地铁盾构隧道下穿运营线路的形变分析

张立亚，张宏梅，祝传广，高小王

(1. 湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201； 2. 湖南科技大学建筑与城乡规划学院，湖南 湘潭 411201)



地铁盾构隧道下穿运营线路的形变分析

张立亚1，张宏梅2，祝传广1，高小王2

(1. 湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201； 2. 湖南科技大学建筑与城乡规划学院，湖南 湘潭 411201)

地铁修建过程中穿越运营地铁线路时，需动态监测结构和轨道的安全状态。本文以深圳地铁某区间盾构隧道穿越过程为例，利用测量机器人(TS30)，以2 h/次的频率对隧道、道床监测点进行全程观测。断面数据分析表明：①9号线右线、左线穿越垂距1.80 m的左线过程，叠加应力使得2个主断面及之间断面的水平收敛增加，而穿越垂距6.0 m的右线，水平收敛最大值为0.82 mm，可忽略穿越过程及叠加应力对断面水平收敛的影响；②9号线右线单独穿越后，最大沉降点在正交断面(7-1和7-2)，而左线穿越过程，受叠加应力的影响在第四和五阶段最大下沉点转移至两个正交断面间(6-1和6-2)；③穿越过程均表现为从刀盘到达隧道边界至穿越结束期间对各点沉降影响较大，这期间应增大监测频率至0.5 h/次；④整个穿越过程应重点监测断面3-1—9-1，即30 m的核心影响区域，其余断面最大沉降不超过3 mm。

盾构穿越；测量机器人；水平收敛；轨道变形

当前，我国经济发展使城市人口迅速增长，随之而来的交通拥挤、阻塞，对人们的日常生活产生了很大的消极影响。为缓解这种现象，近年来政府在公共交通尤其在地铁修建方面投入巨大。盾构法因其安全、高效在地铁修建中被越来越多的线路所采用，但仍不可避免地在穿越既有的建(构)筑物，尤其是在穿越运营地铁隧道时对运营线路的安全性带来一定的挑战。

盾构隧道掘进会引起地表沉降[1-2]，当前主要使用Leica TCA系列[3-4]对穿越既有建(构)筑物的隧道变形进行监测，分析大多只针对隧道某一部位的监测数据进行；部分学者在工程实际中也采用液体静力水准仪[5]进行监测，而这种方法只能测量垂直方向的形变情况；有的学者[6-7]使用数值模拟与现场监测相结合的方法对隧道的三维形变进行模拟分析，获得了部分有益成果，但地质条件多变，仍需实测数据检核；有的学者[8]采用室内相似模型方法通过埋设位移传感器研究隧道开挖过程对上、下线路的变形影响；另有学者[9]采用数学方法计算盾构的几个参数，然后结合经典力学方法计算隧道穿越过程引起的变形；也有学者的研究集中在对隧道形变控制的自动化系统的研究上[10]。而目前对结构和轨道实时进行形变监测的研究还较少。

本文以深圳在建地铁9号线下穿运营1号线为例，以左、右线穿越过程正上方断面为正交面，在可能的影响范围内按照5～10 m的断面间隔(各9个)布设监测点(拱腰和道床)，使用TS30以2 h/次的频率对穿越过程进行自动化监测。刀盘掘进至不同距离时，利用每个断面的一对拱腰点的三维坐标计算水平收敛值；根据盾构机与运营线路不同的空间位置，分析隧道水平收敛、道床沉降和平顺度、相邻轨道的差异沉降，再结合运营线路左、右线与掘进隧道垂距的不同，通过综合分析来获得轨道变形与盾构隧道推进位置的动态关系，对比两种垂距各自变形的特点，达到安全施工、优化监测点布设和调制盾构机参数的目的。

一、工程及地质概况

深圳地铁某区间下穿运营地铁1号线，该地区建筑物较密集，交通便利，人口众多，地势也十分平坦。原始地貌为河谷冲洪积平原，近年来经过人为的回填，使地势变得平坦，标高为3.20～4.00 m。下伏地层依次为：素填土层、淤泥质黏土层、中粗砂层、圆砾层、可塑状残积层、全风化变质砂层、强风化变质砂层和强风化糜棱岩层。地面被建筑物、道路覆盖，原始地貌不复存在或变得极为模糊。在建隧道主要穿越强风化糜棱岩层，运营隧道分布地层从圆砾层到强风化糜棱岩层之间。

在建区间隧道长度为824.506 m，隧道的直径均为6 m，左、右线间距为11.7 m，埋深20.6 m；运营隧道直径6.0 m，左、右线间距16.3 m，左线埋深12.8 m，右线埋深8.2 m，既有1号线左线隧道底与拟建线路隧道之间最小净距1.8 m，右线距在建隧道垂距为6.0 m。

二、自动化监测

1. 监测断面的布设

按照《铁路隧道监控量测技术规程》(TB 10121—2007)，在盾构施工影响范围内的地铁1号线左、右线隧道内各布设9个变形监测断面，左、右线编号依次为：2-1—10-1和2-2—10-2；其中3-1—9-1和3-2—9-2断面间距约为5～6 m，其他断面间距10 m；监测断面布点如图1所示。每个监测断面对称布设4个点：2个拱腰点和2个道床轨面点，部分监测点的位置及编号见表1。

