

1、地铁的主体结构监测的必要性

1.1地铁结构随地层的隆沉引起变化

城轨建设过程中主体结构的变化主要随地层隆沉而变化。比如天津市地处冲积平原地区,局部有软土层和地震液化层,整体沉降量较大。

天津地铁1号线工程新建地下段采用明挖或盾构法施工,存在围护结构施工、因降水引起地下水位变化及基坑开挖过程会产生基底土卸载,造成坑底隆沉;主体构筑、覆土回填会重新给基底土施加荷载,造成地基的隆沉;而主体结构竣工后地下水位的变化会对结构产生浮力,减少结构沉降的趋势,浮力过大时会造成结构上浮。

城轨工程结构本身由于地基的变形及内部应力、外部荷载的变化而产生结构变形和沉降。如结构变形和沉降超过允许值,将会对城轨的运营造成影响,甚至会造成运营中断。

对结构进行监测,了解变形情况,分析变形原因并采取有效措施,对于预防事故、保证城轨的正常运营是非常重要的。

施工期间除在基坑开挖、主体结构构筑过程中需对地面进行监测外,还要对周边建筑物、地下水位变化进行监测,实践证明这些监测项目都在发生不均匀的沉降变化。

如天津市从1923年开始,随着地下水的开发,地面沉降一直在发展,初期年沉降仅几个毫米。解放后随着工农业的发展,地下水开采量逐渐增加,地面沉降越来越严重,1959—2000年最大累计沉降值已达2.85m。

天津地铁沿线途径河北区小王庄京津桥累计沉降量2.0～2.5m的面积已达37km2。

综上所述,地铁在施工及运营期间对主体结构进行监测是十分必要的。

1.2不同的线路敷设形式存在结构变形差异

城轨工程呈线状分布,分布范围较长,整个工程范围内由于线路敷设形式不同有可能存在着不均匀沉降的问题。

一条城轨线一般包含地下线、高架线和地面线等不同的线路敷设形式,如图1所示。

地下结构有采用盾构施工的圆形隧道、明挖施工的矩形结构及暗挖施工的马蹄形结构,高架部分有连续梁、简支梁、钢混结合梁等不同的结构形式,地面线路基部分有填土、挖方等情况,不同结构形式变形复杂,各分体结构存在差异变形,需要及时了解全线各部位特别是衔接处的变形情况。

1.3既有线与新建工程存在结构变形差异

个别地铁项目存在既有线改造的情况,随着城市规模和经济水平的快速发展,早期建设的地铁已经不能满足现代生活的需要,需要从规模和标准上进行改造。

如天津地铁1号线西站至新华路7座既有站是利用既有地铁的洞体进行了改扩建的。

既有段始建于1970年,为“7047”人防工程,1984年建成通车,已运营了20年。

改建工程充分利用了既有段区间结构,只对车站进行拆除、改建,每个改建站两端均与新结构体衔接,衔接处均存在着新旧结构间的差异沉降问题。

差异沉降量势必影响到结构的稳定,甚至会影响到地铁线路的正常运营。因此,需在运营期间对地铁结构、轨道结构等进行变形监测,及时准确地了解结构变化趋势,针对变形情况采取必要的补救措施,以保证地铁正常运营。

在建的哈尔滨地铁利用一段既有人防工程,在建设中也应重视变形监测。

1.4地铁运营会诱发结构变形

地铁运营时反复的振动和曲线上未平衡的离心力等的作用都可能诱发区间隧道洞体的形变和隧道周围土体性质的变化,因此也是地铁运营监测的重要原因。

1.5地铁周边环境的改变也会造成结构变形

地铁所经过的沿线多是城市繁华地带,一些高层商务楼宇正在或即将施工建设,这些距地铁较近的建筑物在施工期间极易引起地铁结构的变形。

为此,在周围工程开工前,对地铁制定适宜的监测方案,伴随周边工程的建设,对地铁进行变形全程监测也是十分必要的。

二、地铁主体结构监测工作重点

2.1通过监测随时掌握地铁结构变形全貌

通过监测可动态收集地铁结构变形信息,掌握结构变形情况,保障运营安全,确保工程的可靠度。

地下结构和高架桥结构形式不同引起的变形也不尽相同,通过监测可验证沉降变形理论的正确性和可靠性,了解结构实际受力状态,判断结构的安全承载能力和使用条件。

通过监测系统收集各种技术数据,建立数据库,以便更好地随时掌握结构变形全貌。可及时发现变形现状及发展趋势,并采取处理措施预案。

2.2重视积累监测资料,提供病害治理可靠依据

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,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。

