上海地铁监护实践万芳

上海地铁监护实践

摘 要 自1995年地铁1号线开通以来，在地铁安全保护区内实施了数以百计的新建、改建和扩建工程及市政工程项目，工程距离地铁近，施工难度和施工耳险较大。地铁监护任务是对地铁安全保护区内工程实施全过程的监控，以保障地铁运营安全，简要介绍上海地铁监护情况。 关键词 地铁结构 变形 开裂 漏水 自动化 测量 监护 1 引 言 上海地铁1号线投入运营已超过8年，南段部分已经超过10年。目前上海地铁已投入运营的线路有三条，运营里程达到65km计48个车站。在进行地铁线路规划和选线时，考虑到吸引客流、方便乘客等因素，地铁线路一般通过市区繁华的商业街道和居住区，在靠近交通繁忙的路口设立站点。在地铁投入运营后，又进一步带动和促进了地铁沿线各类工程开发。目前，三条线累计日均客流量已超过一百多万人次，最大日客流量已达到179万人次，早晚高峰时段一辆6节编组的列车运载乘客已超过2 000队。与此同时，为保障地铁安全正常运行，地铁运营单位的责任也越来越大。 由于市区土地资源宝贵，地铁安全保护区内的建设项目越来越向“深、大、近”方向发展，施工带来的风险也越来越大。许多新建、改建和扩建工程工距离地铁非常近，如M8线人民广场站与1号线车站共用地下围护结构，4号线地下三层的上海体育馆站从1号线地下二层车站的底板下方穿过，4号线地下三层的张杨路站紧靠2号线地下二层的东方路站，位于1号线隧道上方的M8线淮海路北风井挖土9m深的卸载施工，M8线地下二层的虹口足球场站的围护结构紧靠3号线两桥基础，4号线区间隧道多次紧靠穿越3号线高架桥基础，4号线隧道下穿2号线隧道等，紧邻地铁线路施工的工程不胜枚举。许多大型深基坑距离地铁仅有3米左右，开挖深度超过20多米。大面积的隧道上部卸载，大管径管道从地铁结构的上下方近距离通过，施工难度和施工风险非常大。在工程实施过程中和结束后的相当长一段时间内，工程都会直接或潜在对地铁安全构成威胁，实施过程中某一环节稍有不慎，都会引发地铁安全问题。因此，地铁安全保护区内工程实施和安全监护是涉及到地铁安全运营的一个重要问题。

2 上海地铁简况及地质条件 上海地铁1、2号线基本属于地下线路，3号线属于地面及高架线路。地下车站一般是由站台层和站厅层组成的双层结构，个别车站是地下三层和地下一层结构，分别采用双柱三跨、单柱双跨、单跨密肋式无柱折板式结构，车站按照8节编组设计建设的，车站一般长230m9站台长186m,地面站多为地面侧式站台，3号线全部为地面站和高架车站。1、2号线的区间多为隧道结构，3号线的区间为桥梁结构。3号线的桩基深度一般在25～55m深度范围内，1、2号线的车站和隧道多位于地面以下2．5～30m深度范围内的土层中，一般埋藏深度位于③、④、⑤号土层中，隧道所处的地层多属于饱和含水的流塑或软塑粘性土层。这类土层具有孔隙比大、压缩性高、含水量高、灵敏度高、抗剪强度低、渗透系数低、重新固结变形量大等特点。这些地层具有中高压缩性和较大的流变性，土层一经扰动，其强度明显降低，且在长达数年的时间内进行固结和次固结沉降。土层所具有的这些复杂特性，对地铁安全保护十分不利。表重是上海典型土层的一些特性，这些土层也是在地铁安全保护区内工程经常所遇到的土层，除桩基工程外，地铁结构基本敷设在⑤层以上的土层内。

表1 上海地区典型土层土性参数简表

3 地铁保护法律法规 上海市历来高度重视地铁安全保护，曾在不同时期以不同形式通过了相关法律、法规、法令。1993年6月上海市人民政府发布了37号令“上海市地铁管理办法”，1997年12月上海市人大通过了“上海市地下铁道管理条例”，2002年5月上海市人大通过“上海市轨道交通管理条例”。前述不同时期的各种法律、法规为上海地铁安全提供了法律、法规上的保障。

