俄罗斯圣彼得堡浅埋地铁的监测

圣彼得堡地铁通常被认为是世界上最深的地铁之一，平均埋深 60 m。车站和区间隧道深埋在不透水的密实的寒武纪黏土中，在其上部透水的第四纪地层中只埋设预定安装自动扶梯的斜隧道，以及通向车库的区间隧道支线。建造这些隧道采用最复杂的施工方法，预先冻结土壤才能开挖施工，保证采用的衬砌结构不透水。

采用对开挖面施加主动土压力的现代机械化盾构，有可能在圣彼得堡任何地层中开挖隧道，采用以连续墙为围护结构的基坑可以在其中进行多层、多跨的车站施工。

目前，与在城市中心采用深埋地铁的同时，在新的施工区段进行浅埋地铁施工。最近 20 年以来，圣彼得堡汲取世界建设地下结构的经验，推广了新的地铁结构方案、衬砌方案和施工组织方案。

地下结构新的施工方法和施工工艺，引起周围地层应力应变状态的变化，从而对施工安全、“衬砌-地层”系统的稳定性，乃至地面沉降产生影响。

1 土工监测的目的和监测内容

土工监测对计算原理的精确化、对开挖隧道的安全性产生重要作用。对每一地下建筑物提出的土工监测任务，取决于对周围环境评估的需要，土工监测是设计文件的一个组成部分。

最先在第四纪地层中开挖区间隧道，采用的是对开挖面施加主动土压力的盾构，位于“南方”—“杜纳伊斯基大街”—“光荣大街”伏龙芝半径线。这段隧道是俄罗斯地铁历史上首次采用外径 10.3 m 的双线区间隧道。对双线隧道施工产生影响的建筑物有：环形公路、铁路线路、房屋和建筑物、有轨电车线路和公路。

为了评估对施工的不利影响、及时预报危急情况以及通报“隧道-周围地层”系统的作业情况，土工监测包括以下内容。

（1）对地下结构：监测衬砌应力应变状态；监测衬砌背后空隙的填实情况；考虑现场监测结果进行结构验算。

（2）对被扰动的地层：预测开挖面前方的工程地质和水文地质情况；监测被扰动地层的深部变形，确定被扰动地层实际的变形-强度特性。

（3）对既有房屋和地面：对房屋的宏观观测和仪器监测，监测地表沉降。

2 区间隧道拼装式衬砌的量测

从衬砌拼装成环开始，量测砌块中的应变和衬砌内轮廓的变形，由此可以获得衬砌中应力应变状态最完整的概念（图 1、图 2）。

图1 双线区间隧道衬砌中的应变计布置（单位：mm）

图2 双线区间隧道衬砌外侧和内侧应变和法向力

通过量测某一隧道断面衬砌的应力值及其内轮廓的变形，便可以“最小的成本”评估其他区段隧道衬砌的承载能力。所谓“最小的成本”是指只需要量测其他区段衬砌的内轮廓变形，而不必量测衬砌的应力。然而，为了可信地确定沿线隧道衬砌的承载能力，在穿过各种地质区段的隧道衬砌中都预埋了应变计。

如果不研究隧道周围岩土的物理力学特性，就不能正确评价衬砌的承载能力。通常，用于设计计算衬砌的周围岩土的变形-强度特性是按地震波形图确定的。然而，在设计阶段采用的由勘测提供的岩土特性数据并不是总能符合实际。

重要的是控制衬砌背后空隙的注浆质量，因为每一种技术方案都有自己的注浆配方。考虑施工的速度，必须选择速凝早强的浆液，使衬砌尽早与岩土共同作用。监测衬砌背后注浆的质量采用的是超声层析法和地质雷达，在此基础上，提出修正回填注浆技术参数的建议。

隧道周围岩土可能产生的变形合在一起传播到地表。在这一阶段，有可能从数量上评估地面的变形。在设计阶段，完成对沉降槽的预测，根据土工计算结果可以将隧道周围的变形与地面变形进行比较。因此，如果确定了隧道周围被扰动地层的变形，即可判断地表变形。

3 地层变形的量测

为了确定地层变形，可以采用伸长计（图 3）。利用深部伸长计的量测可以优化选择隧道盾构施工中的工作技术参数——对开挖面施加的主动压力和向衬砌背后采用的注浆压力。

保护地面房屋和建筑物的土工监测，应该把伸长计的量测置于首位。用大地测量（指水准仪量测）监测房屋上设置的水准测点时，出现的变形往往是已经超过了房屋本身刚度之后的倾斜，因此，采取对策（例如对房屋地基采取补偿注浆）的有效性大大降低。此外，定期进行的手工量测，不能及时反映土体的松弛过程。

为了在“隧道-地层”系统的应力应变状态的控制参数接近临界值时能及时采取措施，采用实时控制的自动系统进行量测，这不仅从定量上来说是必要的，而且可以做到为减小地层变形对开挖技术进行必要的调整。

