綜合管廊下穿施工結(jié)構(gòu)安全多源信息監(jiān)控技術(shù)

王甫強(qiáng) 黃旸 周黎明 李玉婕

摘要： 城市地下綜合管廊是近年來在中國快速發(fā)展建設(shè)的一種市政基礎(chǔ)設(shè)施。針對(duì)綜合管廊采用淺埋暗挖法施工下穿城區(qū)鐵路所引發(fā)的工程結(jié)構(gòu)安全問題，提出了基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的初步預(yù)警與基于施工過程多手段監(jiān)測(cè)的及時(shí)預(yù)警相結(jié)合的研究思路。首先，采用基于地質(zhì)雷達(dá)原理的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)前方地層條件的及時(shí)更新，為現(xiàn)場(chǎng)施工動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供重要參考，并針對(duì)可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害制定搶險(xiǎn)預(yù)案;然后根據(jù)下穿施工過程采集的數(shù)據(jù)，構(gòu)建包括管廊水平收斂、拱頂下沉、支護(hù)受力和地表沉降等指標(biāo)在內(nèi)的預(yù)警指標(biāo)體系，并參考地鐵、公路、鐵路等相關(guān)規(guī)范內(nèi)容，提出綜合管廊下穿施工的結(jié)構(gòu)安全預(yù)警控制標(biāo)準(zhǔn)。將該方法應(yīng)用于十堰市清潭路段地下綜合管廊下穿鐵路線施工結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了施工前的初步預(yù)警和施工中的及時(shí)預(yù)警，有效保證了下穿施工過程的人員設(shè)備和地表防護(hù)對(duì)象安全。研究成果可為類似工程的結(jié)構(gòu)安全防護(hù)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

關(guān) 鍵 詞： 城市地下綜合管廊; 下穿施工; 多源信息監(jiān)控; 結(jié)構(gòu)安全; 淺埋暗挖法; 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

中圖法分類號(hào)： ?TU990

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.026

0 引 言

城市地下綜合管廊，簡稱綜合管廊[1]，旨在將電力、通信、燃?xì)夂蜔崃芫€等各種市政管線集于一體，通過建設(shè)專用地下通道，將各種功能的管線統(tǒng)一布置于通道內(nèi)，做到“一線多用”，并設(shè)有安裝和檢修通道，以及監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)城市生命線工程的統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)維。國外的實(shí)踐表明[2]，綜合管廊能夠極大提升城市資源的配置效率，避免不同功能的管線施工反復(fù)占用道路資源，同時(shí)也可降低單一管線建設(shè)和運(yùn)維成本。

我國地下綜合管廊建設(shè)起步較晚，當(dāng)前處于快速建設(shè)發(fā)展階段[3]，在該過程中也出現(xiàn)了一些亟待解決的工程問題。綜合管廊施工以明挖法[4]為主，但對(duì)于鐵路和高速公路這類不能長時(shí)間停運(yùn)或封閉的重要工程，則需下穿施工通過，由此引發(fā)綜合管廊下穿施工對(duì)上部重要線路工程的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控和影響評(píng)價(jià)問題。對(duì)于新建工程下穿既有建筑物的安全監(jiān)控和評(píng)價(jià)，已有學(xué)者進(jìn)行了一系列研究。莫峰昌[5]針對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道下穿施工所引起的地層變形及其對(duì)建筑基礎(chǔ)的影響問題進(jìn)行了研究;劉斌[6]對(duì)新建地鐵隧道下穿既有隧道的結(jié)構(gòu)影響開展了分析評(píng)價(jià);姚海波等[7]針對(duì)北京一熱力隧道下穿磚砌群房開展了安全評(píng)價(jià)和對(duì)策分析;冷彪等[8]采用可拓學(xué)分析方法，探討了新建下穿隧道對(duì)既有隧道的影響;茍德明[9]采用數(shù)值仿真方法，對(duì)公路隧道下穿已建公路所采用的支護(hù)措施其加固效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。這些研究成果深化了對(duì)該問題的認(rèn)識(shí)，也積累了一定的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，但目前對(duì)城市綜合管廊這類地下工程在下穿既有建筑物方面的安全監(jiān)控評(píng)價(jià)研究還處于起步階段。本文以十堰市清潭路段地下綜合管廊下穿鐵路線施工為研究背景，首先分析城市地下綜合管廊下穿施工的主要特點(diǎn)，然后采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)評(píng)價(jià)擬下穿區(qū)域的地質(zhì)條件，借助多種手段開展下穿施工中的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)，并提出安全預(yù)警指標(biāo)建議值及制定允許限值標(biāo)準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)綜合管廊下穿重要線路工程的結(jié)構(gòu)安全多源信息監(jiān)控，為管廊下穿鐵路的施工安全提供技術(shù)保證。

