復(fù)合地層新建隧道穿越既有地鐵車(chē)站變形實(shí)測(cè)分析

摘要：結(jié)合某地鐵線(xiàn)下穿既有隧道監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，研究新建隧道接近既有建筑物的施工過(guò)程的監(jiān)測(cè)方法，從而建立一套較完備、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方案。采用已建立的監(jiān)測(cè)方案，系統(tǒng)分析新開(kāi)挖隧道對(duì)既有建筑物周?chē)馏w的變形規(guī)律，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：新建盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工對(duì)既有建筑物周?chē)馏w的影響范圍有限，不會(huì)引起既有線(xiàn)路的整體偏移;斷面節(jié)點(diǎn)沉降曲線(xiàn)表現(xiàn)出，既有線(xiàn)路的水平及豎向位移大幅增長(zhǎng)均發(fā)生在盾構(gòu)機(jī)完成下穿既有線(xiàn)路之后，其中有斷面的隆起超出控制值，這是后期監(jiān)測(cè)應(yīng)重視的關(guān)鍵點(diǎn)。

Abstract： Combined with the monitoring project of Line 10 crossing the existing line 4， the monitoring method of the construction process of the newly excavated tunnel approaching the existing line was studied， so as to establish a complete and systematic monitoring scheme. The established monitoring scheme is adopted to systematically analyze the deformation law of newly excavated tunnel on the soil around the existing buildings. The monitoring data shows that the influence range of newly excavated shield tunnel tunneling construction on the soil around the existing buildings is limited and will not cause the overall migration of existing lines. The settlement curve of the section node shows that the significant increase of horizontal and vertical displacement of the existing line occurs after the shield machine completes the undercrossing of the existing line， in which the uplift of the section exceeds the control value， which is the key point that should be paid attention to in the later monitoring.

關(guān)鍵詞：新建隧道;既有建筑物;監(jiān)測(cè)方法;變形

Key words： new tunnel;existing buildings;monitoring methods;deformation

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）22-0126-03

0? 引言

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的急劇發(fā)展，城市規(guī)模大幅擴(kuò)張，我國(guó)許多城市出現(xiàn)了“城市綜合征”，主要表現(xiàn)為城市人口飽和，建筑空間擁擠和交通阻塞等問(wèn)題[1]。其中交通阻塞被認(rèn)為是國(guó)內(nèi)許多城市廣泛存在的問(wèn)題。合理利用和開(kāi)發(fā)地下空間，倡導(dǎo)公共交通出行，成為緩解交通壓力的有效途徑。地鐵作為一種能夠快速解決城市中交通阻塞、緩解交通壓力的交通措施，在城市交通工程中處于舉重若輕的位置。

隧道在開(kāi)挖過(guò)程中，會(huì)造成隧道周?chē)欢▍^(qū)域內(nèi)土體擾動(dòng)與沉降，改變土體原有的平衡狀態(tài)[2]。軌道交通規(guī)劃線(xiàn)路往往會(huì)途徑人口密集，交通繁忙，建筑林立的市區(qū)。新建隧道的開(kāi)挖會(huì)對(duì)既有建筑物的安全產(chǎn)生影響。當(dāng)土體沉降達(dá)到閾值時(shí)，會(huì)對(duì)建筑物的安全使用產(chǎn)生不可恢復(fù)的影響。新建隧道施工穿越既有構(gòu)筑物時(shí)，若土體的沉降、變形沒(méi)有得到有效的控制，會(huì)造成路面沉陷、坍塌，造成嚴(yán)重的事故[3-5]。因此隧道在施工過(guò)程中，必須及時(shí)、準(zhǔn)確進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)報(bào)險(xiǎn)情，保證隧道施工的安全[6]。

1? 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況和周邊環(huán)境

本站為地下三層12.5m島式站臺(tái)車(chē)站。車(chē)站外包長(zhǎng)度332.3m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度22.1m，西端盾構(gòu)加寬段寬度34.22m，東端盾構(gòu)加寬段寬度25.62m，覆土厚度約3～4.2m。站區(qū)間左線(xiàn)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度912.065m，短鏈18.734m;右線(xiàn)長(zhǎng)度930.457m，短鏈0.343m;覆土厚度在12m至25m區(qū)間。采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工，依次穿越的地層為：卵石、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗、粗砂、礫砂等。局部存在上軟下硬地層。本區(qū)間的場(chǎng)地條件較復(fù)雜，兩側(cè)及頂部地面的建構(gòu)筑物較多，依次下穿現(xiàn)有地鐵4號(hào)線(xiàn)。場(chǎng)地內(nèi)管線(xiàn)復(fù)雜，主要有電力電纜、雨水、給水、污水、燃?xì)夂吐窡舻取Ｋ淼榔矫娌贾萌鐖D1所示。

