目前國內已經有很多條城市軌道交通線路（簡稱“城軌”或“地鐵”）建成運營,通過對天津、上海、北京等城市的一些已運營的線路調查研究發現, 在建設過程和運營期間,其隧道、高架橋、U型結構、路基擋墻等主體結構均有變形發生,從而引起線路沉降、軌道變形,嚴重時則影響城軌的運營安全。為了及時掌握地鐵主體結構的變形情況,及時消除安全隱患,在運營期間,對主體結構采取適宜的變形監測是非常必要的,根據變形監測情況,及時提出整治方案,以保障城軌的運營安全。

1 地鐵的主體結構監測的必要性
1. 1 地鐵結構隨地層的隆沉引起變化
城軌建設過程中主體結構的變化主要隨地層隆沉而變化。比如天津市地處沖積平原地區,局部有軟土層和地震液化層,整體沉降量較大。天津地鐵1號線工程新建地下段采用明挖或盾構法施工,存在圍護結構施工、因降水引起地下水位變化及基坑開挖過程會產生基底土卸載,造成坑底隆沉;主體構筑、覆土回填會重新給基底土施加荷載,造成地基的隆沉;而主體結構竣工后地下水位的變化會對結構產生浮力,減少結構沉降的趨勢,浮力過大時會造成結構上浮。
城軌工程結構本身由于地基的變形及內部應力、外部荷載的變化而產生結構變形和沉降。如結構變形和沉降超過允許值,將會對城軌的運營造成影響, 甚至會造成運營中斷。對結構進行監測,了解變形情況,分析變形原因并采取有效措施,對于預防事故、保證城軌的正常運營是非常重要的。
施工期間除在基坑開挖、主體結構構筑過程中需對地面進行監測外,還要對周邊建筑物、地下水位變化進行監測,實踐證明這些監測項目都在發生不均勻的沉降變化。如天津市從1923年開始,隨著地下水的開發,地面沉降一直在發展,初期年沉降僅幾個毫米。解放后隨著工農業的發展,地下水開采量逐漸增加,地面沉降越來越嚴重, 1959—2000年最大累計沉降值已達2. 85m。天津地鐵沿線途徑河北區小王莊京津橋累計沉降量2. 0～2. 5 m 的面積已達37 km2。
綜上所述,地鐵在施工及運營期間對主體結構進行監測是十分必要的。
1. 2 不同的線路敷設形式存在結構變形差異
城軌工程呈線狀分布,分布范圍較長,整個工程范圍內由于線路敷設形式不同有可能存在著不均勻沉降的問題。
一條城軌線一般包含地下線、高架線和地面線等不同的線路敷設形式,如圖1所示。地下結構有采用盾構施工的圓形隧道、明挖施工的矩形結構及暗挖施工的馬蹄形結構,高架部分有連續梁、簡支梁、鋼混結合梁等不同的結構形式,地面線路基部分有填土、挖方等情況,不同結構形式變形復雜,各分體結構存在差異變形,需要及時了解全線各部位特別是銜接處的變形情況。

1. 3 既有線與新建工程存在結構變形差異
個別地鐵項目存在既有線改造的情況,隨著城市規模和經濟水平的快速發展,早期建設的地鐵已經不能滿足現代生活的需要,需要從規模和標準上進行改造。
如天津地鐵1號線西站至新華路7座既有站是利用既有地鐵的洞體進行了改擴建的。既有段始建于1970年,為“7047”人防工程, 1984 年建成通車,已運營了20年。改建工程充分利用了既有段區間結構,只對車站進行拆除、改建,每個改建站兩端均與新結構體銜接,銜接處均存在著新舊結構間的差異沉降問題。差異沉降量勢必影響到結構的穩定,甚至會影響到地鐵線路的正常運營。因此,需在運營期間對地鐵結構、軌道結構等進行變形監測,及時準確地了解結構變化趨勢,針對變形情況采取必要的補救措施,以保證地鐵正常運營。在建的哈爾濱地鐵利用一段既有人防工程,在建設中也應重視變形監測。
1. 4 地鐵運營會誘發結構變形
地鐵運營時反復的振動和曲線上未平衡的離心力等的作用都可能誘發區間隧道洞體的形變和隧道周圍土體性質的變化,因此也是地鐵運營監測的重要原因。
1. 5 地鐵周邊環境的改變也會造成結構變形
地鐵所經過的沿線多是城市繁華地帶,一些高層商務樓宇正在或即將施工建設,這些距地鐵較近的建筑物在施工期間極易引起地鐵結構的變形。為此,在周圍工程開工前,對地鐵制定適宜的監測方案,伴隨周邊工程的建設,對地鐵進行變形全程監測也是十分必要的。

