大直徑鐵路盾構(gòu)隧道的施工監(jiān)測(cè)

季清清

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇南京211899)

近年來(lái)我國(guó)公共基礎(chǔ)交通事業(yè)發(fā)展迅猛，我國(guó)的高鐵線(xiàn)路總里程不斷增加，隨之出現(xiàn)了一大批高鐵隧道。高鐵隧道修建過(guò)程中不免會(huì)出現(xiàn)下穿既有工程的情況，此時(shí)必須對(duì)既有工程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以保證其工程安全性。在隧道下穿施工和監(jiān)控量測(cè)方面國(guó)內(nèi)已有許多專(zhuān)家和學(xué)者進(jìn)行了研究。唐文棟［1］等在了解現(xiàn)有隧道監(jiān)控量測(cè)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)有監(jiān)測(cè)的主要問(wèn)題，介紹了新型監(jiān)控量測(cè)技術(shù)手段及實(shí)際應(yīng)用，最后提出對(duì)現(xiàn)存問(wèn)題的解決意見(jiàn)；張棟［2］基于實(shí)際工程提出周邊的深基坑工程開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致地鐵出現(xiàn)變形，從而造成質(zhì)量隱患；并以此對(duì)緊鄰地鐵隧道深基坑開(kāi)挖時(shí)隧道變形監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析，具有一定參考價(jià)值。胡貴松［3］以上跨既有隧道施工為例，探討了在既有隧道內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，總結(jié)了自動(dòng)監(jiān)測(cè)的優(yōu)越性，能為類(lèi)似工程提供參考；關(guān)清輝［4］以某鐵路隧道下穿既有橋梁施工為依托，對(duì)施工前檢測(cè)，施工中監(jiān)控量測(cè)進(jìn)行研究，為此類(lèi)工程的施工提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考實(shí)例；張新［5］以金牛山隧道為例，對(duì)隧道下穿既有公路的綜合施工技術(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)合理的監(jiān)控量測(cè)技術(shù)指導(dǎo)施工，保證下穿施工段的沉降符合標(biāo)準(zhǔn)；曾繼光［6］結(jié)合龍洞堡機(jī)場(chǎng)隧道下穿既有建筑施工，綜合多種監(jiān)控量測(cè)方法，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果應(yīng)用至實(shí)際施工中，保證了既有建筑的安全運(yùn)營(yíng)；彭放枚［7］以實(shí)際工程為背景，對(duì)鄰近橋樁隧道施工監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出了對(duì)保證隧道鄰近橋樁安全施工建議措施；賀文濤［8］以實(shí)際地鐵工程為依托，提出對(duì)地鐵下穿施工時(shí)對(duì)周邊建筑沉降的監(jiān)控量測(cè)進(jìn)行管理，保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，輔助施工任務(wù)的順利完成；張英［9］以重慶市大坪地鐵車(chē)站為例，介紹了隧道下穿施工時(shí)監(jiān)控量測(cè)方法，并與隧道拱頂下沉和拱架應(yīng)力量測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了隧道圍巖支護(hù)的穩(wěn)定性；齊衛(wèi)濤［10］以隧道下穿環(huán)城高速為例，對(duì)淺埋暗挖CRD法下穿施工時(shí)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，并以此為基礎(chǔ)提出相應(yīng)的施工措施，保障了隧道安全施工及高速公路的安全運(yùn)營(yíng)。

以上各位專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)隧道下穿施工及監(jiān)控量測(cè)的研究已取得許多成果，但在大直徑盾構(gòu)隧道下穿既有工程方面的研究不多，本文即以新建北京至張家口鐵路JZSG-1標(biāo)段大直徑盾構(gòu)隧道為工程依托進(jìn)行隧道下穿施工監(jiān)控量測(cè)，探究下穿施工各階段對(duì)既有工程沉降變化的影響，揭示下穿施工對(duì)既有工程的影響規(guī)律，以保證上覆地鐵區(qū)間的安全運(yùn)營(yíng)，同時(shí)為以后類(lèi)似工程提供相關(guān)借鑒。

1 工程概況

1.1 既有隧道情況

新建京張鐵路清華園隧道盾構(gòu)段于DK15+826～DK15+847下穿緊鄰地鐵10號(hào)線(xiàn)知春路站的區(qū)間段，清華園隧道與10號(hào)線(xiàn)區(qū)間段交叉角度為79°，垂直凈距為6.5 m；清華園隧道距離地鐵10號(hào)線(xiàn)知春路站西側(cè)最小水平間距為1.5 m，具體位置關(guān)系可見(jiàn)圖1。