1.2 水文地質(zhì)概況

根據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告，根據(jù)土的結(jié)構(gòu)特征以及物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)綜合分析，將場(chǎng)地土劃分為8個(gè)主要層次，自上而下依次為：①素填土;②雜填土;③淤泥質(zhì)黏土;④淤泥質(zhì)砂;⑤粉質(zhì)粘土;⑥粉砂;⑦細(xì)砂;⑧花崗巖。

本場(chǎng)地淺部地下水屬于潛水類(lèi)型，賦存于填土中，主要由大氣降水和地表水補(bǔ)給，排泄主要表現(xiàn)為大氣蒸發(fā)和向場(chǎng)地南側(cè)的深圳河排泄;本場(chǎng)地第一承壓水主要存在于粉質(zhì)粘土層，該層主要是通過(guò)地下徑流補(bǔ)給和排泄，水量較豐富?？辈炱陂g測(cè)得地下穩(wěn)定水位埋深1.20～7.30m，高程-1.84～3.03m。根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)地下水位的年平均變化幅度為0.5～2.0m。

2? 監(jiān)測(cè)方法

2.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

新隧道的開(kāi)挖方式、進(jìn)尺大小，開(kāi)挖部分無(wú)支護(hù)的暴露時(shí)間等因素與近距離既有建筑物的安全、運(yùn)營(yíng)存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，這就要求做好監(jiān)測(cè)工作，保證隧道施工及既有建筑物的安全。本項(xiàng)目根據(jù)相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，主要負(fù)責(zé)受地鐵隧道下穿及車(chē)站施工過(guò)程中施工影響區(qū)段的水平位移及沉降監(jiān)測(cè)。10號(hào)線(xiàn)施工位置處于4號(hào)線(xiàn)的下方，下穿的震動(dòng)及受力的變化容易對(duì)10號(hào)線(xiàn)對(duì)應(yīng)位置產(chǎn)生變形。4號(hào)線(xiàn)處于運(yùn)營(yíng)階段，沉降變形要求高，因此利用科學(xué)有效的監(jiān)測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)既有線(xiàn)隧道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保地鐵4號(hào)線(xiàn)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全。

2.2 監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)

為降低隧道開(kāi)挖過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，需有一套針對(duì)隧道開(kāi)挖引起的土體變形的預(yù)警機(jī)制。依據(jù)《城市軌道交通安全保護(hù)區(qū)施工管理辦法》2018版，當(dāng)實(shí)際變形值達(dá)到最大允許變形值的60%時(shí)，須向有關(guān)單位發(fā)出黃色預(yù)警;當(dāng)達(dá)到最大變形允許值的80%時(shí)，應(yīng)發(fā)出橙色報(bào)警;當(dāng)超過(guò)最大變形允許值時(shí)，應(yīng)發(fā)出紅色報(bào)警。且當(dāng)首次報(bào)警后，若測(cè)點(diǎn)以較大的速率繼續(xù)下沉變形，應(yīng)視情況繼續(xù)報(bào)警。本項(xiàng)目變形監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)如表1所示。

2.3 監(jiān)測(cè)頻率

本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)工期：初始值在注漿之前1周之內(nèi)完成，停止時(shí)間為最后100天平均變形速率小于0.04mm/d，具體時(shí)間以施工進(jìn)度為準(zhǔn)。

如現(xiàn)場(chǎng)無(wú)異常情況則按上述頻率正常觀(guān)測(cè)，若出現(xiàn)以下情形時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整監(jiān)測(cè)頻率：①當(dāng)出現(xiàn)工程事故或其它因素造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)增加監(jiān)測(cè)頻率（采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目應(yīng)同時(shí)輔以人工監(jiān)測(cè)復(fù)核），第一時(shí)間通知業(yè)主、監(jiān)理和施工方，并根據(jù)業(yè)主的指示增加監(jiān)測(cè)頻率直至危險(xiǎn)或安全隱患解除。②當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的累計(jì)變化值接近或超過(guò)報(bào)警值時(shí)，自行增加相應(yīng)區(qū)段監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)頻率，直至監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)。