1 城市綜合管廊下穿施工的主要特點(diǎn)

相比于地鐵和公路等隧道工程，城市綜合管廊下穿既有建筑時(shí)，具有以下特點(diǎn)。

（1） 城市綜合管廊擬采用淺埋暗挖法實(shí)施下穿施工的區(qū)域一般埋深較淺。因前期城市建設(shè)開發(fā)，這些地層在地面既有建筑物建設(shè)時(shí)可能已經(jīng)歷過施工開挖和回填處理，而綜合管廊這類線路工程的勘察鉆孔數(shù)量相對(duì)有限，地質(zhì)資料可能無法全面反映線路沿線的地層變化。因此，現(xiàn)場(chǎng)工程師為準(zhǔn)確掌握擬下穿施工開挖區(qū)域的真實(shí)條件，應(yīng)考慮采用一定技術(shù)手段更新地質(zhì)條件，從而合理評(píng)價(jià)擬采用施工方法和支護(hù)措施的適應(yīng)性。

（2） 城市綜合管廊下穿施工常用淺埋暗挖法，上覆巖土體厚度較小，除超前加固措施外，還需豎向支撐等剛性支護(hù)，否則管廊暗挖施工將引起地表顯著沉降，導(dǎo)致塌方或地面建筑破壞等工程風(fēng)險(xiǎn)。因此，采用多手段監(jiān)測(cè)地表和管廊內(nèi)巖土體變形以及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，可以準(zhǔn)確、及時(shí)、系統(tǒng)地掌握暗挖下穿施工過程中的地層響應(yīng)特征和支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)，這對(duì)于保障現(xiàn)場(chǎng)人員和施工設(shè)備安全非常重要。

2 ?淺埋暗挖法下穿施工的結(jié)構(gòu)安全多源信息監(jiān)控技術(shù)

2.1 基本思路

基于對(duì)城市綜合管廊下穿施工主要特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，為保證管廊下穿鐵路的施工安全，首先，采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)擬下穿施工的地層進(jìn)行探測(cè)，結(jié)合前期地質(zhì)資料，更新工程地質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)論，進(jìn)而復(fù)核擬采用的施工方法和支護(hù)措施，做到工程措施和地質(zhì)條件相適應(yīng)。然后，在下穿施工過程中，采用多手段對(duì)地上建筑和地下結(jié)構(gòu)開展全面監(jiān)測(cè)，并依據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)程，用采集的多源信息擬定安全預(yù)警指標(biāo)并制定判據(jù)，以確保重點(diǎn)監(jiān)控參數(shù)始終得到有效控制，形成城市綜合管廊淺埋暗挖法下穿 施工的結(jié)構(gòu)安全多源信息監(jiān)控技術(shù)，從而? 確保整個(gè)下穿施工過程的現(xiàn)場(chǎng)人員和施工設(shè)備安全。

2.2 基于地質(zhì)雷達(dá)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）是利用高頻電磁波技術(shù)來探測(cè)地下隱藏不同目標(biāo)體的方法。地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射天線發(fā)射脈沖電磁波，當(dāng)這一訊號(hào)在巖層中遇到探測(cè)目標(biāo)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生部分反射訊號(hào)，直達(dá)訊號(hào)和發(fā)射訊號(hào)通過接收天線輸入到接收機(jī)。根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的波速和傳播時(shí)間可以計(jì)算界面深度。當(dāng)發(fā)射天線沿某一平面移動(dòng)時(shí)，根據(jù)接收的電磁波的運(yùn)動(dòng)特征，如反射時(shí)間、幅值、頻率與波形等信息，結(jié)合地質(zhì)資料對(duì)探測(cè)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)、形狀和深度等進(jìn)行推斷，就能得到探測(cè)目標(biāo)的剖面圖（見圖1）。

