涂善波，劉 陽(yáng)

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450003）

隨著黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為國(guó)家戰(zhàn)略，黃河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)得到良好發(fā)展，黃河沿線城市得到大力發(fā)展［1］，跨河交通需求強(qiáng)烈，尤其是黃河下游鄭州、濟(jì)南等河段，大量跨河橋梁的修建，導(dǎo)致橋位資源緊缺，穿黃隧道建設(shè)成為新的需求。穿黃隧道工程能很好地解決黃河的跨越問(wèn)題， 且對(duì)地面環(huán)境影響小、適應(yīng)氣候條件能力強(qiáng)、抗震性能好、防洪防凌難度小與地面道路接線條件較好等諸多優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的隧道穿越黃河大堤進(jìn)行建設(shè)。隧道穿越堤防工程時(shí)，易造成堤防土體剪切破壞、地層擾動(dòng)及地層原始應(yīng)力破壞等問(wèn)題［2］，因此，工程施工及運(yùn)行過(guò)程對(duì)黃河堤防安全的保障不容忽視。 現(xiàn)狀黃河下游河道河床普遍高出兩岸地面4～6 m， 是舉世聞名的地上懸河［3］，“二級(jí)懸河”形勢(shì)依然嚴(yán)峻,尤其在東壩頭以下河段［4］。黃河下游“地上懸河”的特殊性和防洪的重要性， 給穿黃隧道工程建設(shè)提出更高要求。 對(duì)盾構(gòu)隧道工程穿越過(guò)程中對(duì)黃河堤防的影響進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)， 全面掌握堤防安全狀態(tài)十分必要且重要。目前對(duì)堤防影響安全監(jiān)測(cè)多采用變形監(jiān)測(cè)，包括表面沉降變形、水平位移監(jiān)測(cè)等［5］，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本涵蓋穿越全過(guò)程的堤防變形， 但僅限于外觀變形方面，監(jiān)測(cè)內(nèi)容不夠全面。堤防隱患檢測(cè)方法較多，但多是針對(duì)堤防發(fā)生險(xiǎn)情或病害時(shí)的不定期檢測(cè)［6］，沒(méi)有專門針對(duì)隧道穿越建設(shè)對(duì)堤防產(chǎn)生的不利影響進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè)。本文依托濟(jì)南濟(jì)濼路穿黃隧道工程，針對(duì)穿越工程可能影響堤防安全的結(jié)構(gòu)變形、 滲流量變化、地層物性參數(shù)變化等主要因素［7］，采用基于外觀變形、 地下滲流及無(wú)損檢測(cè)等多源監(jiān)測(cè)技術(shù)方法， 對(duì)隧道穿越期間及其后續(xù)階段監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 對(duì)隧道穿越影響的堤防工程質(zhì)量進(jìn)行綜合安全評(píng)價(jià)， 為以后黃河下游類似穿黃工程的影響監(jiān)測(cè)提供參考。

1 工程概況

濟(jì)濼路穿黃隧道（道路+地鐵）工程是黃河山東段第一座下穿兩岸大堤的工程， 工程河段為地上懸河，隧道外徑為15.2 m，內(nèi)徑13.9 m，管片厚度0.65 m，每環(huán)寬2.0 m， 每環(huán)管片包含7 塊標(biāo)準(zhǔn)塊，2 塊鄰接塊，1 塊封頂塊［8］。盾構(gòu)隧道采用φ15.74 氣墊式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)同向掘進(jìn)，均從北岸工作井始發(fā)，向南掘進(jìn)穿越黃河后抵達(dá)南岸工作井拆卸吊出。 本次為盾構(gòu)穿越北岸堤防的影響監(jiān)測(cè)。

黃河北岸堤頂寬度為9 m，臨、背河坡坡度均為1∶3， 淤背區(qū)寬度100 m。 隧道穿越地層主要為雜填土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、細(xì)砂、粘質(zhì)黏土、全風(fēng)化輝長(zhǎng)巖，隧道承受的最大水壓約0.65 MPa，盾構(gòu)段埋深為26.30～54.60 m（大堤正下方為42.81 m），盾構(gòu)下穿黃河北岸大堤地質(zhì)剖面示意圖如圖1。