2.4 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)中監(jiān)測(cè)斷面、監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)的選取非常重要。通過(guò)選取反映隧道結(jié)構(gòu)局部或整體變形以及處于重要結(jié)構(gòu)部位的位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，由點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)測(cè)斷面，再由這些點(diǎn)與面的變化情況來(lái)反映隧道結(jié)構(gòu)變形的實(shí)際狀況。

2.4.1 基準(zhǔn)點(diǎn)布置

該項(xiàng)目在施工影響范圍之外兩端處共設(shè)置8個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)標(biāo)志采用徠卡圓棱鏡。埋設(shè)方法：在連接頭下端焊接φ16長(zhǎng)約20cm的鋼筋，用φ18的鉆頭沖擊成孔，清孔后灌注植筋膠，再把標(biāo)志打入孔中，待膠固化后將園棱鏡套上并扎實(shí)。

2.4.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)測(cè)斷面是受測(cè)處的隧道正交橫斷面，并在該斷面上布置有多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)斷面盡可能在測(cè)量范圍內(nèi)的隧道段中均勻分布。在地鐵4號(hào)線(xiàn)區(qū)間施工影響區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)斷面布置如圖2。

2.4.3 儀器安裝

徠卡自動(dòng)化全站儀是整個(gè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最主要的部分。它本身能夠自動(dòng)整平、自動(dòng)調(diào)焦、自動(dòng)正倒鏡觀(guān)測(cè)、自動(dòng)進(jìn)行誤差改正、自動(dòng)記錄觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，及其獨(dú)有的ATR（Automatic Target Recognition，自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別）模式，使全站儀能進(jìn)行自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別，操作人員一旦粗略瞄準(zhǔn)棱鏡后，全站儀就可搜尋到目標(biāo)，并自動(dòng)瞄準(zhǔn)的這些功能在整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)揮著重大的作用，安置方法見(jiàn)圖3。

3? 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)本文所述的監(jiān)測(cè)方案，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，本文僅對(duì)隧道內(nèi)9個(gè)斷面中的節(jié)點(diǎn)2進(jìn)行水平位移和豎直沉降進(jìn)行分析。

3.1 左線(xiàn)實(shí)測(cè)結(jié)果分析

10號(hào)線(xiàn)穿過(guò)既有線(xiàn)路工程耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)變形控制要求高。本文對(duì)該工程近2年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，因數(shù)據(jù)量龐大、繁雜，為保證處理結(jié)果簡(jiǎn)潔明了，遂對(duì)時(shí)間變量進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。將時(shí)間變量t設(shè)為4周為一周期進(jìn)行處理，處理結(jié)果如圖4～圖7所示。其中2018年10月5日進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注漿加固施工;2018年12月28日10號(hào)線(xiàn)右線(xiàn)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行下穿4號(hào)線(xiàn)施工;2019年1月18日10號(hào)線(xiàn)右線(xiàn)盾構(gòu)機(jī)完成下穿4號(hào)線(xiàn)施工;2019年4月12日10號(hào)線(xiàn)左線(xiàn)盾構(gòu)機(jī)正在下穿4號(hào)線(xiàn)施工;2019年4月26日10號(hào)線(xiàn)左線(xiàn)盾構(gòu)機(jī)完成下穿4號(hào)線(xiàn)施工。

圖4、圖5為右線(xiàn)隧道未開(kāi)挖階段到完成下穿4號(hào)線(xiàn)階段各測(cè)點(diǎn)的變形曲線(xiàn)。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果結(jié)合隧道開(kāi)挖引起的變形特性可得[7]：①隧道內(nèi)的2號(hào)點(diǎn)累積最大水平位移5.9mm，小于結(jié)構(gòu)變形量預(yù)警值6mm，屬于正常范圍;②在隧道為開(kāi)挖前，隧道變形值處于較平穩(wěn)狀態(tài);③土體變形量從A點(diǎn)起發(fā)生急劇變化，A時(shí)間點(diǎn)10號(hào)線(xiàn)右線(xiàn)盾構(gòu)機(jī)完成下穿4號(hào)線(xiàn)施工，這與盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖引起的土體變形特征相吻合。由于盾構(gòu)對(duì)開(kāi)挖工作面前方土體的擠壓作用，地層產(chǎn)生微量隆起，從而造成縱向地層斜率、水平變形等疊加，使得盾構(gòu)施工隧道縱向地層變形增大，從而對(duì)隧道附近地下管道設(shè)施產(chǎn)生一定的影響，這與盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖引起的土體變形特征相吻合[8]。

