地铁隧道结构变形监测

地铁隧道常常建造在地质复杂、道路狭窄、地下管线密集、交通繁忙的闹市中心，其安全问题不容忽视。同时，地铁隧道结构体狭长、埋深浅，当结构受力失衡后，极易发生局部变形，影响施工和运营的安全。因此，对地铁隧道结构进行变形监测意义重大。

一、地铁隧道变形监测的内容和方法

地铁隧道变形监测内容需根据地铁隧道结构设计、国家相关规范和类似工程的变形监测以及当前地铁所处阶段来确定。地铁隧道变形监测内容主要包括水平位移监测、垂直位移监测、隧道横断面收敛变形监测三个方面，其中水平位移监测又包括隧道水平位移监测和隧道与地下车站结构间的相对水平位移监测两部分，垂直位移监测又包括隧道沉降监测和隧道与地下车站结构间的沉降差异监测两部分。

对于不同的地铁隧道变形监测项目，所用监测方法和仪器也不相同。通常，对于隧道垂直位移和水平位移监测，需通过大地测量或者自动化测量的方法利用精密水准仪、精密全站仪或智能全站仪进行；而对于隧道断面收敛变形监测，则要利用收敛仪（计）通过物理测量的方法进行。

二、变形监测网（点）的布设与施测

由于地铁隧道变形监测具有涉及范围大、要求精度高和监测时间长等特点。因此，必须根据地铁隧道结构设计、国家相关规范和地铁隧道结构实际状况，从地铁隧道结构整体来考虑，拟定统一要求的变形监测网（点）布设和实施方案。

（一）变形监测基准网（点）的布设

基准网（点）是变形监测的基础，既要求其稳定可靠，又要靠近观测点方便测量。地铁车站所处的地质条件一般较好，遇到不良地质，都进行地基处理，所以通常将车站看作一个大的稳定的刚体，发生变形的可能极小，即便个别车站发生变形，也可从相邻车站的位置关系反映出来，不至于对监测基准网（点）体系造成影响。因此，可以把变形监测基准网（点）建立在车站上，如选择车站的铺轨控制基标或埋设的特殊点作为变形监测的基准网（点）。

对于水平位移监测，在车站左右线按要求各埋设一条边作为基准边，基准点间距离应在120m以上，车站之间成附合导线，左右线（或称上、下行线）间成闭合导线。

对于垂直位移监测，监测基准网主要由水准基点和工作基点构成。水准基点一般布设于地铁外部（国家或地区高程控制点最佳），工作基点布设在地铁车站内，可与水平位移监测基准点共用。监测基准网宜布设成附合水准路线或沿上、下行线隧道敷设水准路线后，在车站位置成结点，构成水准网形式。根据地质条件和车站结构的稳定状况确定监测的周期，采用国家一等水准技术要求施测，但观测限差则应按严格的变形监测指标控制，否则平差后的工作基点高程中误差太大，难以检验出工作基点发生的沉降值。

（二）变形监测点的布设

1.水平位移监测点布设

水平位移监测点的布设，依据地铁线路所处的地质情况，地质条件好的地段，50～70m设一水平位移监测点；地质条件不良的地段，40～60m设一水平位移监测点。

2.垂直位移监测点布设

（1）区间隧道沉降监测点的布设，通常与水平位移监测点共用，地质条件不良的地段，可根据实际情况适当加密。

（2）隧道与地下车站沉降差异监测点的布设，一般只需在隧道与车站交接缝两侧约1m处的道床上布设1对沉降监测点，每期直接监测两点间高差即可，如图18-14所示。

3.隧道横断面收敛变形监测点

隧道断面收敛变形监测点的布设，一般根据隧道所处地质条件、所用收敛计以及隧道断面形状等实际情况而定。图18-15所示为在圆形断面隧道内布设监测点的方法，只要定期用收敛计测量AC和BD的长度变化，即可得知隧道横断面收敛变形大小。

（三）测点标志与埋设

地铁隧道内水平位移及垂直位移的基准点标志应进行统一设计和埋设，可位于车站道床中间的水沟中，高出水沟底部约10mm，采用混凝土标石中央嵌入铜心标志，并加保护罩。水平和垂直位移监测点布设于道床中央，可分别埋设直径16mm或8mm，长约60mm的圆头实心铜质或不锈钢标志。

（四）变形监测的实施

监测时遵循“以基准点为基础，先控制，后加密”的原则。每次监测应采用固定的仪器、设备、观测人员及观测程序。监测作业严格按照《工程测量规范》和《国家一、二等水准测量规范》以及《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》的要求进行，做好过程控制。变形监测一般以每一区间为一监测单元，即从一个车站附合至另一车站。