圖1 盾構(gòu)下穿黃河北岸大堤地質(zhì)剖面示意圖

2 堤防安全要求

2.1 黃河下游堤防安全要求

黃河下游山東河段左右岸皆為標(biāo)準(zhǔn)化堤防，堤防標(biāo)準(zhǔn)為I 級(jí)，北岸有齊河北展堤工程。黃河大堤堤頂寬度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均為12 m，設(shè)計(jì)高程為2000 年設(shè)計(jì)水平年設(shè)防水位超高2.1 m。臨、背河坡坡度均為1∶3，堤防采用放淤固堤措施進(jìn)行了加固， 淤背區(qū)寬度100 m，邊坡坡度為1∶3，高度低于2000 年水平年設(shè)防洪水位2 m。 堤頂參照三級(jí)公路有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行硬化，路面采用瀝青混凝土細(xì)粒層，厚度5 cm，路基厚度30 cm，基層和底層各厚15 cm，基層采用水泥穩(wěn)定土基層。因此，監(jiān)測(cè)范圍宜根據(jù)隧道線位及埋深等因素綜合確定， 且不小于隧道施工影響區(qū)100 m 外及隧道軸線上下游200 m。隧道施工穿越大堤堤腳前100 m 范圍應(yīng)設(shè)置監(jiān)測(cè)試驗(yàn)段。

2.2 隧道穿越對(duì)堤防安全影響因素

隧道穿越對(duì)堤防安全影響因素主要包括堤身結(jié)構(gòu)發(fā)生變形、堤基滲流量發(fā)生異常變化、堤身地層物性參數(shù)發(fā)生擾動(dòng)變化等。

隧道穿越堤防時(shí)， 由于盾構(gòu)隧道技術(shù)存在盾尾空隙及壁后注漿體具有收縮的特性， 在盾構(gòu)刀盤到達(dá)前,大堤地表會(huì)有輕微的隆起變形,而后隨著盾構(gòu)的推進(jìn),呈現(xiàn)下沉趨勢(shì)，進(jìn)而產(chǎn)生不同程度的沉降，造成堤身結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。 而沉降過(guò)大可能引起堤身產(chǎn)生裂縫，堤身一旦偎水，其抗水流淘刷侵蝕能力很低，易于發(fā)生坍坡、垮堤等險(xiǎn)情。

盾構(gòu)隧道穿越施工直接影響著隧道圍壓孔隙水壓力的分布， 可能造成隧道建構(gòu)筑物與大堤堤基土接觸面產(chǎn)生薄弱部位，進(jìn)而造成堤防滲流破壞。盾構(gòu)隧道成形之后， 由于同步注漿不飽滿或因漿液凝固體積收縮，管片背面形成空腔，在富水層里，地下水會(huì)在此匯集形成水囊， 如果管片止水條松動(dòng)或止水條處混凝土開(kāi)裂掉塊，就會(huì)形成滲流通道。

隧道穿越堤防會(huì)對(duì)堤身或堤基穩(wěn)定地層結(jié)構(gòu)形成局部擾動(dòng)，造成空洞、軟弱層、滲漏、裂縫等隱患，使堤身結(jié)構(gòu)由穩(wěn)定狀態(tài)變成不穩(wěn)定， 堤身地層的地球物理參數(shù)也會(huì)隨之發(fā)生較大變化，產(chǎn)生波速、電阻率等異常區(qū)。

為確保隧道盾構(gòu)施工期和隧道運(yùn)行期防洪工程的安全，應(yīng)對(duì)大堤的結(jié)構(gòu)變形、滲流及堤防工程內(nèi)部缺陷等進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)， 掌握盾構(gòu)穿越對(duì)堤防安全影響的動(dòng)態(tài)和規(guī)律，了解土體的沉降速度和穩(wěn)定性，指導(dǎo)隧道的施工和運(yùn)行，并及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，視情況采取工程措施，確保防洪工程安全。

3 多源監(jiān)測(cè)工作布置

考慮到盾構(gòu)施工可能引起的邊坡失穩(wěn)和大堤沉陷， 確保在隧道盾構(gòu)施工期和隧道運(yùn)行期了解大堤土體的沉降速度和穩(wěn)定性， 在盾構(gòu)隧道影響范圍內(nèi)黃河大堤北岸布設(shè)表面沉降監(jiān)測(cè)和堤身內(nèi)部深層沉降監(jiān)測(cè)， 通過(guò)監(jiān)測(cè)大堤堤頂表面和堤身內(nèi)部的沉降變化來(lái)發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)穿越北岸大堤時(shí)產(chǎn)生影響。 為全面監(jiān)測(cè)盾構(gòu)施工對(duì)堤防按安全影響，在隧道工程線位上下游各200 m 范圍內(nèi)的堤防工程布置6 個(gè)表面沉降監(jiān)測(cè)斷面， 每個(gè)斷面11個(gè)測(cè)點(diǎn)； 在大堤背河側(cè)堤肩布設(shè)1 個(gè)深層沉降監(jiān)測(cè)斷面，共9 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

