地鐵盾構隧道下穿公路隧道安全監控的研究
摘要: 結合南京地鐵一號線一區間盾構隧道下穿公路隧道的具體工程實踐, 探討了兩種不同類型隧道互交穿越的施工監測技術, 根據影響安全的各因素, 采取可行的監測方案, 分析了盾構穿越公路隧道過程中監測數據的變化規律, 用于指導實踐, 保證了隧道結構和周邊環境的安全, 獲得滿意的結果。為同類型工程積累了經驗。關鍵詞: 盾構隧道; 公路隧道; 下穿; 安全監控中
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項目, 地鐵一號線盾構施工隧道(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, 在盾構機穿越公路隧道下方的施工過程中, 安全監控成為確保兩隧道結構安全的一項重要工作。
盾構機穿越地層為粘土性地層, 有淤泥質粉質粘土、粉質粘土、粉土等, 土質不均, 土質較差。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掘進。玄武湖公路隧道采用明挖順做法施工, 圍護結構采用SMW 法工法, 主體結構為鋼筋砼箱體結構, 底板為850mm 厚鋼筋砼, 墊層為200mm 厚素砼, 并沿公路隧道縱向設抗拔樁, 主體結構僅先于地鐵隧道2 月完成施工, 并預留了極小的盾構穿越空間。
2 安全監控方案
為保證盾構的安全通過和公路隧道的安全, 根據可能出現影響安全的因素, 選擇布置適當的監控方案, 使其能客觀地反映盾構通過公路隧道時的安全狀況。211 監測內容及測點的布置對盾構隧道進行管片襯砌沉降和收斂監測, 同時對公路隧道進行底板隆沉、隧道凈空收斂監測及圍巖壓力測試。其中管片變形點布置在盾構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; 考慮到盾構引起的地表沉降槽呈正態曲線分布[2 ] , 盾構隧道上方沉降量大, 向兩側逐漸減小, 因此布置成如圖1 (a) 所示的公路隧道底板隆沉點; 在公路隧道上行、下行隧道內沿盾構左右線隧道軸線布設公路隧道凈空收斂點; 在公路隧道與盾構隧道交叉處埋設6 個土體壓力測點, 布置于墊層與土體之間。所有測點如圖1 所示。
(a)
(b)
圖1 監測點布置圖
212 監測頻率及預警盾構機通常的平均掘進速度為每天12m , 在下穿公路隧道時放緩速度, 約每天8m 。盾構機接近公路隧道60m 前開始初測并按照規范要求的頻率進行觀測, 通過時每6 小時測量一次。同時當監測值累積變化接近或超過報警值時, 加大監測頻率。預警值按照Ⅲ 級監測管理[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值, 將警告值和控制值之間稱為警告范圍, 實測值落在此范圍, 應提出警告, 需要調整施工參數、采取施工對策; 警告值和基準值之間稱為注意范圍; 實測值落在基準值以下, 說明兩隧道和圍巖是穩定的。同時利用變化速率作為輔助監測基準。213 控制措施。為減小盾構施工對玄武湖公路隧道的影響, 在施工中應盡可能地減小對周圍土體的擾動和地表沉降, 關鍵技術是保持盾構開挖面的穩定和管片脫出盾尾后建筑空隙。盾構開挖面的穩定可以通過優化掘進參數來控制, 其重要參數有三個: 正面壓力、推進速度和出土控制。在盾構還未到達公路隧道的掘進過程中, 通過地表沉降曲線進行實測反饋, 以驗證選擇施工參數的合理性或據以調整優化施工參數。在通過公路隧道時減小正面壓力, 放慢推進速度, 加快出渣速度能達到降低地表隆起的目的; 相反, 采取提高正面壓力, 加快推進速度, 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定。
建筑的空隙的充填則采取同步與二次注漿。在盾構掘進過程中, 盡快在脫出盾尾后環形建筑空隙中充填足量的漿液進行同步注漿。二次注漿是彌補同步注漿的不足, 減小沉降的有效輔助手段, 在盾構下穿公路隧道時, 以達到控制地表沉降的目的。盾構通過后, 根據實時監測結果及時控制固結沉降, 在管片襯砌后實施跟蹤回填與固結注漿, 尤其是對拱部120°范圍內進行地層的固結注漿, 最大程度地保證公路隧道和盾構隧道的穩定。