應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)這一原理，可進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。利用地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射天線將高頻電磁波經(jīng)掌子面發(fā)射至隧道前方地層中，遇到不良地質(zhì)體反射回隧道掌子面，由接收天線接收電磁波信號(hào)進(jìn)行分析解釋，獲取隧道掌子面前方地層和不良地質(zhì)體分布信息。使用地質(zhì)雷達(dá)作超前預(yù)報(bào)時(shí)，以前方擬下穿施工區(qū)域?yàn)樘綔y(cè)目標(biāo)，測(cè)線布置如圖2所示。

2.3 淺埋暗挖法下穿施工的多源信息監(jiān)控

根據(jù)綜合管廊下穿鐵路施工的主要特點(diǎn)和工程實(shí)際，應(yīng)做好施工地質(zhì)、管廊內(nèi)部收斂變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和地表沉降及防護(hù)對(duì)象查勘等4個(gè)方面的信息監(jiān)控，詳細(xì)介紹如下。

（1） 施工地質(zhì)。

采用淺埋暗挖法施工的地層，一般為松散不穩(wěn)定的土層或軟弱破碎的巖層。開挖過程中，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)人員應(yīng)及時(shí)根據(jù)新揭示的地層信息對(duì)前方巖土體的基本性質(zhì)進(jìn)行判斷，并與前期地質(zhì)資料和基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的更新地質(zhì)條件進(jìn)行比對(duì)，復(fù)核地質(zhì)判斷的準(zhǔn)確性。若確認(rèn)存在明顯差異，尤其是實(shí)際揭示的地質(zhì)條件比預(yù)判更差時(shí)，應(yīng)立即上報(bào)，提交有關(guān)施工地質(zhì)信息供參建各方進(jìn)一步復(fù)核評(píng)估施工和支護(hù)設(shè)計(jì)方案，在排除安全風(fēng)險(xiǎn)后，再繼續(xù)施工。

（2） 管廊內(nèi)部收斂變形。管廊內(nèi)部收斂變形

包括管廊兩側(cè)洞壁的水平向收斂變形以及拱頂下沉變形。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取應(yīng)做到“早起測(cè)、勤采集”，即：應(yīng)在開挖出渣和初噴混凝土工序完成后，立刻進(jìn)場(chǎng)布點(diǎn)起測(cè)，且應(yīng)在定期采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)施工進(jìn)度、現(xiàn)場(chǎng)條件和參建各方需求，適時(shí)加密采集頻率。

（3） 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力。

淺埋暗挖法施工的支護(hù)體系包括超前支護(hù)、初期支護(hù)和二次襯砌支護(hù)。巖土體開挖引起的地層荷載一般由初期支護(hù)全部承擔(dān)。二次襯砌多作為安全儲(chǔ)備而不承擔(dān)施工期荷載，只滿足地下結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)其功能所需的承載。因此，綜合管廊下穿施工過程的支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)是初期支護(hù)，如錨桿應(yīng)力和鋼支撐軸力等。

（4） 地表沉降及防護(hù)對(duì)象查勘。

地表沉降是淺埋暗挖法施工過程的重點(diǎn)監(jiān)控內(nèi)容，一旦下穿施工開挖出現(xiàn)變形陡增，十分容易引起頂拱塌方，造成地表明顯下沉，觸發(fā)建筑物破壞等嚴(yán)重問題。為實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)控，應(yīng)沿綜合管廊下穿路徑布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)測(cè)。另外，地表下沉也會(huì)觸發(fā)路面開裂、路基塌陷、建筑物裂縫等連鎖問題。作為一項(xiàng)必要的補(bǔ)充，還應(yīng)對(duì)下穿施工的防護(hù)對(duì)象做定期查勘，通過表觀形象的變化間接反饋潛在不利影響。

2.4 基于多源信息的安全預(yù)警指標(biāo)分析

2.4.1 安全預(yù)警指標(biāo)的選取

根據(jù)多源信息監(jiān)控內(nèi)容，選取其中的量化信息作為安全預(yù)警指標(biāo)，即：管廊收斂變形、管廊拱頂下沉、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和地表沉降量。

