付小明，余志奇，劉濤

(武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430015)

1 引 言

盾構(gòu)法修建地鐵隧道具有對(duì)環(huán)境影響小、施工安全快速等優(yōu)點(diǎn)，已成為城市地鐵建設(shè)的主要施工方法之一。然后由于城市空間的局限性，盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中不可避免地與河流、堤防、道路及建筑物等發(fā)生沖突，隧道掘進(jìn)后，河堤較大的工后不均勻沉降會(huì)引起盾構(gòu)隧道的縱向變形，嚴(yán)重危及隧道的安全運(yùn)行。需要在盾構(gòu)施工時(shí)對(duì)沖突部位進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，并分析變形特征，認(rèn)識(shí)規(guī)律，進(jìn)而控制穿堤施工風(fēng)險(xiǎn)。

本文以某城市軌道交通盾構(gòu)施工穿越河堤為依托，對(duì)盾構(gòu)施工時(shí)河堤變形(沉降和位移)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究河堤的變形特征。

2 工程概況

2.1 工程簡(jiǎn)介

某城市軌道交通是武漢市第三條實(shí)現(xiàn)上天入地的地鐵，設(shè)計(jì)運(yùn)行速度達(dá)到 100 km/h，通車后將是武漢市運(yùn)行速度最快的軌道交通線路。城市軌道交通穿越的河堤為1級(jí)堤防，穿越段距地面和堤頂高程約 13 m～20 m，施工期正處于汛期，由于盾構(gòu)法施工[1]將不可避免地?cái)_動(dòng)土體，破壞原有的平衡狀態(tài)，而向新的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化，引起地面變形、地層變化以及水體介質(zhì)運(yùn)移分布情況變化，可能危及地面堤防建筑物及其附屬設(shè)施的安全。如出現(xiàn)岸坡隆起、塌陷[2]等異常變形，從而導(dǎo)致堤防建筑物擋水安全性[3]的降低。需對(duì)城市軌道交通下穿河堤段堤防布置相應(yīng)安全監(jiān)測(cè)儀器開展安全監(jiān)測(cè)工作，對(duì)大堤等建筑物整體狀態(tài)進(jìn)行全過程的持續(xù)觀測(cè)，采集河堤等建筑物的變形、滲流及水位變化等各效應(yīng)量，采取相應(yīng)的技術(shù)分析手段對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行及時(shí)分析處理，及時(shí)對(duì)堤防等建筑物的安全狀態(tài)作出評(píng)價(jià)[4]。

隧道走向與河堤夾角約82°，穿越河堤段隧道長(zhǎng)約 43 m。隧道采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)施工穿越河堤，管片外徑 6.2 m，管片厚度 0.35 m。穿越河堤段隧道埋置較深，隧道頂與河堤頂(29.82 m)高差約20 m，隧道頂與河堤坡腳(22.82 m)高差約13 m，區(qū)間隧道與河堤相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道與河堤相互關(guān)系示意圖

2.2 地質(zhì)概況

河堤隧道洞身主要穿越淤泥質(zhì)黏質(zhì)土(3-4)、殘積土(10-4)、鐵質(zhì)泥巖(16)，土石可挖性分級(jí)軟土為Ⅰ級(jí)、局部為Ⅱ級(jí)，鐵質(zhì)泥巖為Ⅳ級(jí)，隧道穿越土體上部為軟土，下部為軟質(zhì)巖，隧道部分洞身穿越淤泥質(zhì)土，該地層具有軟硬不均、透水性強(qiáng)、施工難度大等特點(diǎn)，而淤泥質(zhì)土部分地段極易導(dǎo)致掌子面失去穩(wěn)定性，造成塌方，并對(duì)同步注漿造成很多困難，洞頂1倍洞徑范圍內(nèi)主要為淤泥質(zhì)土(3-4)，洞頂穩(wěn)定性差；隧道底板為泥灰?guī)r，局部為灰?guī)r，地基滿足強(qiáng)度與變形要求。隧道圍巖主要為Ⅰ和Ⅳ類，局部為Ⅱ類。

3 觀測(cè)堤段監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

根據(jù)河堤實(shí)際情況及施工過程以及汛期水情特點(diǎn)，盾構(gòu)穿越堤防前后，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)堤防結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握堤防的沉降變形情況，并根據(jù)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)調(diào)整優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。及時(shí)發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象和可能危及堤防安全的不良因素，并根據(jù)其穩(wěn)定性和安全評(píng)價(jià)結(jié)果研究是否采取搶險(xiǎn)或加固措施，以確保堤防在該城市軌道交通施工期、運(yùn)用期的安全。