通过对主体结构进行监测,及时准确掌握现有建成地铁工程的运营变形情况,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。

2.3重点监测位置

根据理论分析和以往的经验,一般对地铁的以下主体部分进行重点监测,掌握重点位置的结构变形情况:

(1)车站与区间衔接处的差异沉降;

(2)城轨交通穿越河流、不良地质地段的隧道区段的特殊沉降;

(3)既有隧道与新建隧道衔接处的差异沉降;

(4)区间联络通道附近衔接处的差异沉降;

(5)城轨交通沿线有高大建筑或工程正在施工的地段对隧道的影响;

(6)本线与后建设的城轨交通线路交叉点附近地段对本线隧道的影响;

(7)高架桥地段的墩台沉降、梁体的挠曲变形;

(8)隧道、高架桥与路基的过渡段的差异沉降;

(9)城轨交通穿越国家既有铁路对隧道的影响。

2.4地层沉降理论的支持和分析

对于城轨交通建设时和运营后主体结构的地层沉降,一般采用现在通用的理论,如派克法、有限元法和派克修正公式对地表沉降量进行估算。

派克(Peck)法是假定地层损失在隧道长度上均匀分布,地面沉降在垂直隧道方向上正态分布。

对隧道上方地表沉降槽横向分布的地面沉降量提出估算公式。

计算结果应根据工程的具体地质情况和土质特征,一般要对估算公式进行修正,并通过监测得到验证。

2.5对重要建筑物的地基变形计算依托的理论依据

对于地铁附属的重要建筑物和周围紧邻的高大建筑物的建设对地铁主体结构的影响,首先要掌握建筑物荷载在地基土层中引起的应力变化,其次必须掌握地基土层的分布情况及其应力-应变关系特征,由此可预先计算出将发生的变形值。

对建筑物而言,在一般情况下最主要的是地基的竖向压缩变形,表现为建筑物基础的沉降。因此,地基变形计算通常即指基础沉降计算。

自地铁开始施工之日起,对地铁保护区范围内的新建建筑物,就要进行监测,直至评定其已经稳定,或变形值和变形速率在正常值范围内。

一方面要对建筑物基坑围护结构的变形进行监测,同时对临近建筑物地段的地铁结构重点加强监测。

根据工程情况和变形情况,采取适当的监测方案,必要时采取现场设置探头和传感器,用光缆传输数据,远程适时监测。

三、调查结果

根据调查已经建成运营的多条轨道交通线均有不同程度的结构变形。深圳、广州、南京、上海、天津等城市的已经运营轨道交通线的调查发现,一些线路的变形较严重,尤其上海已经运营的1、2、3号线均有较大变形,且一直在持续,其中上海1号线变形较大的地段,隧道洞体下沉达27mm,隧道断面变形达11mm,而且变形仍在持续发展,正在采取各种手段来保障运营的安全。

天津地铁1号线工程在西站过河段施工期间的最大沉降量就达到480mm,侵限很严重,线路调整无法解决根本问题,经过研究,最终将线路尽量调整到侵限均匀,轨道采取特殊设计,减薄道床厚度,解决了该难题,避免了工程的拆除重建。

目前国内一些城市的轨道交通工程已陆续建成通车,有些城市对工程的结构变形进行了监测,有些城市对此还尚未引起足够的重视,尤其错过了初期数据的采集时机,对以后的变形监测数据分析处理极为不利。

国家有关规范对此类重大工程也有明确规定,《建筑变形测量规程》(JGJ/T8—97)、《地下铁道、轨道交通工程测量规范》(GB50308—1999)等对此均有明确条文,规定地铁工程施工全过程和运营阶段中,进行变形测量是十分必要的,通过对监测数据的分析,经评定认为已经稳定的可以停止观测。

四、结论

建议地铁及其它城轨等工程项目,在施工期间及竣工运营后,把对主体结构的沉降、水平位移、收敛等变形监测工作提到议事日程,重视资料的整理和积累。

给出主体结构的变形情况,以及主体结构变形今后的发展趋势,并提出整治方案。

逐渐修正理论依据,完善监测方法,使地铁监测成为保障地铁运营安全、维护城市窗口形象的主要工作项目。

小编总结

城轨交通工程在运营期间,主体结构普遍存在变形的问题,有必要对主体结构变形进行监测,动态掌握结构变形情况。

选择代表性部位进行沉降、水平位移、收敛等变形监测,对变形较大的地段及时采取适当的补救措施,确保运营安全,对保障安全运营是非常必要的,相关部门应引起足够的重视。