目前，城市地下綜合管廊方面的技術(shù)規(guī)范以國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50838-2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》[10]為代表，一些行業(yè)和地方也制定了相關(guān)技術(shù)導(dǎo)則[11～13]。這些規(guī)范和導(dǎo)則以管廊的規(guī)劃、選線、設(shè)計(jì)為主要內(nèi)容，施工方面也以管廊本身結(jié)構(gòu)安全要求為主，對(duì)施工過程中受影響的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)內(nèi)容涉及有限。因此，廣泛參考市政、公路、鐵路等多行業(yè)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定內(nèi)容，對(duì)選取的安全預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行梳理分析，為制定綜合管廊的控制標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

2.4.2 管廊收斂變形和拱頂下沉

城市軌道交通工程施工分為明挖法、蓋挖法、盾構(gòu)法和礦山法，其中盾構(gòu)法的適用地層和開挖方法與淺埋暗挖法相對(duì)接近。根據(jù)GB50911-2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[14]，采用盾構(gòu)法施工時(shí)隧道管片結(jié)構(gòu)豎向位移、凈空收斂控制值見表1。

此外，GB50086-2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》[15]中規(guī)定：對(duì)于埋深小于50 m的V類圍巖隧洞，建議的允許相對(duì)收斂值為0.2%～0.8%（相對(duì)收斂值為兩測(cè)點(diǎn)間實(shí)測(cè)位移與兩測(cè)點(diǎn)間距離的比值），對(duì)于脆性圍巖取小值，塑性圍巖取大值。TB10121-2007《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》[16]中規(guī)定：對(duì)于跨度為7～12 m、埋深小于50 m的V類圍巖隧洞，隧道的拱腳水平相對(duì)凈空變化為0.20%～0.50%，拱頂相對(duì)下沉為0.08%～0.16%，對(duì)于硬質(zhì)圍巖取小值，對(duì)于軟質(zhì)圍巖取大值。JTG-TD70-2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[17]中規(guī)定：對(duì)于V類圍巖的雙車道隧道，建議預(yù)留變形量為80～120 mm。

考慮到城市軌道交通工程與城市地下綜合管廊的施工環(huán)境最接近，且專門針對(duì)各種施工方法提出的控制指標(biāo)，控制標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)分度最高，因此綜合管廊的收斂變形和拱頂下沉可以表1為重要參考，同時(shí)也兼顧其他規(guī)范進(jìn)行適當(dāng)修正。

2.4.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力

對(duì)于超前小導(dǎo)管、系統(tǒng)錨桿、鋼支撐、拱架、噴混凝土等措施在內(nèi)的支護(hù)結(jié)構(gòu)，其自身的受力值即為判斷其是否處于正常工作狀態(tài)的依據(jù)。一般而言，對(duì)于受壓力荷載的支護(hù)，如鋼支撐和拱架，其最大承載可根據(jù)材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值換算，并考慮一定安全系數(shù)以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，材料強(qiáng)度使用率取為60%～80%。對(duì)于受拉力荷載的支護(hù)，如錨桿，可取80%～100%的材料強(qiáng)度使用率。支護(hù)對(duì)象的重要性越高，材料強(qiáng)度使用率取值就越小。綜合管廊支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的控制指標(biāo)可參考這一規(guī)律。

2.4.4 地表沉降量

造成城區(qū)地表沉降的外部原因包括兩方面：一個(gè)是基坑施工過度排水導(dǎo)致地下水位降低而引起地表下沉;另一個(gè)是隧洞開挖施工移除了巖土體使得上覆地層懸空，而施加的支撐力不及時(shí)或不夠，而引起頂拱地層向洞內(nèi)變形，以致引發(fā)地表沉降?？梢?，淺埋暗挖法下穿施工引起的地表沉降在發(fā)生機(jī)制上基本與后一個(gè)原因一致。因此，借鑒GB 50911-2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》專門針對(duì)盾構(gòu)法隧道下穿施工所建立的地表沉降和沉降速率控制值，作為控制標(biāo)準(zhǔn)的制定參考（見表2）。根據(jù)該規(guī)范對(duì)工程監(jiān)測(cè)等級(jí)的規(guī)定，綜合管廊淺埋暗挖法下穿施工可參考一級(jí)或二級(jí)的對(duì)應(yīng)指標(biāo)，且當(dāng)下穿主要影響區(qū)內(nèi)存在重要軌道交通措施和建筑物時(shí)，應(yīng)明確為一級(jí)。

進(jìn)一步從表3整理匯總的一些下穿鐵路或地鐵隧道案例實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)可知，基于表2建議值制定下穿工程的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)是基本合適的。

