大型基坑施工对邻近地铁隧道沉降的影响

王 成，黄 腾，沈月千，欧 乐

（1.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210098；2.92292部队，山东 青岛 266400）

随着我国经济的快速发展，越来越多的大型建筑物紧邻地铁运行区间开工建设，由于大型建筑物基坑的开挖会引起坑内土体的回弹［1］，破坏了邻近地铁隧道结构整体的平衡性，从而引起地铁隧道结构的沉降变形，而高速运行的地铁车辆对于轨道的平顺度要求非常高，这对地铁的安全运行产生了一定的影响。如何保护运营期地铁隧道不受邻近隧道的基坑开挖影响成为当前的研究热点［2］。本文结合南京地铁一号线新模范马路车站附近大型基坑施工过程中的地铁隧道变形监测实例，对整个基坑施工期间地铁隧道的沉降进行监测，分析大型基坑开挖对地铁隧道的影响。

1 工程实例

1.1 基坑工程概况

基坑施工场地位于南京市中央北路和新模范马路交汇处，场地东侧为运营中的地铁一号线玄武门站至新模范马路站（含）区间西侧，其边线对应地铁里程大概为K12＋368～K12＋448，长度约为80m。车站主体距基坑外边线约8.9～13.6m；区间距基坑外边线约11.6～12.4m。工程由塔楼、裙楼及地下室组成，地下室3层，靠地铁侧两层。基坑规模：基坑面积约13 763.1m2，周长约489.3m；基坑开挖深度：本工程场地自然地面平均标高－0.8～－0.4m，基坑底标高分别为－12.20～－18.35m，基坑开挖深度为11.70～17.95m。基坑与地铁结构平面位置关系见图1。

图1 基坑与地铁结构平面位置关系

1.2 监测控制网的布设

监测控制网是隧道沉降监测的参考系，根据相关规范［3］（以下简称规范），监测控制网按Ⅱ等垂直位移监测控制网的技术要求进行布设，沿着地铁隧道的方向布设成闭合水准路线进行观测。为了尽量减轻基坑施工对工作基点的影响，将其布设在远离变形区80～120m外。在地铁隧道上下行线中共布设8个工作基点（见图2），其中JX1、JX2、JX3、JX4为下行线的工作基点，JS1、JS2、JS3、JS4为上行线的工作基点。采用独立高程系统，JS1点高程为起算点。

图2 控制网布设示意图

1.3 沉降监测点的布设

沉降监测点执行Ⅱ等垂直位移监测网的技术要求，布设成附和水准路线进行观测。沉降监测点布设在地铁轨道中间，靠近基坑施工区域每隔10m布设一个监测点，远离基坑施工区域每隔20m布设一个监测点，在隧道与地铁车站交接缝两侧约1m处的道床上布设一对差异沉降监测点。监测范围为项目建设基坑边线对应的地铁线路里程区域及沿线路方向前后外放60m，即监测范围为K12＋308～K12＋508，长度约200m，上下行线共布设32个监测点。X1～X15为下行线水准监测点；S1～S15为上行线水准监测点；S7－1和X7－1分别为上下行的差异沉降点。监测点的布设示意图如图3所示。

图3 监测点布设示意图

1.4 数据监测频率和技术指标

由于基坑施工是一个连续的过程，地铁隧道受其施工影响发生的结构变化也是连续的，所以必须对隧道变形进行连续监测［2］。根据《建筑基坑工程监测技术规范》［4］的有关规定，结合工程实际和设计要求，地铁沉降监测的频率应根据基坑施工动态作出合理的调整，实时掌握地铁在基坑施工过程中隧道的沉降变形情况，保证地铁的安全运行。沉降监测分为4个频率：临近地铁侧的连墙施工期，监测频率为1次/4d；降水土方开至底板完成施工期，1次/d；地下室主体施工期，1次/d；跟踪期6个月，1次/10d。水准网的观测仪器采用天宝电子水准仪Trimble DINI03，数据处理采用COSA系统进行解算。沉降监测及控制网的主要技术指标如表1、表2所示，表中n为测站数。

表1 沉降监测的主要技术指标

表2 沉降监测控制网的主要技术要求 mm

2 数据处理与分析

2.1 监测基准点的稳定性分析

监测点的沉降变形是相对于监测基准点的，如果基准点不稳定，所求的垂直位移就是失真的［5］，因此，工作基点的稳定性非常重要，应根据隧道的地质条件和车站结构的稳定状况定期检验基准点的稳定性。基准点的稳定性分析通常采用平均间隙法［6］，其基本原理如下：