城市軌道交通穿越河堤段隧道埋置很深，隧道頂與河堤頂高差約 20 m，隧道頂與河堤坡腳高差約 13 m。穿越處左右線隧洞間距為 15.2 m。為全面了解穿堤段堤防的安全狀況，于穿越段左、右側(cè)軸線兩側(cè)約 10 m的范圍內(nèi)共布置5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，即在左、右線中心軸線堤頂布置1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，并以其為中心，分別在左、右線軸線布設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，然后在左、右線隧道外側(cè) 10 m處布設(shè)斷面，各斷面分別計(jì)為0-0、L1-1、R1-1、L2-2和R2-2，監(jiān)測(cè)斷面平面布置如圖2所示。

圖2 河堤監(jiān)測(cè)平面布置圖

3.1 水平位移監(jiān)測(cè)

水平位移監(jiān)測(cè)采用測(cè)斜管進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在0-0、L1-1、R1-1、L2-2和R2-2斷面堤頂各布設(shè)1個(gè)測(cè)斜管，共計(jì)5個(gè)測(cè)斜管。各斷面測(cè)斜管埋設(shè)參數(shù)如表1所示。

斷面L1-1和R1-1測(cè)斜管最大深度按高于隧洞頂部 2 m～3 m控制，其他斷面按低于隧道底部 2 m～3 m控制，采用活動(dòng)測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)穿越段大堤堤身內(nèi)各土層的水平位移[5]。

測(cè)斜管埋設(shè)參數(shù) 表1

3.2 垂直位移監(jiān)測(cè)

(1)表面垂直位移監(jiān)測(cè)

為了解穿堤后河堤的垂直位移變化情況，在0-0、L1-1、R1-1、L2-2和R2-2斷面各布設(shè)5個(gè)垂直位移測(cè)點(diǎn)，即堤防迎水坡坡腳表面、坡腰表面、堤頂表面、背水坡坡腰表面和坡腳表面處各布置1個(gè)垂直位移測(cè)點(diǎn)，共計(jì)25個(gè)垂直位移測(cè)點(diǎn)，在工程影響范圍以外安全、穩(wěn)定的位置布設(shè)2個(gè)垂直位移基點(diǎn)。表面垂直位移[6]采用精密水準(zhǔn)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，呈矩陣式布設(shè)。

按規(guī)范要求，本工程應(yīng)采用二等變形測(cè)量等級(jí)可以滿足監(jiān)測(cè)需要，變形點(diǎn)的高程中誤差 ±0.5 mm，相鄰變形點(diǎn)高差中誤差 ±0.3 mm。

(2)深部垂直位移監(jiān)測(cè)

在0-0、L2-2和R2-2斷面背水坡坡腰與堤頂之間處布設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)，監(jiān)測(cè)大堤深部垂直位移，多點(diǎn)位移計(jì)采用5點(diǎn)式多點(diǎn)位移計(jì)，底部埋設(shè)至隧道底巖體內(nèi)，各傳感器間距一般為 3 m～7 m。地鐵運(yùn)行期間采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)地鐵通行時(shí)穿越段大堤各土層的垂直位移[7]。深部垂直位移監(jiān)測(cè)孔共計(jì)3孔，傳感器共計(jì)15支，各傳感器埋設(shè)參數(shù)如表2所示。

多點(diǎn)位移計(jì)各傳感器埋設(shè)參數(shù) 表2

監(jiān)測(cè)布置典型斷面(0-0斷面)圖，如圖3所示。

圖3監(jiān)測(cè)布置典型斷面(0-0斷面)圖

3.3 監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)

沉降控制為盾構(gòu)掘進(jìn)引起的其前方上部土體隆起或下沉量控制值不大于 +10 mm和 -30 mm。監(jiān)測(cè)實(shí)施工程中，應(yīng)通過兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面之間的空間對(duì)比分析，隧洞頂部斷面的地下水位時(shí)序分析確認(rèn)有無異常滲水情況發(fā)生。一旦發(fā)生異常滲水情況，應(yīng)立即啟動(dòng)報(bào)警[9]，并立即采取應(yīng)急措施，如監(jiān)測(cè)到大堤沉降過大時(shí)，可采取地面灌漿，隧道內(nèi)部二次注漿等措施。

4 觀測(cè)成果分析

盾構(gòu)施工前期只需對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)施測(cè)3次，取得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始測(cè)量值，城市軌道交通6月底右線穿越河堤，8月初左線穿越河堤。選取水平位移和垂直位移的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對(duì)堤防安全性作出評(píng)價(jià)。

4.1 水平位移監(jiān)測(cè)

CX0測(cè)孔位于0-0’堤頂，為主要監(jiān)測(cè)斷面的測(cè)孔，對(duì)河堤深部位移監(jiān)測(cè)起到重要作用測(cè)孔之一。6月28日～6月30日右線盾構(gòu)穿越河堤，在孔深 23.0 m處累計(jì)位移相對(duì)較大，為盾構(gòu)隧道的中心位置，穩(wěn)定后最大相對(duì)水平位移為 13.01 mm，8月1日～8月3日左線盾構(gòu)穿越河堤，深度 20 m～27 m的曲線向左線這邊偏移，穿越完成穩(wěn)定后最大相對(duì)水平位移為 8.56 mm，左右線隧道中心0-0斷面深層水平位移在右線穿越時(shí)，深度 20 m～27m的曲線向右線方向偏移，左線穿越時(shí)，受到左線土體擾動(dòng)的影響，會(huì)向左線有一定幅度的偏移，最終趨于穩(wěn)定。圖4中偏向右線方向?yàn)檎?，偏向左線方向?yàn)樨?fù)值。