2.5 ?城市地下管廊淺埋暗挖法施工結(jié)構(gòu)安全的建議控制標(biāo)準(zhǔn)

基于前述的安全預(yù)警指標(biāo)分析，結(jié)合綜合管廊的結(jié)構(gòu)特征以及淺埋暗挖法下穿施工的主要特點(diǎn)，提出綜合管廊淺埋暗挖法施工的結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn)建議方案（見表4）。

（1） 管廊水平收斂控制標(biāo)準(zhǔn)：因表1給出的“0.2%D”是針對(duì)“管片結(jié)構(gòu)”而提出的，且不區(qū)分周圍土體類型，因此可考慮在該標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上適當(dāng)放寬，并區(qū)分土體類型。相關(guān)規(guī)范針對(duì)埋深小于50 m的V類隧洞，建議的水平相對(duì)收斂值分別為0.2%～0.8%[15]和0.2%～0.5%[16]，且?guī)r土體條件越差，控制標(biāo)準(zhǔn)越寬松。因此，根據(jù)上述二者的較嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)，并注意取值范圍不出現(xiàn)量值交叉，建議“堅(jiān)硬-中硬土”和“中軟-軟弱土”的水平收斂控制指標(biāo)分別為“（0.2%～0.3%）B”和“（0.4 %～0.5%）B”。

（2） 管廊拱頂下沉控制標(biāo)準(zhǔn)可直接采用表1的控制標(biāo)準(zhǔn)。

（3） 決定支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的直接因素是其自身的受力大小，因此管廊支護(hù)受力不區(qū)分周圍土體類型，可根據(jù)前述分析制定控制標(biāo)準(zhǔn)。

（4） 下穿影響區(qū)地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)主要參考表2方案制定。

基于淺埋暗挖法施工的綜合管廊結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn)方案，若管廊施工過程中監(jiān)測(cè)到任何一項(xiàng)超過表4中的控制標(biāo)準(zhǔn)，需及時(shí)提出預(yù)警，并加密監(jiān)測(cè)頻率。

3 多源信息監(jiān)控技術(shù)的工程應(yīng)用

3.1 工程概況

湖北省十堰市是全國首批地下綜合管廊的試點(diǎn)城市，擬在城區(qū)多個(gè)地段建設(shè)綜合管廊，線路全長51.63 km，基本利用現(xiàn)有城區(qū)路網(wǎng)，主要采用路面明挖基坑方法施工。但是，對(duì)于鐵路等不可長時(shí)間停運(yùn)的重要線路工程，則采用淺埋暗挖法下穿施工通過。

清潭路段綜合管廊工程見圖3，鐵路線沿神定河走向延伸，在神定河北岸與清潭路交匯。實(shí)際施工中，綜合管廊分別從鐵路道口的南北兩側(cè)通過明挖法施工，逐漸靠近鐵路道口。其中，北側(cè)明挖段直接利用清潭路路面開挖基坑;南側(cè)明挖段則在神定河河床開挖基坑。南北兩側(cè)的明挖基坑均在接近鐵路道口處換用下穿方法施工，掘進(jìn)方向從神定河向清潭路開挖，即樁號(hào)FYK2+570～FYK2+530，需要下穿施工約40 m，開挖尺寸為8 m×4 m（寬×高）。

3.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察階段的鉆孔信息可知，勘察深度范圍內(nèi)的場(chǎng)地地層分別為：① 素填土（Q4ml）;② 粉質(zhì)黏土（Q4ml）;③ 粉質(zhì)黏土（Qel+dl）;④ 強(qiáng)風(fēng)化絹云母石英片巖（Pt）;⑤ 中風(fēng)化絹云母石英片巖（Pt）。其中，在下穿施工高程區(qū)間范圍內(nèi)主要是①～③地層。具體描述如下：

① 素填土（Q4ml），雜～灰黃色，松散，不均勻，高壓縮性，上部稍有壓實(shí)，主要成分為開山的碎巖塊、巖屑、巖粉及黏性土等，含塊石、碎石、少量建筑垃圾等，沿線均有分布;

② 粉質(zhì)黏土（Q4ml），黃褐色，可塑，含氧化鐵斑點(diǎn)，稍有光澤，無搖震反應(yīng)，中等干強(qiáng)度，中等韌性，沿線局部分布;