4 地铁保护技术标准及解释 地铁安全保护区内的工程建设都会对地铁安全带来一定影响，对地铁结构变形实施全过程监控则是保障地铁安全的重要一关。地铁结构变形在隧道保护方面表现为：隧道结构纵向沉降或隆起，隧道横向水平位移，隧道管径收敛变形。如果隧道结构变形超过结构保护标准，轻则引起隧道管片间张开过大，隧道结构环缝或通缝渗漏水，重则引起管片开裂、继而锈蚀钢筋、导致使用寿命缩短、地铁结构损坏(如道床与管片的脱开)等，危及地铁列车运行安全。 一条区间盾构隧道是由一系列单环隧道串联而成，环与环之间通过纵向17根螺栓联接，单环隧道由6片管片组成，环向管片间通过环向12根螺栓联接而成一环，管片厚度350mm。相对于一般地下建筑结构采讲，地铁隧道的纵向刚度和整体结构刚度都比较小，自身抵抗外部荷载的能力也较差。由于地铁结构一般敷设于第③、④、⑤土层中，当在安全保护区内近距离进行工程实施时，极易对这种流变、流塑性土层引起扰动而产生变形，地铁结构也随周围土层的变形而随之改变。当隧道结构变形超过设计承受极限而产生破坏时，会直接导致结构损坏，影响行车安全。上海地铁专家针对上海地质条件、上海地铁结构特点、列车性能及运行条件，参照了国内外相关资料，在进行了大量工程和技术比较后制定一套适合本市实际情况的地铁保护技术标准，量化地提出了施工引起地铁隧道变形的控制值，并以此标准来保护地铁安全、指导设计施工。 4．1 地铁运营线路轨道静态尺寸容许偏差管理值 对于轨距1 435mm．行车速度120km／h及以下的线路，线路作业验收值：两轨道横向高差 4mm，轨距(+6mm，—2mm)，水平及水平三角坑高低差 4mm／10m。但由于现场施工的复杂性、监测误差以及其它因素，一般取以上述指标的50％作为现场监护时的控制指标。 4．2 地铁结构保护技术标准 由于深基坑高楼桩基、降水、堆载等各种卸载和加载的建筑活动对地铁工程设施的综合影响限度，必须符合以下标准，监护单位按以下标准对隧道进行监测工作：(1)地铁工程(外边线)两侧的邻近3m范围内不能进行任何工程；(2)地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤20mm(包括各种加载和卸载的最终位移量)；(3)隧道变形曲线的曲率半径R≥15000m；(4)相对变曲≤1／2500；(5)由于建筑物垂直荷载(包括基础地下室)及降水、注浆等施工因素而引起的地铁隧道外壁附加荷载≤20kPa；(6)由于打桩振动、爆炸产生的震动隧道引起的峰值速度≤2．5cra／s。 4．3 地铁结构保护技术标准由来及含义的解释 第一条：地铁工程(外边线)两侧的邻近3m范围内不能进行任何工程。这一标准对于地铁结构安全起到直接的保护作用。地铁运营正线线路的土建结构主要由车站和区间隧道两大部分组成，地下车站宽度17～23m,深度12～24m，车站底板为一般为800～1 000mm厚，顶板为700nun厚，中楼板为350～450mm厚，单一结构侧墙厚不小于800mm，复合结构厚不小于1000mm(侧墙内衬的结构厚度一般为350～450mm)。3m禁止施工距离对地铁结构有直接的保护作用，无论从横向、径向还是纵向，车站结构的刚度要比隧道大的多，对同一工程的施工来讲，位于隧道附近或处于车站旁边，施工对地铁结构的影响程度是不同的，但3m以内进行工程施工会直接扰动地铁结构周围土体，施工稍有不慎就会直接影响地铁安全。上海市区土地资源十分宝贵，不可能划定很宽的禁止施工范围，3m范围的施工禁区划定基本上合适、合理。 第二条：地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤20mm(包括各种加载和卸载的最终位移量)。这一指标既考虑了地铁结构变形引起内力改变和隧道结构安全，还考虑了轨道扣件的调整量及接触网的可调整量。不同工程、不同施工方法和步序对地铁结构变形的影响程度和方式及最终结果也是不同的。堆载或卸载、基坑开挖与排水、管线的上下穿越等都会引起地铁隧道垂直向位移的不同隆起和沉降。1、2号线地下部分采用整体道床、长轨枕的形式以减少日后维修工作量，长轨枕两端凹槽部分的深度仅有20mm(见图1)，凹槽内有固定轨道的扣件系统、减振降噪的橡胶垫等装置，当沉降过大而导致垫高超过20mm时，固定轨道的扣件系统就相应抬高，使轨道处于非稳定状态，垫高过大亦会导致触网和钢轨等都不能满足安全正常运营需要。实际上，当局部结构沉降超过l0mm时，如将其垫高l0mm，就极有可能会发生轨道固定问题，隧道的超标准沉降或隆起都会造成线路顾坡困难而引发安全问题。

