盾構(gòu)下穿地鐵13號線清河高架橋地表沉降監(jiān)測

宋曉宇，劉 濤，梁青槐

(北京交通大學(xué)，北京 100044)

1 工程概況

團(tuán)城湖至第九水廠輸水工程是南水北調(diào)北京段配套工程的重要組成部分，一期工程第4標(biāo)段(樁號4+183—8+066)始于龍背村，最終與關(guān)西莊泵站相接，在樁號4+960處下穿地鐵13號線清河高架橋，交角為83°。輸水隧道中心線距13號線高架橋的橋墩凈距分別為8.0 m、11.5 m，隧道結(jié)構(gòu)與最近的樁的距離分別為5.27 m和8.76 m，隧道和高架橋的位置關(guān)系如圖1所示。13號線在該處為鋼筋混凝土箱型連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，梁長72.0 m，穿越工程兩側(cè)的22#橋墩和23#橋墩樁長分別為29.5 m和27.0 m，橋基為鉆孔灌注樁，基底在穿越區(qū)域的側(cè)下方。輸水隧洞采用盾構(gòu)法施工，圓形斷面，盾構(gòu)設(shè)備選用日本IHI制造的外徑6.14 m土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。外層襯砌承受外部荷載，為厚0.30 m拼裝預(yù)制鋼筋混凝土管片;內(nèi)層襯砌承受內(nèi)部水壓，為厚0.35 m現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。輸水隧洞建成后內(nèi)徑為4.70 m，外徑為6.00 m。隧道穿越段基本上為直線，隧道埋深10 m，穿越段長30 m。輸水隧道沿地面以下30 m深度范圍內(nèi)土層主要為人工堆積層和第四紀(jì)沉積層，所在土層從上到下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、礫砂、粉土、細(xì)砂和礫砂，隧道大部分在粉質(zhì)黏土層和細(xì)砂層中，且主要在粉質(zhì)黏土層中。

2 施工進(jìn)度及監(jiān)測情況

圖1 輸水隧道與地鐵13號線位置(單位:高程為m，長度為 cm)

盾構(gòu)機(jī)于2007年10月10日掘進(jìn)到地鐵13號線清河高架橋附近，10月10日21時開始下穿施工，控制掘進(jìn)速度為55～60 mm/min，10月11日凌晨3時完成穿越。穿越完成之后以平均每天30環(huán)(36 m)的速度進(jìn)行掘進(jìn)施工。根據(jù)穿越工程施工進(jìn)度及工后變形發(fā)展情況，第三方監(jiān)測于2007年9月14日開始，到2008年10月14日結(jié)束。

盾構(gòu)隧道下穿地鐵13號線清河高架橋的監(jiān)測對象為下穿影響范圍的高架線路及地表，具體監(jiān)測項目包括拱頂對應(yīng)地表、21#～24#橋墩豎向位移、道床裂縫、軌道結(jié)構(gòu)沉降、軌道結(jié)構(gòu)幾何形位和無縫線路鋼軌位移。根據(jù)工程特點(diǎn)，在施工過程中采用自動和人工監(jiān)測兩種監(jiān)測手段。本文重點(diǎn)就穿越過程中上部地表沉降和橋墩豎向位移進(jìn)行分析。

拱頂對應(yīng)地表沉降和21#～24#橋墩豎向位移監(jiān)測采用精密水準(zhǔn)測量方法。控制網(wǎng)采用一等水準(zhǔn)測量精度要求施測，觀測點(diǎn)采用二等水準(zhǔn)測量精度要求施測，監(jiān)測精度為0.3 mm。下穿施工期間及施工結(jié)束后24 h內(nèi)每2 h進(jìn)行一次，之后每天觀測一次，再后根據(jù)變形的穩(wěn)定情況對監(jiān)測頻率進(jìn)行調(diào)整。施工監(jiān)測按三級控制指標(biāo)進(jìn)行管理，分別為控制值、報警值和預(yù)警值。具體監(jiān)測項目的監(jiān)測精度和控制指標(biāo)如表1所示。

拱頂對應(yīng)地表沉降測點(diǎn)布置于盾構(gòu)隧洞拱頂對應(yīng)地表上，從拱頂中心對應(yīng)地表位置向兩側(cè)15 m范圍內(nèi)每5 m布設(shè)一地表測點(diǎn)，15～25 m范圍內(nèi)每10 m布設(shè)一地表測點(diǎn)。布設(shè)3排地表測點(diǎn)，排間距為5 m，共布設(shè)27個地表測點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 拱頂對應(yīng)地表沉降監(jiān)測點(diǎn)布置

21#～24#橋墩豎向位移測點(diǎn)布設(shè)于橋墩的墩臺上，每個橋墩2個測點(diǎn)，共布設(shè)8個橋墩沉降監(jiān)測點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 21#～24#橋墩豎向位移監(jiān)測點(diǎn)布置

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 拱頂對應(yīng)地表沉降分析

拱頂對應(yīng)地表第一、二、三排測點(diǎn)的沉降時程曲線分別如圖4、圖5和圖6所示，地表土體變形控制在(-0.4 mm，1.4 mm)，遠(yuǎn)小于監(jiān)測預(yù)警值(±4.1 mm)，工法改進(jìn)優(yōu)化和防護(hù)加固控制起到了較好的作用。