图 4 是用伸长计量测地层变形的一个实例。量测持续时间的确定，是考虑地层变形与盾构工作参数的关系，还考虑衬砌上部地层变形的传播速度。

在隧道上方，没有工程管廊，当向衬砌背后注浆的压力超过计算值，地面出现了隆起和裂缝（图 5）。与此同时查明了隧道上部厚 12 m 的土壤，实际上没有压缩，超大的注浆压力的结果立刻反映到地面上。

图3 双线区间隧道上方的钻孔以及其中的伸长计布置

基于这些研究结果，可以确定影响土体位移的主要因素，并提出修正施工技术参数的建议。

图4 在同一钻孔中的伸长计测得的土体变形

图5 衬砌背后的过高压力注浆造成地面出现的裂缝

4 对地面房屋和建筑物的量测

为了评估施工对既有房屋和建筑物的影响，采用固定的土工监测系统。宏观观测和仪器监测（裂缝计和测斜计）起了重要作用，传感器的量测是自动的，数据通过互联网远程传输。

对布设在双线隧道施工影响区内的房屋结构监测点2 年来持续量测的结果说明，裂缝张开只与温度有关，出现的裂缝宽仅为 2 mm，而且不再有进一步的扩大。在全部量测时间内累积的裂缝张开，如果不考虑温度因素，裂缝宽度不到 0.5 mm。所以，对房屋结构裂缝张开的观测未再继续进行。

5 对车站框架结构的量测

对于建在涅夫斯克—瓦西列岛地铁线西北区段，和伏龙芝半径线东南延伸线区段的浅埋车站综合体，原则上制定了新的建筑方案，无论是站厅层还是站台层，都为乘客提供了宽敞而舒适的空间。

车站空间形状的复杂性需要某种程度的简化计算，为了精确计算图式和完成可信的计算，借助了确定地下结构应力应变状态的土工监测结果。从结构建造伊始，综合采用结构中的应变和结构内轮廓变形的量测，可以形成结构应力应变状态最完整的概念。图 6 展示在浅埋车站结构横断面埋设的应变计。

新的圣彼得堡地铁车站在基坑中用逆筑法施工，这项技术算不上新颖，它早就用于房屋结构的深埋部分，但考虑到车站尺寸长 180 m、宽 40 m，以及双线隧道盾构通过车站，这项技术在今天来说，可以说是独一无二的。

立柱式车站是多跨框架结构，其特点是在同一个建筑空间里，以连续墙作为围护结构，框架结构内包含了站厅层、站台层和所有的技术用房。建造这类结构车站，从基坑周边施工连续墙开始，预定开挖双线隧道的盾构将穿过端部的连续墙，端部墙体用混合材料制成，使盾构刀盘易于切割通过。

在完成连续墙、桩-柱结构、盾构穿过车站后，进行基坑挖土，建造承载结构。

图 7 表示板的一个节点的内力形成图，由此可以看出从顶部到底部开挖土方、建造结构的各个阶段。

6 土工监测的其他任务

土工监测除了研究车站结构应力应变状态的任务外，还包括下列任务。

（1）对地下结构：控制连续墙的施工质量，用倾斜计监测连续墙的位移，根据现场研究结果进行验算。

（2）对被扰动的土体：确定静水压力，借助钻孔中的倾斜计和伸长计监控深部土壤变形。

（3）对既有建筑物和地面：宏观观测和仪器量测监控地表和房屋沉降。

每项土工监测任务是独立进行的，但它们又是互补的。在对监测结果进行诠释和分析时，排除可能的错误概率。

“衬砌-土体”应力应变状态的研究在土工监测中完成，成为验算和修正施工技术的基础，这也是减小施工风险和运营风险的重要因素。今天所得到的浅埋地铁施工经验证明，违反技术规则的结果会瞬时反映到地面。因此，在进行类似工程的设计和施工时必须充分考虑施工经验。

监测结果对于证实与否定施工对现有房屋建筑物的影响发挥重要作用，进而排除了关于地铁施工对房屋等建筑物影响判断中的无端猜测。

图6 浅埋车站承载结构的应变计布置（单位：mm）

图7 板结构混凝土受压、受拉侧的应变和法向力

7 结束语

土工监测应成为设计文件的一个组成部分，并在施工中与施工计划一起得到切实执行，这应成为现代施工企业践行“科学施工”的自觉要求，因为它与提高施工质量、规避风险、保证施工安全有关，它与提高施工企业的竞争力、占领和角逐市场有关。凡是有远见的、不甘心原地踏步的施工企业都会关注这一方面。

“以最小的成本”评估区间隧道拼装式衬砌环的承载能力是一个很巧妙的思路，简单易行，成本极低。盾构开挖区间隧道，利用“地层损失量”估算“地面沉降量”，不失为便捷易行的初估方法，并可作为及时调整盾构工作参数的重要参考。以桩墙（或连续墙）作围护结构的基坑，且以逆筑法修建（多跨、多层）车站框架结构的方法，被认为虽不新颖、但称得上是“适得其所”的施工方法。

[1] М. О. Лeбeдeв，Р. И. Ларионов，Г. Д. Егоров，иgp.Гeотeхничeский мониторинг при строитльствe санктпeтeрбyрского мeтрополитeна на малых глyбинах[J].Мeтро и Тоннeли，2016（6）：19-23.