图1 长轨枕式整体道床及扣件图

工程施工对地铁隧道结构下卧层土体的扰动引起隧道的沉降或隆起，对运营安全影响极大。由于隧道长度与直径之比总是非常大，结构呈柔性，一般认为隧道各衬砌环是随其下卧土层的沉隆而沉隆。施工对隧道下卧层土体扰动后，隧道将随其下卧土体的长期的固结、次固结产生的沉降而沉降。施工过程中，一方面要控制隧道局部沉降量，使隧道线形满足第三条要求，另一方面要严格控制累计沉降量，使其满足本条要求，累计沉降量的过大或差异沉降过大都对隧道结构安全产生威胁。结构变形速率过大往往预示施工已引起危险或施工不到位，目前已对地铁结构的沉降速率进行严格控制。 第三条：隧道变形曲线的曲率半径R≥15000m。该项技术指标主要反映地铁隧道纵向变化的平顺情况和变形曲率大小。1、2号线隧道最小竖曲线半径一般为5 000m(车站端部竖曲线半径为3 000m)，施工引起隧道的附加变化与原设计最小竖曲线半径相比，是其1/5～1/3。隧道变形曲线的曲率半径计算一般采用布置在地铁区间隧道内(道床或管片上)监测点的测量数据，其经验计算公式如下所示：，L为沉降范围，δm为沉降最大值，如对沉降曲线采用微分方式计算，则计算结果是连续的、计算精度更高。 第四条：隧道的相对变曲≤1／2500。 第五条：由于建筑物垂直荷载(包括基础地下室)及降水、注浆等施工因素而引起的地铁隧道外壁附加荷载≤20kPa(即不超过2t／m2)。该技术指标是指在地铁隧道上方加卸载允许量。此技术指标综合考虑地铁区间隧道的自身特点(管片的刚度，管片的接缝，螺栓应力等)及隧道敷设情况，并通过力学计算而提出的。在工程实施过程中，必须对作用在隧道外壁的附加外荷载进行严格控制，以确保隧道结构的变形能满足列车运营安全需要。在地铁区间隧道上方实施大面积的加卸载工程中，该指标是极其关键的一个的指导性的技术指标。 第六条：由于打桩振动、爆炸产生的震动隧道引起的峰值速度≤2．50m／s。 在地铁附近的基坑工程拆除钢筋混凝土支撑时经常采用爆破，为加快建筑拆除速度和降低拆除成本，在线路运营附近也经常实施爆破，还有打桩作业。此类作业影响传递远，对地铁结构的影响是动态的、连续性的，必须严格控制。不同国家对爆破震动引起建筑破坏的控制值各不相同，但都采用建筑(构筑)物质点的振动速度、位移、加速度等指标，而最常用的则是以质点振动速度为控制指标。对地面高架轨道交通来讲，除控制振动和冲击外还应防止个别飞石对运营设施的破坏；而对地下隧道来讲，主要控制爆破冲击、爆破震动、建筑落地时的振动冲击等对隧道安全影响。爆破引起的质点振动速度为：

式中：υ—质点的振动速度，cm／s；Q——同段起爆的最大炸药量，kg；R——爆炸中心至计算点之间的距离，m；a――同地质条件有关的地震波的衰减系数，a=1～3；K——同岩土性质、爆破方法等因素相关的系数，一般为：50～200，岩土松软时取大值，K、a的值可通过小型爆破试验来确定。 根据{中华人民共和国爆破安全规程)，钢筋混凝土框架房屋的质点最大允许振动速度为5cm／s，水工隧道为10cm／s。考虑到位于软粘土层中地铁结构的厚度小、刚度较小，高速运行的列车对轨道基础变形要求高，取2．5cm／s作为控制指标。在对爆破工程实施监护时，根据建(构)筑物与地铁结构的空间对应关系，要求实施徽差、定向爆破，并控制一次起爆最大炸药量和单次爆破拆除体积，通过改变起爆顺序来控制爆破方向、施加辅助技术措施等以降低爆破引起地铁结构振动以及爆破体落地时对地铁结构的冲击，爆破时间应严格控制在地铁停止运营后进行。现在除了对震动峰值速度进行控制外，对连续性的震动控制则更为严格。