圖1 京張高鐵下穿地鐵10號(hào)線(xiàn)位置關(guān)系剖面

清華園隧道下穿的10號(hào)區(qū)間段采用暗挖施工，馬蹄形斷面高度為6.7 m，寬度為6.5 m，采用φ377夯管管棚支護(hù)，上下兩個(gè)臺(tái)階開(kāi)挖，襯砌采用C25噴射早強(qiáng)混凝土厚度為30 cm。

10號(hào)線(xiàn)知春路地鐵站沿東西走向長(zhǎng)度約172 m，南北方向西側(cè)寬度約為24 m、東側(cè)寬度約為37 m，清華園隧道從地鐵站西側(cè)區(qū)間段下穿；10號(hào)線(xiàn)知春路地鐵站左線(xiàn)(北側(cè)線(xiàn))為單層結(jié)構(gòu)、右線(xiàn)(南側(cè)線(xiàn))為雙層結(jié)構(gòu)，站廳層位于右線(xiàn)第一層。左線(xiàn)采用暗挖法施工，采用馬蹄形斷面高度為9.25 m，寬度為10.3 m，初支采用30 cm厚C25早強(qiáng)噴射混凝土，二襯采用50 cm厚C30模筑防水鋼筋混凝土。右線(xiàn)(南側(cè))采用明挖法施工，采用雙層矩形斷面，西側(cè)頂板厚度為80 cm，西側(cè)邊墻厚度為70 cm，西側(cè)底板厚度為90 cm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ800@1.4 m鉆孔樁，臨近清華園隧道樁底標(biāo)高為22.127 m，樁底距離盾構(gòu)管片最小距離為1.75 m。

1.2 工程重難點(diǎn)

(1)盾構(gòu)機(jī)直徑大，本工程修建高鐵隧道選用盾構(gòu)機(jī)直徑為12.64 m。

(2)本工程采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行高鐵隧道施工。

(3)下穿施工風(fēng)險(xiǎn)大，本工程是為高鐵隧道下穿既有地鐵線(xiàn)路10號(hào)線(xiàn)，垂直凈距僅6.5 m，下穿施工時(shí)必須保證既有地鐵線(xiàn)路的安全運(yùn)營(yíng)。

2 監(jiān)測(cè)方案及監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及頻率

本次監(jiān)測(cè)采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式對(duì)10號(hào)線(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)及車(chē)站結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及頻率見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及頻率

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)及監(jiān)測(cè)方法

2.2.1 基準(zhǔn)點(diǎn)與工作基點(diǎn)的埋設(shè)

基準(zhǔn)點(diǎn)采用城勘院給定的水準(zhǔn)網(wǎng)控制點(diǎn)或自行制作?；鶞?zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)在沉降影響范圍以外的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)；其次應(yīng)埋設(shè)最少兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和若干工作基點(diǎn)，以便基準(zhǔn)點(diǎn)及工作基點(diǎn)互相校核；基準(zhǔn)點(diǎn)與工作基點(diǎn)的埋設(shè)要牢固可靠，采用標(biāo)準(zhǔn)地表樁，必須將其埋入原狀土，并做好井圈和井蓋。在堅(jiān)硬的道面上埋設(shè)地表樁，應(yīng)鑿出道面和路基，將地表樁埋入原狀土，或鉆孔打入1 m以上的螺紋鋼筋做地表觀測(cè)樁，并同時(shí)打入保護(hù)鋼管套，如圖2所示。

圖2 基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)示意

基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)完畢并穩(wěn)定后，按國(guó)家精密水準(zhǔn)測(cè)量的要求進(jìn)行高程的引測(cè)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)的聯(lián)測(cè)也應(yīng)按國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量的要求進(jìn)行。監(jiān)測(cè)工作開(kāi)始后也應(yīng)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)進(jìn)行定期的檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)間間隔一般不超過(guò)3個(gè)月，具體也可視聯(lián)測(cè)結(jié)果作適當(dāng)調(diào)整。

利用水準(zhǔn)儀，采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)或工作基點(diǎn)組成閉合環(huán)或附合水準(zhǔn)路線(xiàn)，條件不具備時(shí)采用支點(diǎn)觀測(cè)。