③ 粉質(zhì)黏土（Qel+dl），黃褐色，硬塑，主要為砂質(zhì)黏性土組成，夾強(qiáng)風(fēng)化絹云母石英片巖風(fēng)化碎屑，沿線局部分布。

3.3 ?基于地質(zhì)雷達(dá)的下穿區(qū)域超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析

為查明下穿施工區(qū)域的地層條件，在施工開始前，對(duì)工作面（樁號(hào)2+570）開展地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，探地雷達(dá)使用的是EKKOpluse型，工作頻率為100MHz，探測(cè)結(jié)果見圖4。根據(jù)測(cè)線1～3的地質(zhì)雷達(dá)成果可以看出，分別在掌子面前方8～16 m、6～16 m、6～18 m以及從左至右0～5 m、0～5 m、0～5 m的區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)明顯振幅變化，且頻率降低。根據(jù)這一信息，判斷掌子面前方6～16m（樁號(hào)2+554～2+564）區(qū)間的地質(zhì)條件相比于前期勘察地層發(fā)生變化，推測(cè)為回填土和薄夾層發(fā)育，且存在裂隙水。這是由于下穿區(qū)域附近的建筑物較多，加之前期鐵路建設(shè)均會(huì)進(jìn)行地基處理，因此會(huì)出現(xiàn)回填土。

相比于地質(zhì)勘察階段的地層資料，地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果不僅揭示了回填土的存在，并揭示了薄夾層和地下水信息。這些新發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)條件及時(shí)向參建各方進(jìn)行了通報(bào)，并就可能誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)出預(yù)警。后經(jīng)研判，認(rèn)為在新揭示的地質(zhì)條件下，現(xiàn)有的施工方案和支護(hù)參數(shù)仍基本適宜，但應(yīng)在施工中預(yù)留足夠的緩沖時(shí)間和防護(hù)距離，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)勘察，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取防護(hù)措施，避免回填土或松散巖土發(fā)生垮塌導(dǎo)致不利后果，并制定搶險(xiǎn)預(yù)案，及時(shí)處置潛在的地質(zhì)災(zāi)害。

下穿施工的現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察結(jié)果表明，開挖揭示的地層多為中風(fēng)化夾強(qiáng)風(fēng)化，青灰色，薄-中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，結(jié)構(gòu)面多呈閉合狀態(tài)，局部張開約3～5mm。局部可見回填土，這印證了地質(zhì)雷達(dá)推斷結(jié)論。在回填土區(qū)域，下穿施工過程中發(fā)生了局部垮塌，因事先及時(shí)預(yù)警，此次局部垮塌未造成嚴(yán)重后果。

可見，采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)具有較高的準(zhǔn)確性，不僅提高了地質(zhì)資料的可靠性，方便現(xiàn)場(chǎng)工程師利用更新地質(zhì)條件復(fù)核施工開挖和支護(hù)參數(shù)，更重要的是能夠在下穿施工前對(duì)影響結(jié)構(gòu)安全的不利地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)警，避免區(qū)域內(nèi)巖土體失穩(wěn)而引發(fā)更嚴(yán)重的安全事故。

3.4 基于多源信息的下穿施工結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控

3.4.1 安全預(yù)警控制標(biāo)準(zhǔn)的確定

結(jié)合該工程的下穿施工地層巖土體特征、管廊開挖斷面尺寸、安全監(jiān)測(cè)防護(hù)對(duì)象的重要性程度，在表4建議的控制標(biāo)準(zhǔn)取值范圍內(nèi)選擇適用的安全預(yù)警控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.4.2 管廊水平收斂監(jiān)測(cè)分析

采用全站儀自由設(shè)站的方法來測(cè)量隧道圍巖水平方向收斂，在監(jiān)測(cè)斷面布置2條水平測(cè)線，測(cè)點(diǎn)由反射膜片及小型支架組成。支架嵌入圍巖中固定，反射膜片貼在支架上作為對(duì)中點(diǎn)。全站儀放置于距離監(jiān)測(cè)斷面20～60 m的隧道中部，測(cè)量出兩測(cè)點(diǎn)距離及夾角。根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算出測(cè)點(diǎn)間的距離并算出兩點(diǎn)間的收斂值。圖5為水平收斂監(jiān)測(cè)位移曲線。在開挖后短時(shí)間內(nèi)的收斂位移變形速率較快，其后收斂位移增長速率逐漸減小，在1～2月內(nèi)逐漸趨于穩(wěn)定，累計(jì)最大變化量為12.2 mm，水平相對(duì)收斂為0.15%，未超過表5的預(yù)警控制標(biāo)準(zhǔn)，水平收斂的變形速率也滿足要求。