圖4 CX0累計(jì)位移曲線

4.2 垂直位移監(jiān)測(cè)

DB1-3、DB2-3、DB3-3、DB4-3、DB5-3分別位于河堤堤頂L2-2、L1-1、O-O、R2-2、R1-1斷面的地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)河堤垂直位移監(jiān)測(cè)起到重要作用的監(jiān)測(cè)點(diǎn)之一。6月28日～6月30日右線盾構(gòu)穿越河堤，DB3-3、DB4-3、DB5-3累計(jì)沉降相對(duì)較大，穩(wěn)定后最大累計(jì)沉降量為右線中線DB4-3監(jiān)測(cè)點(diǎn)，累計(jì)沉降量為 26.3 mm，8月1日～8月3日左線盾構(gòu)穿越河堤，左線中線處監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量變化較大，同時(shí)兩條隧道的中心位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB3-3也有一定幅度的變化，穿越完成穩(wěn)定后最大累計(jì)沉降量為DB3-3監(jiān)測(cè)點(diǎn)，累計(jì)沉降量為 36.4 mm，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)中心上方河堤地表沉降最大，向兩側(cè)遞減，6月底右線穿越，右線中心上方DB4-3沉降量最大，遠(yuǎn)離隧道中心，累計(jì)沉降較小。8月初左線穿越，左線中心上方DB2-3沉降量最大，遠(yuǎn)離隧道中心的DB4-3和DB5-3趨于穩(wěn)定，而隧道左右線的中心位置DB3-3因同時(shí)受到左線和右線盾構(gòu)穿越的影響，表現(xiàn)出累計(jì)沉降量最大。8月中旬之后變形已趨于穩(wěn)定，未見異常變化。圖5中地表沉降記為正值，地表隆起記為負(fù)值。

圖5 堤頂?shù)乇沓两迭c(diǎn)監(jiān)測(cè)曲線

圖6 0-0斷面多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)曲線

在0-0斷面背水坡坡腰與堤頂之間處布設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)，監(jiān)測(cè)大堤深部垂直位移，多點(diǎn)位移計(jì)采用5點(diǎn)式多點(diǎn)位移計(jì)，M0-01埋設(shè)至隧道底巖體內(nèi)，之上M0-02、M0-03、M0-04、M0-05各傳感器間距一般為 6 m～8 m。因受盾構(gòu)隧道左右線穿越影響，變形主要區(qū)域在 20 m～27 m，變形曲線呈2個(gè)凹變形，盾構(gòu)穿越地層為3-4淤泥質(zhì)土，表明上部黏土整體可能受到盾構(gòu)穿越產(chǎn)生變形，淺部而呈傾倒、下座變形，但在穿越深度以下受到周圍巖體約束作用而擾動(dòng)較小。深部垂直位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，擾動(dòng)主要集中在盾構(gòu)穿越上下 5 m范圍內(nèi)。圖6中深部沉降記為正值，隆起記為負(fù)值。

結(jié)合以上分析可以看出：

在盾尾離開監(jiān)測(cè)斷面之前，地表位移相對(duì)較小，盾尾脫離后，沉降速度和沉降量徒增，在盾尾脫離3天后，地表稍有回彈，然后沉降速度出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，沉降速度明顯變慢，之后沉降速度遞減。一般認(rèn)為，管片脫離盾尾初期，由于建筑空隙引起地層損失，會(huì)產(chǎn)生比較大的沉降；之后的沉降主要由擾動(dòng)土體固結(jié)引起。

5 結(jié)論及建議

通過對(duì)盾構(gòu)施工過程中穿越河堤的水平位移和沉降監(jiān)測(cè)的分析研究得到如下結(jié)論：

(1)同一橫向沉降觀測(cè)斷面，累計(jì)沉降量從隧道軸向位置向兩側(cè)逐漸減小，因左右線穿越時(shí)間相差一個(gè)月，所以兩隧道中線O-O’斷面累計(jì)沉降量最大，根據(jù)沉降分布曲線，受盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工影響，隧道軸線兩側(cè) 20 m范圍內(nèi)的堤基土體均受到相當(dāng)程度的擾動(dòng)。

(2)堤基土體深層水平位移最大值發(fā)生在隧道軸線高程附近，土體深層水平位移受盾尾注漿影響較大，而盾構(gòu)機(jī)頭掘進(jìn)過程中，土體深層水平位移量較小。

(3)盾構(gòu)推進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行同步注漿和二次注漿加固地層，并可根據(jù)監(jiān)測(cè)情況采用地面跟蹤注漿。