[分享]静力水准监测手段在地铁工程中的应用

引言
  目前各大城市随着现代化进程均在进行城市地下轨道交通施工，而近几年城市建设大规模进行，在施工中城市地铁工程与既有建构筑物、既有地铁线路、既有铁路线路等既有结构的交叉影响较多，同时部分换乘车站及交通枢纽基坑工程已开始向超大超深方向发展，一些地铁车站交通枢纽工程开挖深度已达30，40ｍ及以上。

  在与既有结构交叉影响及超大超深基坑工程中，监测工作作为工程实施期的安全保障为工程的安全进行提供了有效的数据支撑。目前工程监测对监测的精度、实时性的要求越来越高，但面对日益复杂的工作环境及高标准要求，由于现场作业条件复杂、周边环境影响因素较多等原因，常规光学水准监测手段受到不利情况制约无法满足现场监测要求。这就使得近几年自动化监测设备、系统逐步进入监测工作，成为有效的监测手段。

  静力水准监测系统为自动化监测设备中的一种，此套设备主要用于垂直变形观测。早期静力水准监测系统出现之初，主要应用于水利工程中大坝坝体变形观测，近几年逐步进入地铁监测领域。本文结合深基坑工程中间柱隆沉监测及地铁区间盾构下穿既有铁路监测项目来阐述静力水准自动化监测设备在地铁工程中的成功运用。
１ 监测方法概述

  静力水准远程自动化监测技术具有数据采集自动化、实时监测、远程控制、防电及防干扰能力强、测量精度高等常规监测技术无法比拟的特点及优点。静力水准仪器结构如图 １所示。

  仪器由主体容器、连通管和电容传感器等部分组成。当仪器主体安装墩发生高程变化时，使得静力水准仪结构液面发生变化，引起装有中间极的浮子与固定在容器顶的一组电容极板间的相对位置发生变化，通过测量装置测出电容比的变化即可计算出测点的相对沉陷。此系统的测试原理见图２。

  该方法及所选用的仪器依据连通管原理的方法，用电容传感器测量每个测点容器内液面的相对变化，再通过计算求得各点相对于基点的相对沉陷量。

２ 工程实例

２．１ 深基坑工程中间结构柱隆沉观测

   某交通枢纽工程基坑长约264ｍ，宽73～105ｍ，占地面积约23500㎡，为地下3层，总建筑面积约70000㎡。地下结构埋深约23ｍ，基坑长边围护结构采用地下连续墙，墙深42～53ｍ，墙厚1.2ｍ。结构地下1层层高7ｍ，主要为铁路地下进出站厅，地下层高6.5ｍ，主要为铁路与地铁1，2号线换乘层，地下 3层,层高6.7ｍ，主要为地铁2，3号线乘车层，结构顶板上覆土约2ｍ。采用盖挖逆作法施工，桩上设205根φ1000ｍｍ、δ18～22ｍｍ钢管柱作为竖向支承结构，柱内灌Ｃ50自密实混凝土，同时考虑施工期间的荷载很大，增加48根φ800ｍｍ、δ16ｍｍ空心钢管柱补充竖向支承能力。静力水准布设位置示意图见图3

  由于此基坑面积大、开挖深，在基坑内土方开挖过程中如果控制不力，土体卸荷导致的基底回弹及中柱上抬会十分明显甚至可能危害整个结构的安全，为了能够实时掌握基坑中间柱的变化趋势，采用了静力水准自动化系统。该系统的高精度和实时监控使得其在投入使用后迅速发挥了作用，在较短时间初步了解了中间柱隆起的早期情况。从中间柱隆起的发展趋势看，负2层和负3层的陆续开挖，对中柱的隆起影响很大，中间柱表现出更为明显的隆起。以测点 Ｚ71（Ｃ轴与30轴的相交位置，简写为30Ｃ位置）为例，其隆起时程如图4所示。

  测点 Ｚ７１的隆起大体可分为3个阶段：

  １）阶段 １。2007年9月19日到2007年9月27日，该阶段累计隆起10ｍｍ左右，主要是由于负2层的开挖引起。2）阶段2。2008年 2月到2008年6月26日，该阶段为负3层开挖引起的隆起急剧增加阶段，累计隆起15ｍｍ左右。3）阶段３。2009年 1月8日到2009年5月，该阶段累计隆起5ｍｍ左右。
  2008年3月底，28～32轴继续挖深至设计标高。静力水准监测到的柱最大的累计隆起值为17.77ｍｍ（Ｚ160 位 于33Ｅ），Ｚ71的隆起值为16.045ｍｍ，隆起值较大，接近 20ｍｍ，且从变化曲线上看，无收敛的趋势。因此，建议施工单位在开挖至设计标高为28～32轴尽快完成垫层的施作，并及时施作负３层层板。同时，必要时减缓基坑负３层土方的开挖速率，以此来抑制中间柱的隆起，保证主体结构的安全。

