基于多源監(jiān)測技術(shù)的穿黃隧道堤防安全影響評價

涂善波，劉 陽

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，鄭州 450003）

隨著黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，黃河流域經(jīng)濟社會得到良好發(fā)展，黃河沿線城市得到大力發(fā)展［1］，跨河交通需求強烈，尤其是黃河下游鄭州、濟南等河段，大量跨河橋梁的修建，導(dǎo)致橋位資源緊缺，穿黃隧道建設(shè)成為新的需求。穿黃隧道工程能很好地解決黃河的跨越問題， 且對地面環(huán)境影響小、適應(yīng)氣候條件能力強、抗震性能好、防洪防凌難度小與地面道路接線條件較好等諸多優(yōu)點，越來越多的隧道穿越黃河大堤進行建設(shè)。隧道穿越堤防工程時，易造成堤防土體剪切破壞、地層擾動及地層原始應(yīng)力破壞等問題［2］，因此，工程施工及運行過程對黃河堤防安全的保障不容忽視。 現(xiàn)狀黃河下游河道河床普遍高出兩岸地面4～6 m， 是舉世聞名的地上懸河［3］，“二級懸河”形勢依然嚴峻,尤其在東壩頭以下河段［4］。黃河下游“地上懸河”的特殊性和防洪的重要性， 給穿黃隧道工程建設(shè)提出更高要求。 對盾構(gòu)隧道工程穿越過程中對黃河堤防的影響進行安全監(jiān)測， 全面掌握堤防安全狀態(tài)十分必要且重要。目前對堤防影響安全監(jiān)測多采用變形監(jiān)測，包括表面沉降變形、水平位移監(jiān)測等［5］，監(jiān)測數(shù)據(jù)基本涵蓋穿越全過程的堤防變形， 但僅限于外觀變形方面，監(jiān)測內(nèi)容不夠全面。堤防隱患檢測方法較多，但多是針對堤防發(fā)生險情或病害時的不定期檢測［6］，沒有專門針對隧道穿越建設(shè)對堤防產(chǎn)生的不利影響進行專項檢測。本文依托濟南濟濼路穿黃隧道工程，針對穿越工程可能影響堤防安全的結(jié)構(gòu)變形、 滲流量變化、地層物性參數(shù)變化等主要因素［7］，采用基于外觀變形、 地下滲流及無損檢測等多源監(jiān)測技術(shù)方法， 對隧道穿越期間及其后續(xù)階段監(jiān)測實測數(shù)據(jù)進行分析， 對隧道穿越影響的堤防工程質(zhì)量進行綜合安全評價， 為以后黃河下游類似穿黃工程的影響監(jiān)測提供參考。

1 工程概況

濟濼路穿黃隧道（道路+地鐵）工程是黃河山東段第一座下穿兩岸大堤的工程， 工程河段為地上懸河，隧道外徑為15.2 m，內(nèi)徑13.9 m，管片厚度0.65 m，每環(huán)寬2.0 m， 每環(huán)管片包含7 塊標準塊，2 塊鄰接塊，1 塊封頂塊［8］。盾構(gòu)隧道采用φ15.74 氣墊式泥水平衡盾構(gòu)機同向掘進，均從北岸工作井始發(fā)，向南掘進穿越黃河后抵達南岸工作井拆卸吊出。 本次為盾構(gòu)穿越北岸堤防的影響監(jiān)測。

黃河北岸堤頂寬度為9 m，臨、背河坡坡度均為1∶3， 淤背區(qū)寬度100 m。 隧道穿越地層主要為雜填土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、細砂、粘質(zhì)黏土、全風(fēng)化輝長巖，隧道承受的最大水壓約0.65 MPa，盾構(gòu)段埋深為26.30～54.60 m（大堤正下方為42.81 m），盾構(gòu)下穿黃河北岸大堤地質(zhì)剖面示意圖如圖1。

圖1 盾構(gòu)下穿黃河北岸大堤地質(zhì)剖面示意圖

2 堤防安全要求

2.1 黃河下游堤防安全要求

黃河下游山東河段左右岸皆為標準化堤防，堤防標準為I 級，北岸有齊河北展堤工程。黃河大堤堤頂寬度設(shè)計標準均為12 m，設(shè)計高程為2000 年設(shè)計水平年設(shè)防水位超高2.1 m。臨、背河坡坡度均為1∶3，堤防采用放淤固堤措施進行了加固， 淤背區(qū)寬度100 m，邊坡坡度為1∶3，高度低于2000 年水平年設(shè)防洪水位2 m。 堤頂參照三級公路有關(guān)標準進行硬化，路面采用瀝青混凝土細粒層，厚度5 cm，路基厚度30 cm，基層和底層各厚15 cm，基層采用水泥穩(wěn)定土基層。因此，監(jiān)測范圍宜根據(jù)隧道線位及埋深等因素綜合確定， 且不小于隧道施工影響區(qū)100 m 外及隧道軸線上下游200 m。隧道施工穿越大堤堤腳前100 m 范圍應(yīng)設(shè)置監(jiān)測試驗段。

2.2 隧道穿越對堤防安全影響因素

隧道穿越對堤防安全影響因素主要包括堤身結(jié)構(gòu)發(fā)生變形、堤基滲流量發(fā)生異常變化、堤身地層物性參數(shù)發(fā)生擾動變化等。