图18-14 隧道与车站交接处沉降差异点的布设

图18-15 收敛计布设示意图

三、监测数据处理与分析

监测数据处理与分析主要包括监测基准网点的稳定性分析和地铁隧道结构形变情况分析。通常，隧道断面收敛变形情况可由收敛计读数再经相关方法计算处理得到，而水平和垂直位移则较为复杂。因此，这里主要介绍水平和垂直位移监测数据的处理和分析。

1.监测基准网点的稳定性分析

如果基准网点不稳定，所求位移即失真。因此必须对监测基准网作周期性观测，并进行稳定性分析。稳定性分析通常应用统计检验的方法，首先对监测基准网作几何图形一致性检验，以判明该网在两期观测之间是否发生了显著性变化。如果检验通过，则认为所有的网点是稳定的；否则，再用动点检验法依次寻找动点，直到通过检验为止。

2.隧道水平位移、垂直位移分析

在工程管理中，无论从结构安全还是行车安全上考虑，密切关注的是隧道相对车站的位移。所以，对隧道的水平位移和垂直位移分析应重点分析隧道相对于车站的位移，也就是变形监测点相对于工作基点的变化。

隧道变形监测点数量较多，且相邻测点之间的结构体呈现一定的刚度，如果仅仅对单一变形测点的变化进行分析，既不方便，又不能全面地反映出隧道纵向的整体沉降情况。所以，变形分析宜采取整体分析，可按隧道的上、下行线逐条或区间逐段去分析。较直观的方法是将监测的报表绘制成“监测点位移量曲线图”，即将每一期各测点的累计沉降量曲线绘制在以隧道里程（或测点）为横轴、位移量为竖轴的坐标系中，同样方法绘制“监测点位移速率曲线图”，这样便能直观地从图上看出整条隧道的沉降情况、规律和趋势。必要时还可将隧道纵向地质剖面图及隧道纵断面绘制在“监测点位移量曲线图”下方，更有利于分析隧道沉降的成因，作出正确推测。

四、变形监测实例

某市地铁1号线的西延工程，线路全长4.82km，其中地下隧道长3.93km，设有奥体中心、元通和中胜3座地下车站。西延线隧道坐落在具有高含水量、高压缩性、高灵敏性、低强度、易变形特征的软流塑淤泥粉质黏土层中，为长江漫滩，覆盖层厚度大，基岩埋设深，大部分层厚达30～40m，地质状况较差。隧道为双洞矩形，采取顺作法施工。

1.沉降监测方案

考虑到地下车站可能受隧道周边地区施工工地降水作业的影响产生沉降，因此应建立监测基准网，并选择固定基准形式。但西延线隧道周边大区域的地质不稳定，无法建立稳定可靠和长期使用的水准基点，而且地下岩层埋深大、建立基岩标难度大。水准基点利用了距离隧道3.3kkm处的国家二等水准点NT04，并在结构相对稳定的3座车站内分别布设了3个工作基点BM1、 BM2、 BM3，与NT04组成图18-16所示的监测基准网。

图18-16 西延线隧道监测基准网

隧道内的沉降监测点布设在两轨外测的道床上，按隧道结构的施工浇筑段每段设1个点，测点平均间距为24m，左、右线隧道分别布设了153个沉降测点，部分点兼用了控制基标；每座车站还设置了4对隧道与车站的差异沉降监测点。

为了减少外业观测工作量，监测基准网与隧道沉降合为一体观测，即监测基准网测量的水准路线均从隧道内的监测点通过。观测按国家一等几何水准测量的方法进行，观测技术指标参照《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》。观测频率为每月1次，共观测12期。

2.数据处理

每期观测后，首先对监测基准网进行平差，以NT04为基准，计算出BM1、 BM2、BM3的高程，然后采用平均间隙法，以当期与首期的观测作检验进行工作基点稳定性分析，若存在不稳定点，再用限差检验法以2倍中误差作为极限误差寻找不稳定点，并作高程值的修正。最后， 以隧道两侧的工作基点构成的附合水准路线平差计算每条隧道内的沉降测点高程。表18-2为前8期工作基点高程变化量统计表。工作基点BM1、 BM2和BM3分别在第3、第6和第4期沉降了-2.7mm、 -2.1mm、 -2.3 mm，说明3个车站在不同的时期发生了沉降。当检验出工作基点下沉后，在以后期作稳定性检验中，则以当期观测与该期观测作比较。

图18-17 西延线隧道累积沉降量曲线图

利用西延线隧道各期水准观测结果计算各点的沉降量，并按左、右线分别绘制“监测点沉降量曲线图”和“监测点沉降速率曲线图”，如图18-17、图18-18所示。

图18-18 西延线隧道沉降速率曲线图

表18-2 工作基点高程变化量统计表