新建工程穿越既有地铁设施监测技术方法综述
牛晓凯1,3，徐祯祥2，崔晓青1
（1.北京市市政工程研究院，北京 100037；2.中国铁道科学研究院，北京 100081；3.北京交通大学，北京 100044）
摘 要：随着城市建设进一步发展及城市轨道交通线路网络逐渐加密，新建工程穿越既有地铁设施的案例将大量涌现，为保证既有地铁设施的结构及运营安全，目前在穿越施工过程中普遍会对既有地铁设施进行专项安全监测。由于每个新建工程的施工工艺、穿越方式、穿越距离及工程环境等均有所不同，相应的对既有地铁设施的监测方法也不尽相同，故对穿越施工影响下既有地铁设施的监测技术进行总结阐述，为今后类似工程提供借鉴。
关键词：穿越施工；既有地铁设施；监测
中图分类号：U456.3 文献标志码：B 文章编号：1009-7767（2014）02-0017-05
随着国民经济的迅猛发展和城市现代化进程的不断向前推进，城市地铁的修建正在进入一个前所未有的发展时期。而由于地铁运营方式的网络化，使得新建工程穿越既有地铁设施的问题应运而生，图1所示北京地铁5号线穿越既有2号线即为国内较早的典型穿越工程。
在穿越施工的过程中，必然会对正在运营的地铁轨道或者隧道结构产生一定的影响[1-2]，而相关监测数值一旦超过规范的要求就可能对既有地铁线路营运的安全造成影响。因此，在新建工程穿越既有地铁设施的过程中，如何制定科学合理的监测方案就显得至关重要。它不仅要能准确得出当前施工阶段的地层和既有地铁设施的变形值，还应能通过对数据的分析处理反映下一阶段地层的变形规律和既有地铁设施的变形特征，从而为设计和施工提供数据支持，为探究既有地铁设施、土体、新建隧道三者之间的相互作用机理奠定基础。
1 新建工程穿越既有地铁设施相互作用机理
新建工程在穿越施工过程中与既有地铁设施之间存在着复杂的动态相互作用，这一作用以隧道穿越地段的地层土体为介质来实现，其核心在于土体与隧道结构之间的动态作用问题。既有地铁设施、土体、新建工程构成了一个多因素影响的多元结构体系，彼此之间伴随着施工活动的发展始终存在着对立、运动、联系与转化。这一动态多元结构体系的特点主要表现在：
1）新建工程的每一个施工步骤都会牵动周围土体发生一定的变形，而土体的变形又会导致其与既有地铁结构之间接触状态的变化；同样，既有地铁设施的运营会使既有结构长时间承受动荷载的作用，这一荷载会对其周边的土体产生一定的扰动，从而影响新建工程的受力状态。
2）既有地铁设施、土体、新建工程形成了一种动态的相互作用机制，而且时刻处于变化和“运动”状态。它们通过彼此间内力和变形的相互协调，在工程中寻求相应的平衡。
那么，如何在这一动态过程中找到一个平衡点，使得它既能保证新建工程的安全穿越，又能保证既有地铁设施的安全运营就变得至关重要。而一个良好的监测方案，它必须能很好地反应这一动态过程，从而为施工和运营提供反馈，保证既有地铁设施的运营安全。
2 新建工程穿越既有地铁设施的监控量测
2.1 既有地铁设施结构特点
既有地铁设施的结构特点主要可从变形缝和道床形式的差异两方面总结：
1）地铁设施无论是区间隧道还是地铁车站，虽然结构本身有很强的刚度，但是由于被穿越区段变形缝的存在，便会使得既有结构本身在强度和刚度上存在差异，从而使变形缝两侧表现出不同的变形特征，因此变形缝就成为整个监测方案的重点。杨祝华[3]曾提出监测布点应以结构变形缝为重要监测对象，在变形缝两侧布置静力水准仪监测变形缝两侧沉降变形，在变形缝两侧沿水平方向布置测缝计，监测变形缝张开度。
2）由于地铁道床形式多样，使得铁轨的变形与隧道结构的变形也不完全相同。张成平等[4]就曾通过现场实测资料的汇总分析得出既有地铁设施的道床在穿越过程中表现为明显的柔性，沉降曲线呈非线性的特性。在这种情况下如果道床与隧道结构间连接微弱或无连接，就有可能使局部发生两者脱开的现象，从而对地铁的运营安全增添更多不确定的因素。
2.2 主要监测项目的确定
新建工程穿越既有地铁设施时，对既有地铁结构造成的影响主要包括隧道结构的沉降、弯曲和扭曲变形，新裂缝的出现及开展，变形缝的错动等。而当既有结构变形严重时，甚至可能会引起隧道结构与道床的剥离、轨道设备几何形位的改变（如轨道水平、轨道纵坡、直线轨向的改变），使行车平顺性变差，造成冲击、摇晃等现象的出现，对列车的运营安全造成重大威胁。因此，穿越期间的主要监测项目要能正确反映和预防上述变形的出现，从而保证运营安全。
在新建工程穿越期间，既有地铁设施主要监测对象由既有地铁设施的主体结构的变位及裂缝开展和运营线路的几何状态改变两部分构成，相应的主要监测项目有如下内容：