監(jiān)測(cè)期每月不少于一次對(duì)水準(zhǔn)儀i角進(jìn)行檢查校正，觀測(cè)時(shí)嚴(yán)格控制各項(xiàng)限差，每測(cè)點(diǎn)讀數(shù)高差不超過(guò)0.3 mm，對(duì)不在水準(zhǔn)路線(xiàn)上的觀測(cè)點(diǎn)，一個(gè)測(cè)站不宜超過(guò)2個(gè)，超過(guò)時(shí)應(yīng)重讀后視點(diǎn)讀數(shù)，以作核對(duì)。

2.2.2 地表沉降及管線(xiàn)沉降監(jiān)測(cè)

(1)測(cè)點(diǎn)布置與埋設(shè)

嚴(yán)格按照審查后的監(jiān)測(cè)圖紙布點(diǎn)，運(yùn)營(yíng)道路沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)優(yōu)先考慮設(shè)置在輔路上，其次是道路兩側(cè)路邊及應(yīng)急停車(chē)帶，在道路中間的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，應(yīng)盡量避免將測(cè)點(diǎn)布置在道路中間。地表沉降點(diǎn)采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)點(diǎn)或淺層設(shè)點(diǎn)兩種方式，由于周邊環(huán)境和城市主干道交通十分繁忙無(wú)法或不允許按照標(biāo)準(zhǔn)法埋設(shè)監(jiān)測(cè)時(shí)宜采用淺層埋設(shè)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)，布設(shè)時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況靈活布設(shè)。

(2)監(jiān)測(cè)方法

利用水準(zhǔn)儀，采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)或工作基點(diǎn)組成閉合環(huán)或附合水準(zhǔn)路線(xiàn)，條件不具備時(shí)采用支點(diǎn)觀測(cè)。

監(jiān)測(cè)期每月不少于一次對(duì)水準(zhǔn)儀i進(jìn)行檢查校正，觀測(cè)時(shí)嚴(yán)格控制各項(xiàng)限差，每測(cè)點(diǎn)讀數(shù)高差不超過(guò)0.3mm，對(duì)不在水準(zhǔn)路線(xiàn)上的觀測(cè)點(diǎn)，一個(gè)測(cè)站不宜超過(guò)2個(gè)，超過(guò)時(shí)應(yīng)重讀后視點(diǎn)讀數(shù)，以作核對(duì)。

具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方式見(jiàn)圖3，本次監(jiān)測(cè)分別在地鐵車(chē)站縱向、地鐵管線(xiàn)上方橫向地表、地鐵線(xiàn)軌道床布置測(cè)點(diǎn)。

圖3 監(jiān)控量測(cè)平面布置

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

本工程監(jiān)測(cè)采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，監(jiān)測(cè)時(shí)間從高鐵隧道掘進(jìn)施工影響既有工程到既有工程完全脫離盾構(gòu)掘進(jìn)影響范圍結(jié)束。

3.1 地鐵車(chē)站監(jiān)測(cè)結(jié)果

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)時(shí)間從地鐵車(chē)站開(kāi)始沉降至高鐵隧道完全穿過(guò)車(chē)站，測(cè)試時(shí)間為2018年9月20日～2018年11月12日，測(cè)得數(shù)據(jù)54個(gè)。

對(duì)于知春路地鐵站監(jiān)測(cè)時(shí)測(cè)點(diǎn)是沿盾構(gòu)隧道掘進(jìn)方向布置，本文沿縱向選取8個(gè)測(cè)點(diǎn)提取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行沉降變化分析。具體沉降變化見(jiàn)圖4。

圖4 知春路站時(shí)間沉降曲線(xiàn)

由圖4可知，隨高鐵隧道的施工推進(jìn)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)逐步開(kāi)始出現(xiàn)沉降，并且隨著高鐵隧道推進(jìn)的過(guò)程中地鐵車(chē)站沉降變化趨勢(shì)為先增大后有輕微回彈然后保持平穩(wěn)。在第15 d時(shí)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)沉降基本已達(dá)到平穩(wěn)，第30 d時(shí)，沉降值已經(jīng)全部平穩(wěn)，基本再變化。8個(gè)測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本相同，但各個(gè)測(cè)點(diǎn)沉降最大值并不一致，其中測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3沉降較小，且基本相同，最后沉降值穩(wěn)定1.3 mm左右，而測(cè)點(diǎn)1/5/7的最終沉降大小基本相同，最后穩(wěn)定在2 mm左右，在8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，測(cè)點(diǎn)4沉降值是最大的，接近2.5 mm，出現(xiàn)各個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得沉降值這種變化的原因是地鐵車(chē)站本身結(jié)構(gòu)并不是處處相同，在車(chē)站下方有承重基礎(chǔ)的地方，車(chē)站本身的沉降越小。