图1 变形监测断面布设

1号线左线正交断面5⁃17⁃1拱腰点轨面点拱腰点轨面点68266829683668396836683969276928

2. 监测设备及频率

本次穿越采用TS30测量机器人进行自动化监测，仪器测角精度为0.5″，测距精度0.6 mm+1×10-6D，能够满足高精度测量的要求。盾构左右线下穿1号线期间，监测频率为2 h/次，当重要断面沉降值变化较大时，依次增加重要监测断面的监测频率，整个观测过程辅以人工监测，以自动化监测为主。按照风险控制指标要求，各轨道点的沉降控制值为-10 mm、上浮为+1.5 mm；道床平顺度4.0 mm/10 m，上、下轨道差异沉降4 mm。

3. 监测方法

本工程采用Leica TS30配合L型小棱镜测量隧道的水平位移、收敛变形和沉降。数据处理采用Leica配套的SmartMonitor软件，包含SmartMonitor监测器和SmartAnalyzer分析器两个模块。监测网由基准点和监测点组成，在左、右线监测范围内各布设9个监测断面和4个后视点(基准点，最远距离约100 m)，基准点分布在离变形区两端较远的地方，以保证其稳定，每个断面分别在两腰和道床上布设4个监测点。

第1次观测时，先人工概略照准每个目标，仪器自动精确照准，用方向法观测各点的方向值及距离，多次观测的数据经平差后，作为以后变形监测数据处理的初始值。从第2次观测开始，每次测站必须利用差分基准点测量出本次测量的测站三维坐标，然后自动监测系统测量、差分、平差计算出该次各监测点坐标值(Xi，Yi，Zi)，并计算出每一对监测点在水平方向的变形值(DX,DY)和沉降方向变形值(DZ)。

三、数据分析

右线先掘进下穿，穿越过程监测时间从2014年10月13日23:00—10月25日09:00贯通为止，左线后掘进下穿，监测时间从2014年12月04日09:00—12月07日19:00贯通。

由于篇幅限制，右线掘进过程不再列举，只分析左线穿越过程(代表了运营线路的最终变形情况)对1号线左线、右线的影响规律。

1. 左、右线隧道水平收敛分析

如图1所示，坐标原点表示盾构机头刚好在中心线上，横轴表示盾构头与1号线左(右)隧道中心线的相对距离，其中正值表示盾构机头经过原点后超出左(右)中心线的距离，负值表示盾构机头未到达原点时距离左(右)中心线的距离；纵轴表示点位的累计沉降。

由图2可以看出，在盾构机穿越左线过程中，断面3-1、4-1和正交断面5-1的水平收敛值的波动相对较大。断面4-1的水平收敛值从刀盘位于3.34 m处开始先增加后减小，之后又增大，最后趋稳，在刀盘位于9.67 m处水平收敛值最大为1.08 mm；断面3-1和5-1的水平收敛值在整个穿越过程一直波动，均在21.87 m达到最大，分别为0.63和1.10 mm断面，相比右线穿越后的最大值(1.10和1.71 mm)，左线穿越产生的叠加应力使得水平收敛值减小；正交断面7-1的水平收敛从盾构机初始位置到位于15.01 m的过程缓慢增大，最大水平收敛值为2.60 mm；断面6-1的水平收敛值在-8.99 m前产生波动，最大值为3.61 mm，之后几乎无变化。

图2 1号线左线断面水平收敛动态曲线

由图3可知，盾构机在9号线左线掘进穿越1号线右线隧道时，各断面的水平收敛值均集中在1 mm以内，整个过程断面6-2和7-2水平收敛值变化相对较大，分别在4.91和8.05 m(-1.95 m)达到最大值，均为0.82 mm，断面7-2水平收敛值的变化量最大为0.29 mm(第1—3阶段)，断面3-2、4-2和5-2的初始水平收敛值分别为0.40、0.22和0.32 mm，当盾构机位于-7.29 m时水平收敛值最大,分别为0.54、0.61和0.60 mm。可见9号线右、左线分别盾构穿越1号线右线的过程，水平收敛值均很小。

注：为便于与图2水平收敛波动对比，取纵轴最大值为4 mm。图3 1号线右线断面水平收敛动态曲线

由左、右线水平收敛曲线综合分析可知，当上下隧道垂距1.8 m时，随着盾构机推进，受叠加应力影响，各监测断面水平收敛值相对较大，最大水平收敛值在6-1断面为3.50 mm，左线穿越过程引起的波动范围在0.61～1.35 mm间；而当上下隧道间距6.0 m时，随着盾构机推进，各断面水平收敛值最大为0.82 mm(6-2和7-2断面)，左线推进过程引起的波动也较小，因此，在这种间距下，下方穿越对运营隧道的水平收敛值影响很小，可忽略不计。