圖4 拱頂對應(yīng)地表沉降時程曲線

圖5 拱頂對應(yīng)地表沉降時程曲線

圖6 拱頂對應(yīng)地表沉降時程曲線

由于總的變形量相對監(jiān)測精度較小，故測量誤差會導(dǎo)致變形曲線波動較大，但總體趨勢仍有一定的規(guī)律性。綜合拱頂對應(yīng)地表三排測點(diǎn)沉降時程曲線的大致趨勢，可以按照盾構(gòu)到達(dá)13號線高架橋影響區(qū)域的位置關(guān)系分為6個階段。

1)盾構(gòu)未到達(dá)階段(9月28日到10月2日)。拱頂對應(yīng)地表從9月28日開始監(jiān)測，到10月2日離下穿施工還有8 d，盾構(gòu)機(jī)距離高架橋約290 m處時，三排測點(diǎn)沉降量分別達(dá)到(-0.1 mm，0.3 mm)、(0.2 mm，0.5 mm)、(0，0.4 mm)。這一階段盾構(gòu)還未到達(dá)高架橋影響區(qū)域，拱頂對應(yīng)地表沉降曲線相對平穩(wěn)，三排測點(diǎn)沉降曲線分別在(±0.3 mm)、(-0.1 mm，0.5 mm)和(-0.2 mm，0.4 mm)小幅波動。

2)盾構(gòu)到達(dá)前階段(10月2日到10月3日)。10月3日離下穿施工還有1周，盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)到距離高架橋約250 m，三排測點(diǎn)沉降量分別達(dá)到(-0.4 mm，0)、(-0.3 mm，0.1 mm)和(-0.4 mm，0.1 mm)。這一階段盾構(gòu)開始進(jìn)入高架橋影響區(qū)域，下穿施工造成土體輕微擾動，地表土體下沉相對未達(dá)到階段波動速度要快，尤其是最接近盾構(gòu)機(jī)的第三排測點(diǎn)，但下沉量比較小。

3)盾構(gòu)到達(dá)階段(10月 3日到 10月 7日)。10月7日離下穿施工還有3 d，盾構(gòu)機(jī)距離高架橋約110 m，三排測點(diǎn)地表隆起分別達(dá)到(0.6 mm，1.2 mm)、(0.5 mm，1.4 mm)和(0.5 mm，1.3 mm)。這一階段盾構(gòu)逼近高架橋影響區(qū)域，土體擾動進(jìn)一步加劇，但盾構(gòu)對土體的擠壓起到主導(dǎo)作用，拱頂對應(yīng)地表隆起增長很快，隆起速度達(dá)到0.4 mm/d。

4)盾構(gòu)下穿階段(10月7日到10月11日)。10月10日晚盾構(gòu)下穿高架橋，11日凌晨完成穿越。這一階段拱頂對應(yīng)地表隆起量小幅波動。盾構(gòu)到達(dá)高架橋，土體擾動繼續(xù)加劇，但輸水隧道兩側(cè)雙排旋噴樁以及其他防護(hù)加固措施起到了有效的作用，抵消了盾構(gòu)擠壓的部分影響，這一階段地表隆起分別在(0.6 mm，1.2 mm)、(0.5 mm，1.4 mm)和(0.5 mm，1.3 mm)波動。

5)盾構(gòu)離開階段(10月11日到10月18日)。10月18日下穿施工完成已經(jīng)1周，盾構(gòu)距離高架橋約250 m，三排測點(diǎn)隆起量已經(jīng)減小到(0，0.5 mm)、(0，0.7 mm)和(0.2 mm，0.7 mm)。這一階段土體開始以較慢的速度向下產(chǎn)生位移。盾構(gòu)離開高架橋不遠(yuǎn)，仍會造成土體擾動，而盾構(gòu)推過后土體損失，新建隧道和周邊土體暫時未到達(dá)平衡狀態(tài)，地表下沉速度較快。

6)后續(xù)穩(wěn)定階段(10月18日到12月9日)。這一階段拱頂對應(yīng)地表沉降逐漸趨于穩(wěn)定。盾構(gòu)已遠(yuǎn)離高架橋，而新建隧道和周邊土體逐步達(dá)到平衡狀態(tài)，地表變位逐步穩(wěn)定。

3.2 橋墩豎向位移分析

隧道兩側(cè)的22#～23#橋墩豎向位移時程曲線如圖7所示，監(jiān)測期間橋墩豎向位移控制在(-1 mm，1.1 mm)，小于監(jiān)測預(yù)警值(±2.0 mm)，控制措施效果明顯。

綜合22#～23#橋墩豎向位移時程曲線的大致趨勢，可以按照盾構(gòu)到達(dá)13號線高架橋影響區(qū)域的位置關(guān)系分為5個階段:

