地鐵盾構(gòu)隧道下穿公路隧道安全監(jiān)控的研究

摘要: 結(jié)合南京地鐵一號線一區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿公路隧道的具體工程實(shí)踐, 探討了兩種不同類型隧道互交穿越的施工監(jiān)測技術(shù), 根據(jù)影響安全的各因素, 采取可行的監(jiān)測方案, 分析了盾構(gòu)穿越公路隧道過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律, 用于指導(dǎo)實(shí)踐, 保證了隧道結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的安全, 獲得滿意的結(jié)果。為同類型工程積累了經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞: 盾構(gòu)隧道; 公路隧道; 下穿; 安全監(jiān)控中
1 　工程概況
南京地鐵與玄武湖公路隧道為南京市政兩大重點(diǎn)項(xiàng)目, 地鐵一號線盾構(gòu)施工隧道(左、右線) 與玄武湖公路隧道在新模范馬路與中央路的丁字路口立體交叉, 公路隧道在地鐵隧道的上方, 并先于地鐵隧道施工。兩條隧道互交處的最小凈距右線為11004m , 左線為11053m , 因此, 在盾構(gòu)機(jī)穿越公路隧道下方的施工過程中, 安全監(jiān)控成為確保兩隧道結(jié)構(gòu)安全的一項(xiàng)重要工作。
盾構(gòu)機(jī)穿越地層為粘土性地層, 有淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粉土等, 土質(zhì)不均, 土質(zhì)較差。圍巖劃分為Ⅰ 類, 地下水主要為孔隙潛水與弱承壓水, 采用土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)。玄武湖公路隧道采用明挖順做法施工, 圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用SMW 法工法, 主體結(jié)構(gòu)為鋼筋砼箱體結(jié)構(gòu), 底板為850mm 厚鋼筋砼, 墊層為200mm 厚素砼, 并沿公路隧道縱向設(shè)抗拔樁, 主體結(jié)構(gòu)僅先于地鐵隧道2 月完成施工, 并預(yù)留了極小的盾構(gòu)穿越空間。
2 　安全監(jiān)控方案
為保證盾構(gòu)的安全通過和公路隧道的安全, 根據(jù)可能出現(xiàn)影響安全的因素, 選擇布置適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控方案, 使其能客觀地反映盾構(gòu)通過公路隧道時(shí)的安全狀況。211 　監(jiān)測內(nèi)容及測點(diǎn)的布置對盾構(gòu)隧道進(jìn)行管片襯砌沉降和收斂監(jiān)測, 同時(shí)對公路隧道進(jìn)行底板隆沉、隧道凈空收斂監(jiān)測及圍巖壓力測試。其中管片變形點(diǎn)布置在盾構(gòu)左右隧道軸線與公路隧道上行、下行隧道中線相交處的斷面上; 考慮到盾構(gòu)引起的地表沉降槽呈正態(tài)曲線分布[2 ] , 盾構(gòu)隧道上方沉降量大, 向兩側(cè)逐漸減小, 因此布置成如圖1 (a) 所示的公路隧道底板隆沉點(diǎn); 在公路隧道上行、下行隧道內(nèi)沿盾構(gòu)左右線隧道軸線布設(shè)公路隧道凈空收斂點(diǎn); 在公路隧道與盾構(gòu)隧道交叉處埋設(shè)6 個(gè)土體壓力測點(diǎn), 布置于墊層與土體之間。所有測點(diǎn)如圖1 所示。

(a)

(b)