3.2 地鐵管線(xiàn)地表監(jiān)測(cè)結(jié)果

此類(lèi)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置在地鐵管線(xiàn)對(duì)稱(chēng)面上方地表，測(cè)點(diǎn)沿地鐵線(xiàn)縱向布置，即布置方向與高鐵隧道施工方向垂直，布置范圍為高鐵隧道中線(xiàn)左右50 m，向右為正，向左為負(fù)。本文監(jiān)測(cè)即針對(duì)高鐵隧道施工影響分的五個(gè)階段進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析；即第一階段為盾構(gòu)施工達(dá)到下穿影響區(qū)，第二階段為盾構(gòu)切口到達(dá)下穿點(diǎn)，第三階段為盾構(gòu)機(jī)施工穿過(guò)下穿點(diǎn)，第四階段為盾構(gòu)機(jī)尾部空隙沉降，第五階段便是下穿點(diǎn)盾構(gòu)施工完成后出現(xiàn)的后續(xù)長(zhǎng)期沉降。具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示。由圖5可以看出盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工時(shí)各個(gè)階段地鐵線(xiàn)上方的地表沉降變化規(guī)律。各個(gè)階段施工影響獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一致，沉降最大值發(fā)生位置為高鐵隧道中線(xiàn)正上方，發(fā)生階段為第五階段，大小為2.71 mm。隨高鐵隧道的推進(jìn)施工，各個(gè)測(cè)點(diǎn)逐漸開(kāi)始沉降，且越靠近高鐵隧道中線(xiàn)，沉降值越大，位于中線(xiàn)正上方測(cè)點(diǎn)測(cè)得沉降值最大；而在盾構(gòu)施工影響的各個(gè)階段中，隨階段的發(fā)展地表沉降值也隨之增加，即各個(gè)測(cè)點(diǎn)第一階段的沉降值最小，第五階段的沉降值最大。

由圖5可以看出沿測(cè)點(diǎn)分布線(xiàn)各階段測(cè)點(diǎn)測(cè)得整體沉降值變化規(guī)律基本相同，且鄰近階段沉降值變化最大的是第二階段到第三階段，即為盾構(gòu)下穿施工時(shí)期沉降變化最大其中第二階段最大沉降值為2 mm，第三階段最大沉降值為2.5 mm。從第四階段至第五階段測(cè)得沉降值變化很小，監(jiān)測(cè)獲得最大沉降值均在2.7 mm左右，這說(shuō)明本工程在沉降控制方面的措施效果很好，盾構(gòu)施工結(jié)束后后續(xù)沉降基本沒(méi)有發(fā)生。

圖5 地鐵線(xiàn)上方橫向地表沉降

3.3 地鐵管線(xiàn)軌道床監(jiān)測(cè)結(jié)果

本文在對(duì)軌道床受施工影響方面選擇軌道床沉降、高低、扭曲等軌道不平順值進(jìn)行研究，在這里選取地鐵10號(hào)線(xiàn)的左線(xiàn)進(jìn)行研究，具體的對(duì)左線(xiàn)軌道床監(jiān)測(cè)獲得的不平順值見(jiàn)表2。

表2 地鐵10號(hào)線(xiàn)軌道不平順計(jì)算值

表2即為地鐵10號(hào)線(xiàn)左線(xiàn)軌道床監(jiān)測(cè)獲得的不平順值計(jì)算結(jié)果，其中扭曲最大值是選取3 m為一個(gè)階段進(jìn)行計(jì)算。由表可知，地鐵10號(hào)線(xiàn)的軌道床不平順計(jì)算值最大值均發(fā)生在盾構(gòu)施工的第三階段，即盾構(gòu)施工下穿階段，同時(shí)通過(guò)對(duì)照以往工程發(fā)現(xiàn)本工程中地鐵線(xiàn)軌道不平順值均未超過(guò)控制值，保證了既有地鐵線(xiàn)路的安全運(yùn)營(yíng)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)高速鐵路大直徑盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵線(xiàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地鐵車(chē)站、地鐵管線(xiàn)上方地表等的沉降以及地鐵管線(xiàn)軌道床不平順值變化。

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和研究，揭示了大直徑高鐵盾構(gòu)隧道下穿施工時(shí)的影響規(guī)律，同時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析對(duì)施工進(jìn)行指導(dǎo)，保證了既有工程的正常運(yùn)營(yíng)，對(duì)以后類(lèi)似工程修建時(shí)保證既有隧道安全運(yùn)營(yíng)具有提供參考借鑒。