盾構(gòu)施工穿越堤基下的地層中穿越時(shí)， 對(duì)穿越地層的水文地質(zhì)條件產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響地下水滲流場(chǎng)，甚至可能會(huì)隧道周邊形成滲流通道， 誘發(fā)滲透破壞。 為及時(shí)掌握隧道盾構(gòu)施工及運(yùn)行期地下水滲流變化， 在隧道影響范圍內(nèi)布設(shè)滲流監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為減小對(duì)大堤臨水面地層影響，沿隧道線位軸線方向在大堤背河側(cè)布置3 個(gè)滲流監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面4 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

穿黃隧道下穿堤防地層擾動(dòng)形成的空洞、裂隙及不密實(shí)區(qū)等病害，需要查明其類型及其位置、走向、形態(tài)等物理特征，檢測(cè)方法主要有人工巡查、鉆探和地球物理探測(cè)等，為減少對(duì)大堤的影響， 可快速無(wú)損進(jìn)行檢測(cè)的地球物理探測(cè)方法是首選［14］?？紤]到隧道埋深大于40 m，電磁波法等探測(cè)深度不足［15］，穿越地層為砂質(zhì)粉土及粉質(zhì)黏土層， 地層擾動(dòng)形成薄弱層時(shí)波速變化較為明顯，因此采用面波法對(duì)穿越后的堤防進(jìn)行檢測(cè)，在大堤臨河側(cè)堤肩、臨河側(cè)堤腳各布置400 m 測(cè)線1 條，測(cè)線總長(zhǎng)800 m。

監(jiān)測(cè)平面布置圖及剖面圖如圖2，圖3。

圖3 監(jiān)測(cè)布置剖面圖

4 多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

東線盾構(gòu)于2020 年3 月3 日開(kāi)始穿越北岸黃河大堤， 至2020 年3 月8 日盾體完全離開(kāi)大堤；西線盾構(gòu)于2020 年6 月10 日開(kāi)始穿越北岸黃河大堤，至2020 年6 月15 日盾體完全離開(kāi)大堤；至2020年8 月8 日，雙線盾構(gòu)均遠(yuǎn)離大堤約500 m。

4.1 大堤巡視檢查

堤防外觀變化是評(píng)價(jià)堤防安全的重要參考。雙線盾構(gòu)機(jī)穿越大堤期間及穿越后期， 定期對(duì)大堤堤身及周邊環(huán)境進(jìn)行巡查，未發(fā)現(xiàn)大堤堤身出現(xiàn)裂縫、滑動(dòng)、滲水等異常情況，堤頂路面未出現(xiàn)明顯裂縫及沉陷。

4.2 沉降監(jiān)測(cè)分析

大堤表面沉降測(cè)點(diǎn)主要采用沉降觀測(cè)標(biāo)， 以位于大堤堤頂?shù)缆? 排監(jiān)測(cè)點(diǎn)（DBC-03 斷面）為特征點(diǎn)， 分析它們?cè)谖骶€和東線盾構(gòu)隧道穿越期間及后期的沉降情況。

圖4 為雙線隧道穿越全過(guò)程DBC-3 斷面大堤表面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線，從圖4 可看出，東線盾構(gòu)開(kāi)始穿越直至西線盾構(gòu)穿越前， 大堤表面測(cè)點(diǎn)整體表現(xiàn)為先輕微隆起然后緩慢沉降， 最大沉降量為15.76 mm；西線盾構(gòu)穿越期間，西線側(cè)上方部分測(cè)點(diǎn)（DBC-3-03、DBC-3-04）有輕微隆起，西線盾構(gòu)穿越后，DBC-03 斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)整體下沉速度較快， 其中東線側(cè)測(cè)點(diǎn)（DBC-3-06～DBC-3-08）沉降速率明顯大于西線側(cè)測(cè)點(diǎn)，表明東線受西線穿越影響較大。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在7 月10 號(hào)以后沉降基本趨于穩(wěn)定，沉降趨勢(shì)較為一致，未產(chǎn)生明顯不均勻沉降。