圖1 　監(jiān)測點(diǎn)布置圖

212 　監(jiān)測頻率及預(yù)警盾構(gòu)機(jī)通常的平均掘進(jìn)速度為每天12m , 在下穿公路隧道時(shí)放緩速度, 約每天8m 。盾構(gòu)機(jī)接近公路隧道60m 前開始初測并按照規(guī)范要求的頻率進(jìn)行觀測, 通過時(shí)每6 小時(shí)測量一次。同時(shí)當(dāng)監(jiān)測值累積變化接近或超過報(bào)警值時(shí), 加大監(jiān)測頻率。預(yù)警值按照Ⅲ 級監(jiān)測管理[3 ] 來確定, 即將控制值的三分之二作為警告值, 控制值的三分之一作為基準(zhǔn)值, 將警告值和控制值之間稱為警告范圍, 實(shí)測值落在此范圍, 應(yīng)提出警告, 需要調(diào)整施工參數(shù)、采取施工對策; 警告值和基準(zhǔn)值之間稱為注意范圍; 實(shí)測值落在基準(zhǔn)值以下, 說明兩隧道和圍巖是穩(wěn)定的。同時(shí)利用變化速率作為輔助監(jiān)測基準(zhǔn)。213 　控制措施。
為減小盾構(gòu)施工對玄武湖公路隧道的影響, 在施工中應(yīng)盡可能地減小對周圍土體的擾動(dòng)和地表沉降, 關(guān)鍵技術(shù)是保持盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定和管片脫出盾尾后建筑空隙。盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定可以通過優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)來控制, 其重要參數(shù)有三個(gè): 正面壓力、推進(jìn)速度和出土控制。在盾構(gòu)還未到達(dá)公路隧道的掘進(jìn)過程中, 通過地表沉降曲線進(jìn)行實(shí)測反饋, 以驗(yàn)證選擇施工參數(shù)的合理性或據(jù)以調(diào)整優(yōu)化施工參數(shù)。在通過公路隧道時(shí)減小正面壓力, 放慢推進(jìn)速度, 加快出渣速度能達(dá)到降低地表隆起的目的; 相反, 采取提高正面壓力, 加快推進(jìn)速度, 減少出渣量, 能起到控制沉降的目的, 這樣能夠保證公路隧道路面的穩(wěn)定。
建筑的空隙的充填則采取同步與二次注漿。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中, 盡快在脫出盾尾后環(huán)形建筑空隙中充填足量的漿液進(jìn)行同步注漿。二次注漿是彌補(bǔ)同步注漿的不足, 減小沉降的有效輔助手段, 在盾構(gòu)下穿公路隧道時(shí), 以達(dá)到控制地表沉降的目的。盾構(gòu)通過后, 根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果及時(shí)控制固結(jié)沉降, 在管片襯砌后實(shí)施跟蹤回填與固結(jié)注漿, 尤其是對拱部120°范圍內(nèi)進(jìn)行地層的固結(jié)注漿, 最大程度地保證公路隧道和盾構(gòu)隧道的穩(wěn)定。
同時(shí)注意盾構(gòu)姿態(tài)的控制, 在盾構(gòu)推進(jìn)和管片拼裝時(shí)確保姿態(tài)不后退、不變向、不變坡, 保持連續(xù)均衡的施工。并且在公路隧道與盾構(gòu)隧道互交處, 加載墊層, 沿玄武湖隧道縱向設(shè)抗拔樁。
3 　實(shí)測情況分析
盾構(gòu)左線于2002 年5 月16 日至19 日完成公路隧道段的施工。在盾構(gòu)機(jī)接近公路隧道60m 到遠(yuǎn)離公路隧道100m 這一階段, 連續(xù)對監(jiān)測項(xiàng)目進(jìn)行跟蹤監(jiān)測分析。
(1) 土壓力分析圖2 是盾構(gòu)機(jī)左線穿越公路隧道時(shí), 土壓力的變化情況。

圖2 　土壓力變化曲線土壓力的變化規(guī)律與盾構(gòu)施工進(jìn)程相對應(yīng), 土壓變化規(guī)律比較明顯, 主要有以下特點(diǎn): 1) 右線土壓力(Y4 、Y5 、Y6) 基本沒有變化, 說明盾構(gòu)掘進(jìn)影響范圍比較小, 右線上方土壓力比較正常, 土體沒有發(fā)生大的擾動(dòng)。
2) 從左線土壓力(Y1 、Y2 、Y3) 的變化情況來看, 盾構(gòu)推進(jìn)對左線上方土體有擠壓作用。盾構(gòu)切口前方土壓略有下降(主要是泡沫影響所致), 但數(shù)值比較小; 盾構(gòu)切口到達(dá)時(shí)與盾構(gòu)土倉頂部壓力基本一致。
3) 盾尾到達(dá)時(shí)土壓上升(主要受同步注漿影響), 盾尾通過后土壓開始下降, 最終穩(wěn)定但仍比掘進(jìn)前略大。土壓下降是漿液固結(jié)收縮所致, 總體上同步注漿對地層有壓密作用。
4) 圖2 還反映出在盾構(gòu)到達(dá)后, 土壓力不斷增加, 平均大約增加0106MPa , 隨后又減少了大約0104MPa 。說明盾構(gòu)在推進(jìn)時(shí)對周圍主體產(chǎn)生擠壓, 使壓力增加, 而后產(chǎn)生彈性恢復(fù), 壓力減小。壓力經(jīng)歷了減小—增大—減小的動(dòng)態(tài)變化后, 其間使公路隧道和盾構(gòu)隧道的受力發(fā)生變化, 控制不好會(huì)影響兩隧道的安全。
(2) 公路隧道底板沉降
從4 月25 日開始對玄武湖公路隧道底板開始跟蹤監(jiān)測, 到5 月23 日盾構(gòu)已經(jīng)完全穿出一段距離后, 公路隧道南北線29 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)最大隆沉值為119mm , 最小值011mm , 未影響公路隧道的安全。為分析盾構(gòu)推進(jìn)對公路隧道底板影響規(guī)律, 分別繪制公路隧道方向(南線) 沉降在不同時(shí)間段內(nèi)的變化曲線圖, 以及典型點(diǎn)隨時(shí)間變化的曲線圖(圖3 , 圖4) 。