3.4.3 管廊拱頂下沉監(jiān)測(cè)分析

采用全站儀三角高程法測(cè)量拱頂下沉，在拱頂布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布設(shè)方式同水平收斂測(cè)點(diǎn)。圖6為拱頂下沉監(jiān)測(cè)位移曲線，在開挖后短時(shí)間內(nèi)的收斂位移變形速率較快，隨后收斂位移增長速率逐漸減小，在1個(gè)月內(nèi)逐漸趨于穩(wěn)定，累計(jì)最大變化量為13.4 mm，未超過表5的預(yù)警控制標(biāo)準(zhǔn)。拱頂下沉的變形速率也滿足要求。

3.4.4 管廊支護(hù)受力

在鋼支撐中部焊接應(yīng)變計(jì)，利用讀數(shù)儀讀取應(yīng)變計(jì)頻率來換算鋼支撐軸力。圖7為鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)曲線，可見鋼支撐在實(shí)施后軸向壓力不斷增大，在15～30 d內(nèi)達(dá)到最大值，然后基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。最大鋼支撐軸力為30.29 kN，與表5的預(yù)警控制標(biāo)準(zhǔn)相比，還有較大安全裕度。

3.4.5 下穿影響區(qū)地表沉降

采用電子水準(zhǔn)儀配合銦瓦條碼式水準(zhǔn)標(biāo)尺來監(jiān)測(cè)下穿影響區(qū)地表沉降。圖8為下穿施工的地表沉降累計(jì)值監(jiān)測(cè)曲線，在起測(cè)地表沉降后，所有測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)均基本不變，但是隨著下穿施工區(qū)域的不斷接近，地表逐漸受到影響，開始出現(xiàn)沉降，但量值和變幅均較小。

在2018年5月1日，部分測(cè)點(diǎn)的沉降值突然增加，雖然沉降累計(jì)值較小，但沉降速率已達(dá)6.4 mm/d，超出表4的控制標(biāo)準(zhǔn)，觸發(fā)安全預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)安全人員及時(shí)通報(bào)建設(shè)單位，要求立即停工，并在路面實(shí)施交通管制，限制大型運(yùn)輸車輛通行。隨即，下穿施工現(xiàn)場(chǎng)（樁號(hào)2+556）在5月3日出現(xiàn)坍塌，此區(qū)域即為超前地質(zhì)預(yù)報(bào)揭示的回填土層。根據(jù)搶險(xiǎn)預(yù)案，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)采用以下措施處置：① 在塌方區(qū)域地表開洞，從上往下灌注混凝土，直接填補(bǔ)管廊上覆巖土體因坍塌出現(xiàn)的空洞;② 在保證安全的前提下，清理垮塌土石;③ 對(duì)垮塌區(qū)域地層實(shí)施超前導(dǎo)管注漿，待地層加固后再繼續(xù)開挖;④ 加密后續(xù)下穿施工的監(jiān)測(cè)頻率，根據(jù)管廊收斂和地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)研判處置措施的有效性，反饋指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

采用以上搶險(xiǎn)措施后，地表沉降陡增區(qū)域的后期沉降增量明顯減小，沉降速率與周邊未垮塌區(qū)域的測(cè)點(diǎn)沉降速率趨于一致，這表明因垮塌引起的局部區(qū)域地表過度沉降問題已得到有效控制。在管廊后續(xù)下穿施工中，地表沉降量仍有一定增幅，但總體趨勢(shì)已較平穩(wěn)。最終，地表沉降的累計(jì)最大值為42.6 mm，且有2個(gè)測(cè)點(diǎn)的地表沉降累計(jì)值超過35.0 mm，即表4的安全預(yù)警控制標(biāo)準(zhǔn)。這2個(gè)測(cè)點(diǎn)位于垮塌區(qū)附近，受前期影響較大。為確保地表防護(hù)對(duì)象的結(jié)構(gòu)安全，下穿施工中對(duì)這些沉降量較大的測(cè)點(diǎn)加密了查勘頻率。經(jīng)觀察，該部位未見明顯異常，地表超出預(yù)警值部位路面未發(fā)現(xiàn)開裂。