5 地铁监护所进行的主要监测手段 根据地铁保护技术标准对整个运营线路和安全保护区内发生工程的区段视情况不同进行定期和不定期的监测，根据工程的危险程度和难易程度决定采用不同的监测方法和监测手段。 5．1 运营线路的长期定期监测 对刚投入运营的新线路和非稳定区段采讲，一年对整个线路进行4次沉降监测，一次收敛监测，一次位移监测；对于投入正常运营超过两年以上的相对老线路，一年进行2～3次沉降监测，一次收敛监测，一次位移监测；对局部异常地段，重点监测，根据具体情况，一年多次。由于安全正常运营是一个长期过程，因此测量工作需要连续不间断进行，每条线路都建立了统一的地铁平面和高程控制网，对地铁结构纵向长期沉降以本市城市基岩标为基础进行监测。 5．2 安全保护区内工程项目的监测 对工程项目引起的地铁结构变形，通常监测的指标有隧道的收敛、位移、沉降，对施工难度大的项目，还需另对地铁结构的受力状态及变形进行监测。 5．3 自动监测设备和监测技术 (1)电子水平尺自动监测系统 电子水平尺的工作原理及应用见“地下工程与隧道”2003年第二期。 (2)巴赛特收敛系统(Bassett Convergence Sys-tem) 巴赛特收敛系统是一种新型的隧道剖面收敛自动测量系统，以它的设计人Dr．Richard Bassett的姓氏命名。巴赛特收敛系统的工作原理主要体现在其数据的测量装置方面。它由多个杆件单元(一个长的和一个短的组合成为一对杆件单元)首尾互相铰接安装在待测剖面四周，构成一个测量环，杆件单元内置一种特制的高精度电解质倾角传感器，每对长短臂的一个铰接点通过固定件与洞壁相固定(图2中称“固定点”)，另一个铰接点是浮动的。当洞壁发生变形时，必定使变形区内的几个固定点产生(空间)位移，也带动相关的长短臂活动，即长短臂产生角度变化。这时分别安装在长、短臂上的倾角传感器就可测出这种微小的角度变化。如果洞壁多处发生变形，每处变形对长短臂的作用是叠加的，即倾角传感器所感知的变化是总变化。根据倾角变化和各相应长短臂的长度就可算出各固定点的位移，再参照各固定点原始位置的坐标，就可得到各固定点在变化后的实际位置。只要有足够多的固定点，每个时刻各固定点的连线就可近似代表洞壁的轮廓线，与之相连接的计算机可快速计算、显示各次测量结果，将这些过程中的计算结果分别与首次测量数据比较可获隧道轮廓动态变化显示，效果非常直观，对分析数据变化动向很有帮助。当变化量超过设定值时，还可以自动报警，提醒要加强对施工过程控制或调整施工。巴赛特收敛系统是一种高精度、自动化监测隧道变形的系统，整个系统从数据自动采集到计算结果的显示完全实现计算机化，巴塞特收敛系统的安装与结果显示见图2示。

图2 巴赛特收敛系统布设及数据处理结果

(3)无反射棱镜自动跟踪全站仪隧道收敛变形系统 根据隧道结构变形规律，经过多年研究和持续改进，地铁运营公司已初步成功开发了隧道断面变形扫描仪器系统。本测量系统可对单环隧道的全断面进行扫描(视测量精度一环隧道内侧可设置几十至上百个监测点)，并通过连线与计算机相连，可即时观测到整个隧道断面的变形。该监测系统可在几分钟内完成一个断面的扫描和计算，根据精度要求可加密或减少监测点个数，并可对隧道的一些特征点或管片连接处进行两次扫描，消除或减小测量误差，提高测量精度。目前，该隧道收敛变形监测系统已经在地铁1、2号线隧道长期监测和工程项目监测中试应用。本系统实际上是对巴赛特收敛系统为数不多的监测点进行大量的扩充。将实测断面与未发生变形前的原断面比较，即可求得整环的变形，该系统比巴赛特收敛系统更好地反映整环隧道的变形情况。本系统具有自动化程度高、精度高等特点，将隧道一周的变形情况展开，即可清晰地发现一环隧道整体的变形情况，监测仪器及数据处理结果见图3。该系统的后续开发工作正在进一步地完善和研究之中。随着该系统研究的不断深人和完善，可与隧道结构变形计算密切结合，计算隧道结构的受力状态和安全状态，应用前景广阔。