1）隧道或车站结构沉降、变形缝差异沉降监测；
2）道床沉降监测；
3）轨道横向高差变化监测；
4）隧道或车站结构水平位移监测；
5）变形缝开合度监测；
6）轨距和支距变化监测；
7）尖轨与基本轨差异沉降监测。
2.3 测点选取的基本原则
测点选取的基本原则主要是从新建工程穿越既有地铁设施的影响范围和影响程度两部分来考虑的。
新建工程穿越既有地铁设施的影响范围目前主要是依靠太沙基理论来确定的，即从隧道外轮廓向其两侧地表引45°的范围线，该范围即为穿越工程对既有地铁设施的主要纵向影响范围，而主要监测项目的测点就应该布置在这个区域。
新建工程穿越既有地铁设施的影响程度主要是依靠工程类比法来确定的，根据经验，对于影响程度大的区域集中重点监测，增加测点，提高监测频率。
但是，由于地铁结构形式复杂多样，新建工程的施工工法不尽相同，穿越阶段结构与土体之间存在着动态的相互作用关系等因素，使得单纯依靠工程类比法很难制定准确合理的监测方案。近些年来，为了优化监测方案并确定监测重点，数值模拟方法的应用越来越多。它主要是利用有限元软件或有限差分软件，选用合理的本构模型和模型参数，对新建工程穿越既有地铁设施的施工过程进行三维数值模拟，得到施工过程中既有地铁设施变形形式、变形程度和主要变形区域，从而可以为制定和优化监测方案提供依据。例如，北京地铁5号线崇文门站下穿既有环线施工时，采用FLAC3D三维有限差分程序进行模拟、分析和预测，得出下穿施工时既有地铁设施的变形以沉降为主，特别是变形缝处的沉降和差异沉降应该重点监测的结论[4]，从而为监测方案的制定和优化提供了很好的数据和理论支持。
3 新建工程穿越既有地铁设施监测技术要点
3.1 测点布置
由于既有地铁设施始终处于运营状态，传统的监测技术既无法满足在高密度的行车区间内实施作业，也不能满足对大量数据采集分析并及时准确地反馈的要求，因此最近几年的监测一般采用自动化监测和人工监测相结合的方法进行，其中自动化监测系统提供全过程实时监测数据，人工监测系统对其进行较核与比对。
正是由于两种监测系统的存在，使得对于测点的布置提出了更高的要求。人工监测系统要求测点必须要有足够的布置密度和监测频率，自动化监测系统要求测点必须能满足运营期间隧道建筑限界的要求，且能规避地铁列车运营对仪器和结构的扰动，保证监测数据有足够的精度。因此，在布设测点时，必须在参照相关规范[5]、综合考虑两种监测方法各自特点的基础上进行，做到疏密得当，层次分明。
3.2 测点埋设方法
运营隧道的测点一般包括基准点和观测点。基准点应埋设在对新建工程下穿影响范围以外的稳定区域；观测点由于在运营线路内布置，必须做到牢固稳定。另外由于已有隧道内壁一般布置有各种电缆和管线，布点时应在保证隧道净空基础上，尽量避开各种管线，从而选取合适的观测点位。
3.3 测点监测频率与监测设备确定
北京市地方标准[6]中，在环境安全分级中，将下穿既有地铁设施（含铁路）的新建工程定为特级环境安全风险，将上穿既有轨道线路的新建工程定为一级环境安全风险。这就对监控量测的实施提出了较高的要求，一般情况下对比较重要的监测项目采用24h自动化监测，其余项目采用人工观测形式。具体可见表1。
表1 主要监测项目汇总表
| 监测项目 |
监测类型 |
监测仪器 |
备注 |
| 隧道（或车站）结构沉降 |
自动化监测 |
静力水准仪 |
辅以精密水准仪人工监测 |
| 变形缝差异沉降 |
自动化监测 |
静力水准仪 |
辅以精密水准仪人工监测 |
| 道床沉降 |
自动化监测 |
静力水准仪 |
辅以精密水准仪人工监测 |
| 轨道横向高差 |
自动化监测 |
梁式倾斜仪 |
辅以精密水准仪人工监测 |
| 尖轨与基本轨差异沉降 |
自动化监测 |
变位计 |
存在道岔时监测 |
| 隧道（或车站）结构水平位移 |
人工监测 |
全站仪 |
|
| 变形缝开合度 |
人工监测 |
游标卡尺 |
亦可采用测缝计自动化监测 |
| 轨距和支距变化 |
人工监测 |
轨道尺 |
亦可采用位移计自动化监测 |
各监测项目的监测频率根据穿越工程的具体情况会有所差异，一般情况下人工监测在穿越施工期间每天1次，基本稳定后每周1次，稳定后每月1次；自动化监测系统在施工关键期30min/次，一般施工状态2h/次[7]。
4 新建工程穿越既有地铁设施监测分析及反馈