4 結(jié) 論

本文以十堰市地清潭路段地下綜合管廊下穿鐵路線施工為研究背景，系統(tǒng)論述了采用淺埋暗挖法施工綜合管廊下穿城區(qū)鐵路的結(jié)構(gòu)安全多源信息監(jiān)控技術(shù)及其在工程中的應(yīng)用，得到以下結(jié)論。

（1） 地下綜合管廊下穿的地層可能經(jīng)歷前期市政建設(shè)改造，面臨地質(zhì)資料不能反映實(shí)際地層條件的問題，采用基于地質(zhì)雷達(dá)原理的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)能夠及時(shí)更新前方地質(zhì)條件，為現(xiàn)場(chǎng)施工動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供重要參考。

（2） 綜合管廊下穿施工過程中采集的管廊水平收斂、拱頂下沉、支護(hù)受力和地表沉降數(shù)據(jù)，構(gòu)成了監(jiān)控結(jié)構(gòu)安全的預(yù)警指標(biāo)體系。進(jìn)一步參考地鐵、公路、鐵路等規(guī)范，并考慮下穿施工地層巖土體特征、管廊開挖斷面尺寸以及安全監(jiān)測(cè)防護(hù)對(duì)象的重要性程度，制定了綜合管廊下穿施工采用的安全預(yù)警控制標(biāo)準(zhǔn)。

（3） 工程應(yīng)用效果表明，采用結(jié)構(gòu)安全多源信息監(jiān)控技術(shù)可使下穿施工前的地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)和下穿施工過程中的監(jiān)測(cè)手段有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了施工前的初步預(yù)警和施工中的及時(shí)預(yù)警，可有效保證綜合管廊淺埋暗挖法下穿鐵路線施工中現(xiàn)場(chǎng)人員和施工設(shè)備安全，也確保了地表防護(hù)對(duì)象的結(jié)構(gòu)安全。

（4） 有關(guān)城市地下綜合管廊施工期間對(duì)周邊建筑結(jié)構(gòu)安全造成影響的安全評(píng)價(jià)，目前鮮有規(guī)范規(guī)程涉及，故工程實(shí)踐中還缺少相關(guān)指引作為開展結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)的依據(jù)。本文給出的多源信息監(jiān)控技術(shù)，可為類似工程的結(jié)構(gòu)安全防護(hù)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)擬定提供參考，并希望對(duì)綜合管廊安全監(jiān)測(cè)規(guī)程規(guī)范的編制起到推動(dòng)作用。

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（編輯：胡旭東）

引用本文：

王甫強(qiáng)，黃旸，周黎明，等.綜合管廊下穿施工結(jié)構(gòu)安全多源信息監(jiān)控技術(shù)

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Multi-source information monitoring technology for structural safety of comprehensive

utility tunnel passing beneath railways

WANG Fuqiang1，HUANG Yang1，ZHOU Liming2，LI Yujie2

（ 1.Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Co.，Ltd.，Wuhan 430022，China; 2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang Rriver Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China ）

Abstract：

The comprehensive utility tunnel is a kind of municipal infrastructures rapidly constructed in China.We focus on the structural safety of shallowly-buried comprehensive utility tunnel passing beneath railways and put forward the idea of combining preliminary warning based on advanced geological forecast and timely warning based on multi-method monitoring during construction.Firstly，the geological radar based advanced geological forecasting technology was used to timely realize the update of front geological conditions，providing an important reference for the real-time design，thus formulating emergency plans for potential geological disasters.Then，based on the collected data during construction，a safety warning system considering the horizontal convergence of tunnel，roof deformation，support stress，and surface subsidence was established.According to the references of relevant contents from subway，highway，railway，and other codes and regulations，a safety criterion was suggested for the comprehensive utility tunnel.The proposed method was applied to the safety monitoring of the construction of the comprehensive utility tunnel passing beneath a railway line in Qingtan Road of Shiyan City.The preliminary warning before construction and the timely warning during construction were both achieved and effectively guaranteed the safety of personnel，equipment and surface protection objects.The results can provide references for the monitoring design and evaluation criterion of the similar project.

Key words：

urban comprehensive utility tunnel;underpass construction;multi-source information monitoring;structural safety;shallow-buried excavation method;advanced geological forecast