  从2008年3月26日的负3层土方开挖情况（见图5）可以明显看出，隆起值较大的区域与开挖较深的区域基本重合，负3层开挖对桩柱的隆起影响较大。以隆起值较大的 Ｚ160（33Ｅ）为例，其历时曲线如图6所示。

  Ｚ160（33Ｅ）的历时曲线与 Ｚ71（30Ｃ）基本类似，负2层开挖引起的隆起值在10ｍｍ左右，从2008年2月开始，负3层开挖引起隆起持续增加，负3层开挖引起的累计值在15ｍｍ左右，在2008年5月8日以后，由于负３层底板的施作，累计隆起值基本维持在 25ｍｍ左右。
  在负3层开挖期间，几个超过20ｍｍ的测点变化历时曲线如图7和图8所示。

  由施工期间的实时监测数据可知，基坑中间柱产生较大隆起量主要在各层土方开挖阶段，而其余施工工序整体上对中间柱隆起影响较小。而在此过程中，静力水准自动化监测系统对基坑中间柱的隆沉数据采集了大量的数据，通过分析所采集的数据并结合施工工序对中间柱隆沉的原因进行了总结，使得施工方能够及时调整施工工序，控制结构变形，保证施工安全。此基坑为超深超大基坑，在基坑内土方开挖过程中间柱收到土方开挖卸荷及地下水压力作用必然会产生较大的隆起趋势，必须在施工过程严格监测以观察其变化趋势为调整施工步序提供数据支持。但由于基坑采用盖挖法施工，且施工环境较为复杂，采用常规监测手段无法保证监测数据的及时性、连续性，因此在工程中运用了静力水准自动化系统进行中间柱隆沉观测，以达到实时监测的目的。

２．２ 盾构区间下穿既有铁路工程

  某城市地铁盾构区间下穿城际高铁线路采用自动化监测作业。在此工程中，盾构共计穿越 ４股轨道，其中包括既有普速线上下行以及既有高铁路线上下行。监测项目主要采取静力水准自动化监测系统进行实时监测。埋设示意图如图9所示。

  铁路路基监测项目共计布设静力水准44个，其中既有普速铁路两侧测点为右线推进之前新增测点。静力水准监测数据从2011年4月6日盾构左线接近铁路开始至2011年10月25日盾构右线拖出铁路影响范围近4个月且监测数据稳定结束。

  在盾构推进过程中，铁路路基实际变化趋势如图10—12所示。

  在盾构掘进过程中，铁路路基表现出相应的沉降趋势，但沉降量均在控制范围之内，最大累计沉降值 ＜10ｍｍ，满足铁路运行要求。

  由数据统计及历时曲线图可知，在盾构穿越前期，刀盘位置接近铁路之后，受土体挤压以及注浆等因素影响，铁路路基出现了较小程度的隆起趋势；而在盾构穿越之后，监测测点显示盾构后方存在一定时期的后期沉降趋势。

  在左线盾构穿越之后，铁路路基后期沉降值均在 －５ｍｍ之下，且后期沉降时间相对较短，主要是由于施工方在此范围内进行了多次注浆以及补浆工作，这在一定程度上抑制了土体扰动路基持续下沉的趋势。由路基沉降历时曲线可知，铁路路基沉降量与盾构中线的位置关系有着较大的联系。沉降较大的测点主要在２个轴线附近以及之间，主要因为两轴线均在相互影响范围之内。虽然左右轴线掘进相隔一定时间，但在盾构掘进过程中，轴线附近土体存在二次扰动问题，故此范围内测点沉降趋势较大，而相应的 ２个轴线两侧测点变化量相对较小，在历时曲线图上则表现为曲线分离的现象。在此工程中，静力水准监测系统很好地解决了高铁线路白天无天窗点无法进行常规人工监测的难题，在地铁盾构穿越高铁线路时实现了 24ｈ不间断监测，保证了在地铁盾构区间施工过程中高铁线路的不间断安全运营。

３ 体会

  通过对工程实例中的大量数据对比统计，可知静力水准自动化监测系统完全能够满足地铁施工监测要求。１）由于可以进行实时测量、采集数据，监测频率可以调整至１次／ｈ甚至１ｈ若干次，故能够采集大量的数据与施工工况对应分析，充分掌握各时间段施工对环境及结构自身的影响程度，更深入掌握施工过程中监测对象的变形规律，从而能够合理调整施工工艺、工序，采取措施保证施工安全；２）对既有铁路、高铁等不具备常规监测项目实施的特殊环境，在设备安装之后可以自动完成现场监测任务，而不需要过多进行人工干预，在确保安全的同时做到信息化施工。

  虽然静力水准自动化监测系统有以上成功的工程经验，但在后期仍需通过广大的工程实例来总结经验解决如下问题：１）进行铁路设施监测时如何避免列车通过时的震动影响；２）由于监测设备中使用的介质为纯净水，需要继续了解其是否受到热胀冷缩、蒸发等因素的影响从而导致较大的测量误差。