2. 左、右线道床沉降分析

以各断面分析点的位置为横坐标，纵轴表示点位的各阶段累计沉降或累计沉降差。阶段划分如下：

盾构掘进至监测隧道首次产生变形为第1阶段，盾构刀盘刚到既有隧道边界为第2阶段，盾构刀盘到达既有隧道轴线正下方为第3阶段，盾尾刚离开既有隧道另一边界为第4阶段，至监测数据达到稳定为第5阶段。

由图4可以看出，盾构机在9号线左线掘进时，1号线左线上道床的沉降总趋势：随着盾构机的掘进，道床的沉降累计值越来越大，正交断面5-1(6827)的沉降变化量最大。第1—3阶段在正交断面7-1(6837)处累计沉降值、斜率最大，分别达到-5.7、-5.9、-6.0 mm和-4.5 mm/10 m、-4.3 mm/10 m、-4.2 mm/10 m(断面5-1—6-1间)；第4、5阶段在断面6-1(6832)处累计沉降最大，分别达到-8.4、-10.3 mm，最大斜率出现在断面4-1—5-1间，为-7.2 mm/10 m；最大差异沉降出现在断面6-1，为1.3 mm。

图4 1号线左线上、下道床沉降曲线

盾构左线穿越1号线左线过程：第1—3阶段，轨道各监测点沉降变化量较小，累计最大沉降位置在正交断面7-1，最大斜率位置在断面5-1—6-1；第4—5阶段(刀盘位于隧道中心到盾尾出隧道边界)，各监测点沉降量增大，其中5-1断面沉降变化量最大为-3.7 mm，而累计最大沉降出现在受左、右线叠加影响的6-1断面为-10.3 mm，最大斜率断面在4-1—5-1。

由图5可以看出，盾构机在9号线左线掘进时，1号线右线上道床的沉降总趋势：1号线右线上道床在五个阶段的沉降趋势几乎相同，其中第1—3阶段在断面7-2(监测点6937)处累计沉降值、斜率最大，分别达到-7.7、-7.9、-8.5 mm和-5.8 mm/10 m、-5.5 mm/10 m、-4.6 mm/10 m(断面5-2—6-2间)；第4、5阶段在断面6-2(监测点6932)处累计沉降最大，分别达到-9.1、-9.5 mm，最大斜率出现在断面3-2—4-2间，为-4.8 mm/10 m；最大差异沉降出现在断面6-2，为1.3 mm。

盾构左线穿越1号线右线过程：第1、2阶段，轨道各监测点沉降变化量较小，累计最大沉降位置在正交断面7-2，最大斜率位置在断面5-2—6-2；第3、4阶段(刀盘进隧道到盾尾出隧道边界)，各监测点沉降量增大，其中5-2断面沉降变化量最大为-2.0 mm，而累计最大沉降出现在受左、右线叠加影响的6-2断面为-10.8 mm；第5阶段沉降变化量很小，而最大斜率为-4.8 mm/10 m，在断面3-2—4-2间。

3. 超控制点(段)分析

在监测的隧道水平收敛、道床沉降、平顺度和道床差异沉降4个指标中，隧道水平收敛最大值为3.6 mm，道床差异沉降为1.3 mm，无超限情况，位置均在断面6-1；道床沉降出现2个超限点，平顺度出现4个超限段，具体位置分布见表2。说明监测过程须重点监测主断面及其之间的断面点的变形情况。

图5 1号线右线上、下道床沉降曲线

超限类型道床沉降平顺度超限点(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监测值-10．3mm-10．8mm7．2mm/10m4．8mm/10m6．8mm/10m4．3mm/10m

四、结 论

1) 9号线右线、左线穿越垂距1.80 m的左线过程，叠加应力使得2个主断面及之间断面的水平收敛增大，最大值在6-1，为3.50 mm；而穿越垂距6.0 m的右线，水平收敛最大值为0.82 mm，可忽略穿越过程及叠加应力对断面的水平收敛的影响。

2) 9号线右线单独穿越后，最大沉降点在正交断面(7-1和7-2)，而左线穿越过程，受叠加应力的影响在第4和5阶段最大下沉点转移至两个正交断面间(6-1和6-2)，最大沉降值为-10.8 mm，道床平顺度最大为7.2 mm/10 m，均超控制值，最大差异沉降1.3 mm。

3) 9号线右线、左线穿越过程，1.80和6.0 m垂距的监测断面，均表现对第3、4和5阶段(从刀盘到达隧道边界至穿越结束过程)各点沉降影响较大，这期间应增大监测频率。

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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

湖南省教育厅科学研究项目(13C313)；湖南省科技厅科技计划项目(2014FJ3104)；湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室开放基金项目(E21505)

张立亚(1982—)， 男，博士，讲师，主要从事深基坑、盾构隧道变形数据处理的教学与科研工作。E-mail：lyzhang47@163.com

张立亚，张宏梅，祝传广,等.地铁盾构隧道下穿运营线路的形变分析[J].测绘通报，2016(11)：85-88.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0372.

P258

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0494-0911(2016)11-0085-04