1)盾構(gòu)未到達(dá)階段(9月14日到9月 28日)。9月14日開始監(jiān)測，9月28日距下穿施工還有12 d，盾構(gòu)機(jī)距離高架橋約440 m，橋墩豎向位移達(dá)到(-0.2 mm，0.1 mm)。這一階段盾構(gòu)還未到達(dá)高架橋影響區(qū)域，橋墩豎向位移曲線相對平穩(wěn)，變形在(-0.6 mm，0.2 mm)小幅波動。

圖7 22#-23#橋墩豎向位移監(jiān)測點(diǎn)沉降時程曲線

2)盾構(gòu)到達(dá)前階段(9月28日到10月3日)。這一階段橋墩快速下沉，10月3日橋墩豎向位移達(dá)到(-1.0 mm，-0.2 mm)。橋墩比地表提前進(jìn)入前期到達(dá)前下沉階段，且下沉量相對較大，主要是因?yàn)槌惺芰熊噭雍奢d的橋樁更容易感應(yīng)到土體擾動，土體的輕微擾動致使橋梁樁周阻力減小，樁底分擔(dān)的支撐力增加，橋墩開始下沉。

3)盾構(gòu)到達(dá)階段(10月3日到10月7日)。10月3日起橋墩快速上抬，10月7日橋墩豎向位移達(dá)到(0.6 mm，0.9 mm)。這一階段盾構(gòu)到達(dá)高架橋影響區(qū)域，土體擾動進(jìn)一步加劇，但盾構(gòu)對土體的擠壓起到主導(dǎo)作用，帶動橋墩快速產(chǎn)生向上位移，橋墩豎向位移迅速由負(fù)轉(zhuǎn)正，隆起速度達(dá)到0.45 mm/d。

4)盾構(gòu)下穿階段(10月7日到10月11日)。這一階段橋墩豎向位移小幅波動。盾構(gòu)到達(dá)高架橋，土體擾動繼續(xù)加劇，但輸水隧道兩側(cè)雙排旋噴樁以及其他防護(hù)加固措施起到了有效的作用，抵消了盾構(gòu)擠壓的部分影響，橋墩豎向位移在(0.3 mm，1.1 mm)波動。

5)盾構(gòu)離開階段(10月11日到10月13日)。10月13日下穿施工完成已2 d，盾構(gòu)遠(yuǎn)離高架橋約70 m，橋墩豎向位移減小到(0.1 mm，0.5 mm)。這一階段橋墩產(chǎn)生向下位移，速度較快。盾構(gòu)離開高架橋，盾構(gòu)支撐作用消失，土體擾動起主要作用，樁周阻力繼續(xù)減小，橋墩產(chǎn)生向下位移。

6)后續(xù)穩(wěn)定階段(10月13日到12月9日)。這一階段橋墩豎向位移曲線逐步達(dá)到穩(wěn)定。橋墩豎向位移比地表提前進(jìn)入后續(xù)穩(wěn)定階段，主要是因?yàn)橥馏w擾動雖然依舊存在，但橋墩樁受力主要由樁阻力承擔(dān)，樁周阻力的減小不會使橋樁繼續(xù)下沉。橋墩豎向位移提前達(dá)到穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1)暗涵下穿地鐵13號線清河高架橋期間，拱頂對應(yīng)土體和橋墩豎向位移經(jīng)歷了“未到達(dá)時穩(wěn)定、到達(dá)前下沉、盾構(gòu)到達(dá)時快速隆起、下穿時小幅波動、下穿后緩慢下沉、后續(xù)穩(wěn)定”6個變形階段。

2)橋墩和地表土體有一定的連動作用，橋墩一般會隨著土體產(chǎn)生相應(yīng)的位移，但不完全一致。前期橋墩比地表對土體擾動更敏感，輕微擾動就會產(chǎn)生向下位移。但橋墩也能更快地克服土體擾動，下穿后迅速達(dá)到平衡狀態(tài)，地表土體達(dá)到穩(wěn)定需要一個較長的過程。

3)下穿前14 d橋墩開始以較快的速度下沉，下穿前7 d幾乎達(dá)到最大，而土體沉降相對較小。下穿前7 d土體和橋墩開始迅速產(chǎn)生向上位移，2～3 d內(nèi)隆起幾乎達(dá)到最大，然后一致持續(xù)到下穿完成。因此下穿前14 d(約400 m)就要開始關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)的沉降情況，下穿前7 d(距離高架線約200 m)就要關(guān)注周邊土體和橋梁結(jié)構(gòu)的隆起情況，并做好相應(yīng)的防護(hù)作用。

4)輸水隧道兩側(cè)雙排旋噴樁的隔離防護(hù)作用極大地減少了下穿施工對土體和橋梁結(jié)構(gòu)的影響，施工過程中及時地補(bǔ)注漿液減緩了盾構(gòu)穿過后土體的下沉速度。穿越工程必須做到主動控制(優(yōu)化施工方法)和被動控制(防護(hù)加固)相結(jié)合。

［1］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50157—2003 地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

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［5］潘海澤，蔣冰玉，石嶸，等.盾構(gòu)施工地面沉降監(jiān)測技術(shù)在天津地區(qū)的應(yīng)用研究［J］.鐵道建筑，2010(3):49-52.