对于现场监测数据的管理，应按三级控制标准进行操作，即预警值、报警值和控制值（其中预警值、报警值分别取控制值的70%，80%）。在施工过程中，通过分析获得的监测数据就能及时掌握穿越过程中既有地铁设施的变形情况，一旦现场监测数据达到相应级别，就应立即通知相关部门，加强监测频率，启动应急预案，从而避免隧道恶性事件的发生，保证既有地铁设施的运营安全。
同时，由于数据存在离散性，单纯的监测数据很难反映隧道变形的时空状况，因此及时分析处理就显得十分必要。对监测数据的分析处理，主要是通过绘制各种图表，掌握施工过程中既有地铁设施各部位的历时或空间变形情况，从而将其反馈给设计和施工，为设计提供更符合实际情况的参数，检验施工效果，调整施工工艺，实现信息化施工。例如，胡群芳等[8]通过对盾构穿越已运营隧道8种工况下监测数据的分析，不但评价了盾构穿越既有地铁设施的总体施工方案的优劣，而且总结得出了穿越阶段土体变形的大致变形规律，从而为调整盾构姿态，优化施工参数提供了很好的数据支持。
5 工程实例
5.1 工程概况
新建北京市南水北调东干渠工程输水隧洞外径6m、内径4.6m，采用盾构法施工。工程所处地层主要由第四系冲洪积（al-plQ4）砂土、黏性土及卵石地层组成。新建隧道所处地层以粉质黏土为主。新建隧道在里程K22+760.337处穿越既有地铁 6号线盾构区间，二者交角90°21′57″，穿越处新建隧道顶部覆土厚度约为23.8m，对应6 号线区间隧道顶部覆土厚度约为9.6m，两结构间净距为8.15m，位置关系见图2。
5.2 监测项目及测点布置
1）监测项目
为保证既有地铁6号线在穿越施工过程中的运营安全，考虑地铁运行情况及专家建议，对既有地铁6号线采用了自动化监测及人工监测相互配合的监测手段。主要监测项目包括：隧道结构沉降、道床沉降、土体深层沉降、轨道横向高差、尖轨与基本轨差异沉降、轨道几何形位检查等。
2）监测范围
该项目选取的监测范围为新建隧道穿越中心线两侧30m范围内，其中监测重点为穿越中心线两侧10m范围内。
3）测点布置
主要监测项目的测点布置见图3、4。
4）监测控制值
根据评估单位及设计文件要求，隧道结构沉降控制值为3mm，相应的预警值、报警值分别为2.1mm、2.4mm。
5）监测成果
以隧道结构沉降自动化监测为例，通过隧道结构沉降自动化监测历时曲线（见图5）可看出，在整个穿越过程中，隧道结构有一定的沉降趋势，但沉降曲线无明显异常变化，最终产生的隧道结构最大沉降不足1.8mm，未达到监测预警值的要求，穿越期间的既有地铁结构运营安全正常。
6 结论及建议
通过对新建工程穿越既有地铁设施监测技术方法的研究，笔者认为：
1）对于上述地铁穿越工程，鉴于其处在一个十分复杂的三维动态力学体系之中，为确保整体工程的安全，必须具有合理的专项监控量测设计和严格的反馈程序，并且必须在整个施工过程中认真实施。
2）穿越期间应重视对既有地铁设施的结构特点分析，它可以大大提高监测成果的可靠性。
3）应根据现场具体条件，有针对性地选择自动化监测与人工监测两种监测方法和仪器设备，做到疏密得当，层次分明。
4）既有地铁设施监测过程中将获取大量数据，对异常数据的筛除、分析，提高监测数据成果的可靠性等工作需要进一步加强。
参考文献：
[1] 孙钧,刘洪洲.交叠隧道盾构法施工土体变形的三维数值模拟[J].同济大学学报：自然科学版，2002,22(4):379–385.
[2] 邵华,张子新.盾构近距离穿越施工对已运营隧道的扰动影响分析[J].岩土力学,2004,25(S):545–549.
[3] 杨祝华.地铁变形监测[J]．西部探矿工程,2006(4)：165–166．
[4] 张成平,张顶立,骆建军,等.地铁车站下穿既有线隧道施工中的远程监测系统[J]. 岩土力学,2009,30 (6):1861–1866.
[5]建设综合勘察研究设计院．JGJ 8-2007建筑变形测量规程[S]．北京：中国建筑工业出版社，2008．
[6]北京市轨道交通建设管理有限公司．DB11/490-2007地铁工程监控量测技术规程[S]．北京：北京市轨道交通建设管理有限公司，2007.
[7] 金淮, 吴锋波, 马雪梅,等.隧道下穿地铁拟换乘车站施工监测与安全分析[J].工程地质学报，2009,17（5）：703-710
[8] 胡群芳,黄宏伟.盾构下穿越已运营隧道施工监测与技术分析[J].岩土工程学报,2006,28（1）：42-47
收稿日期：2013-11-22
作者简介：牛晓凯，男，高级工程师，在读博士，主要从事隧道及地下工程的监测及安全风险评估管理工作。
注：本文刊载于《市政技术》2014年第2期，第17页至第21页。