圖4 盾構(gòu)穿越大堤表面沉降時(shí)程曲線

圖5 為隧道上方大堤DBC-3 斷面在各時(shí)間節(jié)點(diǎn)的橫向表面累積沉降曲線。在隧道穿越影響下，大堤橫向表面產(chǎn)生“U”型沉降，沉降槽呈現(xiàn)淺而寬的特征， 主要的累計(jì)沉降量產(chǎn)生在東線穿越后及西線穿越后的工后期間，沉降槽寬度150 m 左右，沉降槽中心并未在兩隧道中心，而是偏東側(cè)隧道。

圖5 隧道上方大堤的橫向表面沉降曲線

4.3 滲流監(jiān)測(cè)分析

以北岸大堤樁號(hào)136+128 斷面為例， 選取SY-2-03 監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)成果如圖6，在盾構(gòu)穿越過(guò)程中，通過(guò)水位壓力計(jì)算得出的監(jiān)測(cè)斷面水位變化較小，累計(jì)最大變化量為0.72 m 左右，小于監(jiān)測(cè)控制值。穿越過(guò)程中堤身水位變化與同期黃河水位變化較為一致， 表明大堤地下水位變化受黃河水位變化影響較大，盾構(gòu)穿越造成堤基滲流影響較小。

圖6 穿越期間大堤地下水位與黃河（濼口段）水位變化關(guān)系

4.4 無(wú)損檢測(cè)成果

選取大堤堤頂?shù)腤T1 測(cè)線探測(cè)成果進(jìn)行分析，如圖7。從圖7 可看出，大堤堤基地層橫波速度范圍在150～300 m/s，且自上而下速度逐漸增大，堤基橫波速度整體較高，近似層狀分布，未發(fā)現(xiàn)明顯隱患。

圖7 大堤面波測(cè)試成果

按堤基質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為質(zhì)量良好段。

4.5 安全評(píng)價(jià)

（1）隧道穿越影響后，大堤堤身及周邊環(huán)境巡查未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫、滑動(dòng)、滲水等異常情況，堤頂路面未出現(xiàn)裂縫及沉陷，大堤外觀影響較小。

（2）隧道穿越造成大堤一定程度的沉降變形，整體表現(xiàn)為先輕微隆起然后緩慢沉降， 各監(jiān)測(cè)斷面沉降變化連續(xù)，并最終趨于穩(wěn)定，未出現(xiàn)不均勻沉降，未發(fā)生土體的剪切破壞。

（3）穿越過(guò)程中堤身滲流變化與同期黃河水位變化較為一致，地下滲流場(chǎng)未破壞。

（4）面波檢測(cè)結(jié)果表明，在探測(cè)深度范圍內(nèi)，堤基橫波速度整體較高，近似層狀分布，大堤土體未發(fā)現(xiàn)脫空或不密實(shí)區(qū)。

多源監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，隧道穿越影響后，堤身結(jié)構(gòu)有一定程度的沉降變形，但整體變形趨于穩(wěn)定，地下滲流場(chǎng)未發(fā)生異常變化，堤身地層未發(fā)現(xiàn)脫空或不密實(shí)區(qū)，堤防工程質(zhì)量整體較好，堤防處于安全狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)盾構(gòu)隧道穿越黃河下游堤防影響問(wèn)題，基于實(shí)際工程背景，依托濟(jì)南濟(jì)濼路穿黃隧道工程，采用變形監(jiān)測(cè)、 滲壓監(jiān)測(cè)和無(wú)損檢測(cè)等多源監(jiān)測(cè)技術(shù)方法， 對(duì)隧道穿越期間及其后續(xù)階段引起的堤防沉降變形、 地下滲流變化及堤防地層波速變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析， 并對(duì)隧道穿越影響后的堤防安全進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。

（2）基于多源監(jiān)測(cè)技術(shù)的堤防安全影響評(píng)價(jià)方法充分考慮隧道穿越影響下堤防外部結(jié)構(gòu)變形、 內(nèi)部堤身隱患及基底滲流變化等因素。 通過(guò)對(duì)首例大直徑盾構(gòu)隧道工程穿越黃河下游堤防的監(jiān)測(cè)實(shí)例分析，基本掌握穿越工程對(duì)堤防的安全影響，為日益增多的過(guò)江隧道影響評(píng)價(jià)積累施工經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)參考。