3.2 右線(xiàn)實(shí)測(cè)結(jié)果分析

圖6、圖7為左線(xiàn)線(xiàn)隧道未開(kāi)挖階段到完成下穿4號(hào)線(xiàn)階段各測(cè)點(diǎn)的變形曲線(xiàn)。將圖6、圖7與圖4、圖5進(jìn)行對(duì)比得出：①在隧道未開(kāi)挖前，土體的水平位移與豎向位移均處于平穩(wěn)狀態(tài)，累積水平位移與累積豎向位移均在3mm內(nèi);②左線(xiàn)與右線(xiàn)并不是同一時(shí)間進(jìn)行施工，但左、右線(xiàn)隧道土體的變形均在A(yíng)（B）時(shí)間點(diǎn)發(fā)生急劇變化，說(shuō)明左、右線(xiàn)隧道開(kāi)挖引起的土體變形會(huì)相互影響;③盾構(gòu)機(jī)完成下穿4號(hào)線(xiàn)后，左線(xiàn)隧道R02、R03斷面2號(hào)節(jié)點(diǎn)隆起分別為12.1mm和11.5mm，右線(xiàn)隧道L03、L05斷面2號(hào)節(jié)點(diǎn)隆起分別為14.9mm和14mm，這些數(shù)值均超過(guò)控制值10mm。超出控制值節(jié)點(diǎn)，會(huì)影響既有線(xiàn)路的正常使用及其壽命，應(yīng)當(dāng)引起重視[9]。

4? 結(jié)論

通過(guò)對(duì)地鐵下穿既有隧道項(xiàng)目分析研究，對(duì)新開(kāi)挖隧道引起既有線(xiàn)路土體變形規(guī)律做了較全面總結(jié)分析，得出結(jié)論：①建立一套行之有效的監(jiān)測(cè)方案，能及時(shí)將監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行反饋，保證施工與監(jiān)測(cè)的良好溝通，確保安全的施工環(huán)境，充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)的作用;②既有線(xiàn)路的水平及豎向位移大幅增長(zhǎng)均發(fā)生在盾構(gòu)機(jī)完成下穿既有線(xiàn)路之后，其中有斷面的隆起超出控制值，這是后期監(jiān)測(cè)應(yīng)重視的關(guān)鍵點(diǎn);③對(duì)城市密集建筑群進(jìn)行盾構(gòu)開(kāi)挖，變形控制條件應(yīng)成為安全控制的重要條件，防止變形過(guò)大的措施主要有：1）合理安排施工工序和開(kāi)挖過(guò)程;2）及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，控制掘進(jìn)速度，使土艙壓力波動(dòng)控制在最小幅度范圍內(nèi);3）開(kāi)挖面做好支護(hù)措施，對(duì)臨近線(xiàn)路及建筑物地基進(jìn)行加固處理。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢(qián)七虎.迎接我國(guó)城市地下空間開(kāi)發(fā)高潮[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，1998，20（1）：112-113.

[2]劉冠蘭.地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)與分析預(yù)報(bào)方法研究[D].武漢大學(xué)，2013.

[3]邱冬煒.穿越工程影響既有地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)與分析[D]. 北京交通大學(xué)，2012.

[4]張文.地鐵隧道穿越既有市政道路的地層變形規(guī)律與控制方法研究[D].山東大學(xué)，2017.

[5]龔倫.上下交叉隧道近接施工力學(xué)原理及對(duì)策研究[D].西南交通大學(xué)，2008.

[6]饒平平，陳尚榮，崔紀(jì)飛，等.黃浦區(qū)洛克外灘源深基坑監(jiān)測(cè)研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（3）：227-233.

[7]袁兵.城市隧道開(kāi)挖對(duì)地表建筑群的影響分析及其對(duì)策[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2010（2）：296-302.

[8]施成華，彭立敏，劉寶琛.盾構(gòu)法施工隧道縱向地層移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2003，25（5）：585-589.

[9]李圍，何川.盾構(gòu)隧道近接下穿地下大型結(jié)構(gòu)施工影響研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006（10）：100-105.

作者簡(jiǎn)介：楊磊（1983-），男，湖南溆浦人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事隧道及地下工程方面的研究工作。