2 地鐵主體結構監測工作重點
2. 1 通過監測隨時掌握地鐵結構變形全貌
通過監測可動態收集地鐵結構變形信息,掌握結構變形情況,保障運營安全,確保工程的可靠度。地下結構和高架橋結構形式不同引起的變形也不盡相同,通過監測可驗證沉降變形理論的正確性和可靠性,了解結構實際受力狀態,判斷結構的安全承載能力和使用條件。通過監測系統收集各種技術數據,建立數據庫,以便更好地隨時掌握結構變形全貌。可及時發現變形現狀及發展趨勢,并采取處理措施預案。
2. 2 重視積累監測資料,提供病害治理可靠依據
隨著城市的不斷發展,地鐵等軌道交通建設規模必然不斷擴大,并將成為城市公共交通的重要支柱。城軌交通的安全運營已成為城市窗口形象,通過對地鐵主體結構監測,收集監測數據、記錄整治方案,系統地整理、積累資料,及時掌握現有建成地鐵工程運營變形情況。通過對主體結構進行監測,及時準確掌握現有建成地鐵工程的運營變形情況,不斷總結相關經驗教訓,為病害治理提供可靠依據,也可供今后相關工程設計、施工、運營維護時借鑒。
2. 3 重點監測位置
根據理論分析和以往的經驗,一般對地鐵的以下主體部分進行重點監測,掌握重點位置的結構變形情況:
（1）車站與區間銜接處的差異沉降;
（2）城軌交通穿越河流、不良地質地段的隧道區段的特殊沉降;
（3）既有隧道與新建隧道銜接處的差異沉降;
（4）區間聯絡通道附近銜接處的差異沉降;
（5）城軌交通沿線有高大建筑或工程正在施工的地段對隧道的影響;
（6）本線與后建設的城軌交通線路交叉點附近地段對本線隧道的影響;
（7）高架橋地段的墩臺沉降、梁體的撓曲變形;
（8）隧道、高架橋與路基的過渡段的差異沉降;
（9）城軌交通穿越國家既有鐵路對隧道的影響。
2. 4 地層沉降理論的支持和分析
對于城軌交通建設時和運營后主體結構的地層沉降,一般采用現在通用的理論,如派克法、有限元法和派克修正公式對地表沉降量進行估算。
派克（Peck）法是假定地層損失在隧道長度上均勻分布,地面沉降在垂直隧道方向上正態分布。
對隧道上方地表沉降槽橫向分布的地面沉降量提出估算公式。
計算結果應根據工程的具體地質情況和土質特征,一般要對估算公式進行修正,并通過監測得到驗證。
2. 5 對重要建筑物的地基變形計算依托的理論依據
對于地鐵附屬的重要建筑物和周圍緊鄰的高大建筑物的建設對地鐵主體結構的影響,首先要掌握建筑物荷載在地基土層中引起的應力變化,其次必須掌握地基土層的分布情況及其應力-應變關系特征,由此可預先計算出將發生的變形值。
對建筑物而言,在一般情況下最主要的是地基的豎向壓縮變形,表現為建筑物基礎的沉降。因此,地基變形計算通常即指基礎沉降計算。
自地鐵開始施工之日起,對地鐵保護區范圍內的新建建筑物,就要進行監測,直至評定其已經穩定,或變形值和變形速率在正常值范圍內。一方面要對建筑物基坑圍護結構的變形進行監測,同時對臨近建筑物地段的地鐵結構重點加強監測。根據工程情況和變形情況,采取適當的監測方案,必要時采取現場設置探頭和傳感器,用光纜傳輸數據,遠程適時監測。

3 調查結果
根據調查已經建成運營的多條軌道交通線均有不同程度的結構變形。深圳、廣州、南京、上海、天津等城市的已經運營軌道交通線的調查發現,一些線路的變形較嚴重,尤其上海已經運營的1、2、3號線均有較大變形,且一直在持續,其中上海1號線變形較大的地段,隧道洞體下沉達27 mm,隧道斷面變形達11 mm,而且變形仍在持續發展,正在采取各種手段來保障運營的安全。
天津地鐵1號線工程在西站過河段施工期間的最大沉降量就達到480 mm,侵限很嚴重,線路調整無法解決根本問題,經過研究,最終將線路盡量調整到侵限均勻,軌道采取特殊設計,減薄道床厚度,解決了該難題,避免了工程的拆除重建。
目前國內一些城市的軌道交通工程已陸續建成通車,有些城市對工程的結構變形進行了監測,有些城市對此還尚未引起足夠的重視,尤其錯過了初期數據的采集時機,對以后的變形監測數據分析處理極為不利。
國家有關規范對此類重大工程也有明確規定,《建筑變形測量規程》（JGJ/T8—97）、《地下鐵道、軌道交通工程測量規范》（GB 50308—1999）等對此均有明確條文,規定地鐵工程施工全過程和運營階段中,進行變形測量是十分必要的,通過對監測數據的分析,經評定認為已經穩定的可以停止觀測。

4 結論
建議地鐵及其它城軌等工程項目,在施工期間及竣工運營后,把對主體結構的沉降、水平位移、收斂等變形監測工作提到議事日程,重視資料的整理和積累。給出主體結構的變形情況,以及主體結構變形今后的發展趨勢,并提出整治方案。逐漸修正理論依據,完善監測方法,使地鐵監測成為保障地鐵運營安全、維護城市窗口形象的主要工作項目。

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