图3 隧道收敛监测及结果显示

(4)固定式自动测斜仪(IN-PLACE INCLI-NOMETER) 在利用普通的测斜管对建(构)筑物、基坑围护结构和土体的位移进行测量时，是通过人工上下拉动探头(在测斜管内滑动)测得其位移量变化量的。当测量要求较高或需要定时大密度监测时，就需采用自动化程度和精度较高的固定式测斜仪才能完成测量。 固定测斜仪的工作原理及安装使用相对比较复杂。一般情况下，将测斜管置人钻孔中并灌浆固定，测斜探头由连接管和万向接头连接在一起后置人测斜管中，固定在测斜管导槽中的每个探头的顶部安置的滑轮用于确保调整传感器的定位。探头可以固定在测斜孔内的所需要测定的深度(通过改变接杆长度的办法)，一个测斜孔内可以在不同深度上固定多个探头。探头为双向的，由两个伺服加速计组成，对应于监测两个直交平面上的倾斜。当探头倾斜时，其受到的重力的分力引起磁场中的线圈旋转，线圈中产生的电流产生了一股与重力方向相反大小相等的力不断去平衡重力的分力，这股电流与倾斜的角度成正比，提供了探头的输出量。安装在探头内部的编码器将该输出量编码(地址)后送出探头，经过一条4芯的总线电缆送到地面，通过对所有探头读数的综合计算就可以得到测斜管不同深度部位的相对位移。不断地读取数据并将这些读数表示的位移与前面所得到的位移进行比较，就能轻易地得到地下某些位置的位移精确值。读数可以通过在测斜管口旁的总线电缆上连接便携式读数装置和电脑来读取，一条或者多条总线电缆上的探头也可以连接在自动数据采集器上。连接了数据采集器后，可以通过调制解调器由办公基地的电脑采读取和使用数 据。固定式测斜仪的量程大精度高，具有较宽的工作温度范围，固定式测斜仅见图4。

图4 固定式测斜仪

(5)静力水准仪 静力水准仪系统是用于精密测定多个测点的垂直位移及相对沉降变化的仪器系统。它根据固定在监测点上众多单元的内液面相对变化来确定监测点的相对沉降或隆起，将待测区域的沉降(隆起)与基准点相比较即可得到施工影响区内的测点的绝对沉降(隆起)量。该系统由一系列监测沉降(隆起)单元组成，可沿着隧道纵向布置，该系统具有监测点多、测量范围大、精度高v数据可自动化采集、施工和维护工作量少等优点。其缺点是易受外界影响，如列车振动、温度变化幅度大引起数据漂移等，系统的单元漏液、沉降(隆起)变化滞后(相对电子水平尺来讲)等问题也是今后需要改进的重要方面。静力水准仪系统的安装及单元连接情况见图5示。

图5 静力水准仪的安装及使用

6 地铁保护常用技术 实施地铁保护的一般原则：根据上海市有关地铁保护法律、法规、地铁保护技术标准、地铁结构安全状况，全过程审查作业方案(尤其对设计和施工方案的审查及变形计算)，制订对应的地铁保护方案，对工程实施全过程监控。由于工程和施工情况千差万别，工程所在与地铁结构的相对位置、工程的空间尺寸、地铁状况决定了地铁保护等级、保护技术方案也千差万别。 在审查深基坑作业方案时，软土深基坑时空效应理论也已成为指导基坑设计施工的最具权威性、广泛性的指导理论之一；在进行其它性质工程的实施过程中，需结合其它理论或类似工程实践经验对工程作业进行综合审查，并辅以信息化施工和其它土木建筑施工技术。经常碰到的市政工程穿越施工就是采用盾构法施工理论、注浆施工技术等指导施工。图6a即是—紧邻1号线隧道开挖深度24m的深基坑工程，施工引起隧道振陷后采用水平和垂直双液注浆技术加固隧道下卧软弱土层的情况，图6b是—基坑工程施工引起隧道收敛变形过大而采取的隧道纠偏注浆。隧道上方土体大面积和大深度的卸载工程，除了对隧道上方的土层进行加固抗隆起外，尚需辅以抗拔桩等措施，限时开挖隧道上方的土体，快速形成底板并及时进行回压砂袋等，控制隧道的回弹。总之，根据地铁保护标准，针对不同工程采用不同的地铁监护技术。

图6 隧道变形注浆控制

7 结 论 本文简要介绍了上海地铁监护状况以及地铁保护的法规、保护技术标准、常用监测设备和仪器，地铁保护所常用的方法和技术。尽管有很多工程的设计施工难度极大，但在地铁专家精心指导和帮助下，地铁监护人员依靠强裂的责任心和高超的技术及高科技设备，尽心尽责，与建设施工单位一道共同努力，确保了地铁运营的安全。

王如路 刘建航(上海地铁运营有限公司) (上海市市政工程管理局)

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