圖3 　南線公路隧道底板各時(shí)段沉降曲線

圖4 　典型地表點(diǎn)隨時(shí)間變化曲線

分析圖3 、圖4 可以得到以下結(jié)論:
1) 盾構(gòu)未到達(dá)公路隧道時(shí), 地表有比較大的沉降量, 最大沉降量為116mm , 說明盾構(gòu)正面對土體的推應(yīng)力小于原始側(cè)向地應(yīng)力。而且其沉降量曲線與累積沉降量曲線很接近, 說明這一階段的沉降量是通過公路隧道時(shí)主要沉降段。
2) 盾構(gòu)通過時(shí), 地表有隆起的現(xiàn)象, 最大值僅為017mm , 由于盾構(gòu)切口到達(dá)時(shí)與盾構(gòu)土倉頂部壓力基本一致, 微量隆起跟強(qiáng)注漿量有關(guān)。同時(shí)沒有出現(xiàn)大的隆起說明抗拔樁起到了抗拔的作用。
3) 盾構(gòu)通過后, 公路隧道地表有微小的沉降, 其中S1 -1 , S2 -1 處于抗拔樁外沉降明顯。
4) 分析典型點(diǎn)沉降過程, 盾構(gòu)到達(dá)前的沉降量占到總沉降量的95 % 以上, 速率為0108mmΠd。而通過時(shí)的隆起抵消了通過后由于土體的固結(jié)引起的沉降。
5) 監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示, 當(dāng)覆土厚度不夠時(shí), 加載墊層和抗拔樁是有效的措施之一, 能很好地控制地表的隆沉。
(3) 管片沉降及隧道收斂
監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示公路隧道的凈空收斂最大變化量為0187mm 。同時(shí)根據(jù)對地鐵管片連續(xù)的跟蹤監(jiān)測表明, 相交處地鐵隧道最大累積收斂為1148mm , 最大累積沉降為0170mm 。考慮到讀數(shù)的誤差, 可以認(rèn)定在穿越玄武湖公路隧道期間, 公路隧道沒有受到大的影響; 完全穿越后地鐵管片的沉降以及收斂在控制范圍內(nèi), 說明公路隧道已經(jīng)趨于穩(wěn)定, 盾構(gòu)隧道安全穿越公路隧道。
4 　結(jié)論
(1) 監(jiān)測數(shù)據(jù)表明在盾構(gòu)隧道穿越公路隧道期間, 盾構(gòu)的各種參數(shù)設(shè)置比較適當(dāng), 在推進(jìn)速度較快(約60mmΠmin) 的情況下, 保證了公路隧道的穩(wěn)定; 同時(shí)為右線盾構(gòu)隧道的再次穿越積累了經(jīng)驗(yàn)。
(2) 地鐵隧道與不同類型的隧道互交并且采用土壓平衡盾構(gòu)施工, 當(dāng)覆土厚度不夠時(shí), 可加載墊層和設(shè)置抗拔樁。監(jiān)測結(jié)果表明一些變形數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于控制值。在覆土最小僅為11004m 的狀態(tài)下, 盾構(gòu)機(jī)安全穿越公路隧道, 為以后同類型工程積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
(3) 在盾構(gòu)推進(jìn)時(shí), 須加強(qiáng)周邊環(huán)境的監(jiān)測, 根據(jù)實(shí)際情況來調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù), 控制地表沉降, 保證相交隧道的安全有著重要的作用。
參考文獻(xiàn) [1 ] 唐益群等. 上海地鐵盾構(gòu)施工引起地面沉降原因分析研究
[ 2 ] 張慶賀等. 盾構(gòu)推進(jìn)引起土體擾動(dòng)理論分析與試驗(yàn)研究
[ 3 ] 巖土工程監(jiān)測規(guī)范. 北京: 中國計(jì)劃出版社, 996.