假设对监测基准网第j期和第1期作检验，首先，将这2期观测数据按同一基准分别平差后，求得两期监测点位移d及其协因数阵Qd，由垂直位移及协因数阵有

式中，fd为独立d的个数。

由两期观测的单位权方差估值可求得综合方差估值为

式中：V为观测值改正数列矩阵，P为观测值改正数权矩阵，f为第1期和第j期多余观测总数，构成统计量

假定两次观测期间监测点没有发生沉降，则统计量F服从自由度为fd和f的F［7］分布，即

当统计量F＜F1－α（fd，f）则接受原假设，即认为监测点是稳定的，其高程变化是由观测误差引起的；反之，则拒绝原假设，即认为监测点是不稳定的。表3为各期高程变化量统计。

表3 各期高程变化量统计 mm

根据《规范》规定，工作基点的极限误差为±1mm，各工作基点的高程变化量均在限差之内，监测控制网采用平均间隙法进行稳定性评判，网形稳定，可以作为保护区垂直位移监测基准。

2.2 隧道沉降分析

根据沉降监测数据对地铁运行做出险情预报是一个非常重要的技术指标，关系着地铁的安全运行，应根据沉降监测的具体情况，综合考虑各种实际因素，合理分析数据，在沉降监测数据的基础上及时作出判断。根据相关规范要求，地铁隧道累计的沉降分为报警值和警戒值，报警值为±3.3mm，警戒值为±6.7mm；且沉降速率≤0.5mm/d。当隧道沉降超出警戒值后，及时书面或电话通知有关单位，以便及时采取措施，排除险情，并通过跟踪监测来检验处理后效果，确保地铁结构安全。为了形象直观地表现地铁隧道沉降的情况和沉降趋势，在数据平差处理后，绘制各测点的沉降量曲线图（以时间轴为横轴，沉降量为纵轴）。在本文中，为了分析的方便，在上下行线中各取4个监测点的沉降数据，画出沉降量曲线。图4为下行线的沉降量曲线，图5为上行线的沉降量曲线。

图4 下行线沉降量曲线

图5 上行线沉降量曲线

通过分析图4、图5的沉降曲线可知：

1）在整个基坑开挖工程中，地铁隧道的沉降整体比较稳定，上下行线表现出类似的沉降规律，呈现下沉趋势，最大的沉降量为3.1mm，小于地铁沉降的报警值（±3.3mm），满足地铁安全运行的要求。

2）由于基坑开挖引起坑内土体的回弹［1］，破坏了邻近地铁隧道结构整体的平衡性，从而导致地铁隧道整体往下沉降。由图2可知下行线更靠近项目基坑，导致上下行线沉降量的差异，上行线整体的沉降量略大于下行线。上行线平均沉降量为1.2mm，最大沉降量为3.1mm；下行线平均沉降量为0.8mm，最大沉降量为2.6mm。

3）地铁隧道沉降整体呈现出两头沉降量小中间沉降量大的凹槽趋势，沉降量较大出现在3～13号测点之间，由图3可知3～13号测点正对应着项目基坑，由此说明项目基坑对地铁隧道沉降的影响与隧道离基坑的距离成正相关关系，离基坑越近，沉降量越大；离基坑越远，沉降量越小。

3 结 论

1）经过对上下行线32个水准点的沉降观测可知，基坑施工虽然对地铁隧道的结构产生影响，引起地铁隧道的沉降，但是引起的沉降量小于地铁隧道沉降的报警值，满足地铁安全运行的要求。

2）绘制监测点垂直位移变化图，可直观、全面地展示和分析地铁隧道的整体沉降情况以及沉降趋势，为项目施工部门和地铁管理部门做出正确决策提供了依据。

3）在基坑施工期间，为了保证地铁的安全运行，应对地铁的沉降变形进行全程监测。通过对地铁隧道的监测，掌握基坑施工过程中对既有地铁工程结构引起的变化，为建设方及地铁相关方提供及时、可靠的数据和信息，评定施工对既有地铁工程结构的影响，及时判断既有地铁工程的结构安全，对可能发生的事故提供及时、准确的预报，避免恶性事故的发生。

［1］陈长江.基坑开挖引起下卧地铁区间隧道上浮控制研究［J］.城市轨道交通研究，2009（9）：52－55.

［2］张其云，郑宜枫.运营中地铁隧道变形的动态监测方法［J］.城市道桥与防洪，2005（4）：87－91.

［3］北京市规划委员会.GB50308－2008城市轨道交通工程测量规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［4］山东省建设厅.GB 50497－2009建筑基坑工程监测技术规范［S］.北京：中国计划出版社，2009.

［5］黄腾，孙景领，陶建岳，等.地铁隧道结构沉降监测及分析［J］.东南大学学报：自然科学版，2006，36（2）：262－266.

［6］王成余，马建良.沉降观测监测网的稳定性分析［J］.测绘通报，2010（12）：51－53.

［7］李庆海，陶本藻.概率测量原理和在测量中的应用［M］.北京：测绘出版社，1980：48－50.