同時注意盾構姿態的控制, 在盾構推進和管片拼裝時確保姿態不后退、不變向、不變坡, 保持連續均衡的施工。并且在公路隧道與盾構隧道互交處, 加載墊層, 沿玄武湖隧道縱向設抗拔樁。
3 實測情況分析
盾構左線于2002 年5 月16 日至19 日完成公路隧道段的施工。在盾構機接近公路隧道60m 到遠離公路隧道100m 這一階段, 連續對監測項目進行跟蹤監測分析。
(1) 土壓力分析圖2 是盾構機左線穿越公路隧道時, 土壓力的變化情況。
2) 從左線土壓力(Y1 、Y2 、Y3) 的變化情況來看, 盾構推進對左線上方土體有擠壓作用。盾構切口前方土壓略有下降(主要是泡沫影響所致), 但數值比較小; 盾構切口到達時與盾構土倉頂部壓力基本一致。
3) 盾尾到達時土壓上升(主要受同步注漿影響), 盾尾通過后土壓開始下降, 最終穩定但仍比掘進前略大。土壓下降是漿液固結收縮所致, 總體上同步注漿對地層有壓密作用。
4) 圖2 還反映出在盾構到達后, 土壓力不斷增加, 平均大約增加0106MPa , 隨后又減少了大約0104MPa 。說明盾構在推進時對周圍主體產生擠壓, 使壓力增加, 而后產生彈性恢復, 壓力減小。壓力經歷了減小—增大—減小的動態變化后, 其間使公路隧道和盾構隧道的受力發生變化, 控制不好會影響兩隧道的安全。
(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測, 到5 月23 日盾構已經完全穿出一段距離后, 公路隧道南北線29 個監測點最大隆沉值為119mm , 最小值011mm , 未影響公路隧道的安全。為分析盾構推進對公路隧道底板影響規律, 分別繪制公路隧道方向(南線) 沉降在不同時間段內的變化曲線圖, 以及典型點隨時間變化的曲線圖(圖3 , 圖4) 。
圖3 南線公路隧道底板各時段沉降曲線
圖4 典型地表點隨時間變化曲線
分析圖3 、圖4 可以得到以下結論:1) 盾構未到達公路隧道時, 地表有比較大的沉降量, 最大沉降量為116mm , 說明盾構正面對土體的推應力小于原始側向地應力。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主要沉降段。
2) 盾構通過時, 地表有隆起的現象, 最大值僅為017mm , 由于盾構切口到達時與盾構土倉頂部壓力基本一致, 微量隆起跟強注漿量有關。同時沒有出現大的隆起說明抗拔樁起到了抗拔的作用。
3) 盾構通過后, 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) 分析典型點沉降過程, 盾構到達前的沉降量占到總沉降量的95 % 以上, 速率為0108mmΠd。而通過時的隆起抵消了通過后由于土體的固結引起的沉降。
5) 監測數據顯示, 當覆土厚度不夠時, 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
監測數據顯示公路隧道的凈空收斂最大變化量為0187mm 。同時根據對地鐵管片連續的跟蹤監測表明, 相交處地鐵隧道最大累積收斂為1148mm , 最大累積沉降為0170mm 。考慮到讀數的誤差, 可以認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, 說明公路隧道已經趨于穩定, 盾構隧道安全穿越公路隧道。
4 結論
(1) 監測數據表明在盾構隧道穿越公路隧道期間, 盾構的各種參數設置比較適當, 在推進速度較快(約60mmΠmin) 的情況下, 保證了公路隧道的穩定; 同時為右線盾構隧道的再次穿越積累了經驗。
(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施工, 當覆土厚度不夠時, 可加載墊層和設置抗拔樁。監測結果表明一些變形數值遠遠小于控制值。在覆土最小僅為11004m 的狀態下, 盾構機安全穿越公路隧道, 為以后同類型工程積累寶貴的經驗。
(3) 在盾構推進時, 須加強周邊環境的監測, 根據實際情況來調整盾構推進參數, 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 [1 ] 唐益群等. 上海地鐵盾構施工引起地面沉降原因分析研究
[ 2 ] 張慶賀等. 盾構推進引起土體擾動理論分析與試驗研究
[ 3 ] 巖土工程監測規范. 北京: 中國計劃出版社, 996.