隧道穿越堤防時， 由于盾構(gòu)隧道技術(shù)存在盾尾空隙及壁后注漿體具有收縮的特性， 在盾構(gòu)刀盤到達前,大堤地表會有輕微的隆起變形,而后隨著盾構(gòu)的推進,呈現(xiàn)下沉趨勢，進而產(chǎn)生不同程度的沉降，造成堤身結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。 而沉降過大可能引起堤身產(chǎn)生裂縫，堤身一旦偎水，其抗水流淘刷侵蝕能力很低，易于發(fā)生坍坡、垮堤等險情。

盾構(gòu)隧道穿越施工直接影響著隧道圍壓孔隙水壓力的分布， 可能造成隧道建構(gòu)筑物與大堤堤基土接觸面產(chǎn)生薄弱部位，進而造成堤防滲流破壞。盾構(gòu)隧道成形之后， 由于同步注漿不飽滿或因漿液凝固體積收縮，管片背面形成空腔，在富水層里，地下水會在此匯集形成水囊， 如果管片止水條松動或止水條處混凝土開裂掉塊，就會形成滲流通道。

隧道穿越堤防會對堤身或堤基穩(wěn)定地層結(jié)構(gòu)形成局部擾動，造成空洞、軟弱層、滲漏、裂縫等隱患，使堤身結(jié)構(gòu)由穩(wěn)定狀態(tài)變成不穩(wěn)定， 堤身地層的地球物理參數(shù)也會隨之發(fā)生較大變化，產(chǎn)生波速、電阻率等異常區(qū)。

為確保隧道盾構(gòu)施工期和隧道運行期防洪工程的安全，應(yīng)對大堤的結(jié)構(gòu)變形、滲流及堤防工程內(nèi)部缺陷等進行全面監(jiān)測， 掌握盾構(gòu)穿越對堤防安全影響的動態(tài)和規(guī)律，了解土體的沉降速度和穩(wěn)定性，指導(dǎo)隧道的施工和運行，并及時對監(jiān)測成果進行分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，視情況采取工程措施，確保防洪工程安全。

3 多源監(jiān)測工作布置

考慮到盾構(gòu)施工可能引起的邊坡失穩(wěn)和大堤沉陷， 確保在隧道盾構(gòu)施工期和隧道運行期了解大堤土體的沉降速度和穩(wěn)定性， 在盾構(gòu)隧道影響范圍內(nèi)黃河大堤北岸布設(shè)表面沉降監(jiān)測和堤身內(nèi)部深層沉降監(jiān)測， 通過監(jiān)測大堤堤頂表面和堤身內(nèi)部的沉降變化來發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)穿越北岸大堤時產(chǎn)生影響。 為全面監(jiān)測盾構(gòu)施工對堤防按安全影響，在隧道工程線位上下游各200 m 范圍內(nèi)的堤防工程布置6 個表面沉降監(jiān)測斷面， 每個斷面11個測點； 在大堤背河側(cè)堤肩布設(shè)1 個深層沉降監(jiān)測斷面，共9 個測點。

盾構(gòu)施工穿越堤基下的地層中穿越時， 對穿越地層的水文地質(zhì)條件產(chǎn)生影響，進而影響地下水滲流場，甚至可能會隧道周邊形成滲流通道， 誘發(fā)滲透破壞。 為及時掌握隧道盾構(gòu)施工及運行期地下水滲流變化， 在隧道影響范圍內(nèi)布設(shè)滲流監(jiān)測點，為減小對大堤臨水面地層影響，沿隧道線位軸線方向在大堤背河側(cè)布置3 個滲流監(jiān)測斷面，每個斷面4 個測點。

穿黃隧道下穿堤防地層擾動形成的空洞、裂隙及不密實區(qū)等病害，需要查明其類型及其位置、走向、形態(tài)等物理特征，檢測方法主要有人工巡查、鉆探和地球物理探測等，為減少對大堤的影響， 可快速無損進行檢測的地球物理探測方法是首選［14］?？紤]到隧道埋深大于40 m，電磁波法等探測深度不足［15］，穿越地層為砂質(zhì)粉土及粉質(zhì)黏土層， 地層擾動形成薄弱層時波速變化較為明顯，因此采用面波法對穿越后的堤防進行檢測，在大堤臨河側(cè)堤肩、臨河側(cè)堤腳各布置400 m 測線1 條，測線總長800 m。

監(jiān)測平面布置圖及剖面圖如圖2，圖3。

圖3 監(jiān)測布置剖面圖

4 多源監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

東線盾構(gòu)于2020 年3 月3 日開始穿越北岸黃河大堤， 至2020 年3 月8 日盾體完全離開大堤；西線盾構(gòu)于2020 年6 月10 日開始穿越北岸黃河大堤，至2020 年6 月15 日盾體完全離開大堤；至2020年8 月8 日，雙線盾構(gòu)均遠離大堤約500 m。

4.1 大堤巡視檢查

堤防外觀變化是評價堤防安全的重要參考。雙線盾構(gòu)機穿越大堤期間及穿越后期， 定期對大堤堤身及周邊環(huán)境進行巡查，未發(fā)現(xiàn)大堤堤身出現(xiàn)裂縫、滑動、滲水等異常情況，堤頂路面未出現(xiàn)明顯裂縫及沉陷。

4.2 沉降監(jiān)測分析

大堤表面沉降測點主要采用沉降觀測標， 以位于大堤堤頂?shù)缆? 排監(jiān)測點（DBC-03 斷面）為特征點， 分析它們在西線和東線盾構(gòu)隧道穿越期間及后期的沉降情況。

圖4 為雙線隧道穿越全過程DBC-3 斷面大堤表面各監(jiān)測點沉降時程曲線，從圖4 可看出，東線盾構(gòu)開始穿越直至西線盾構(gòu)穿越前， 大堤表面測點整體表現(xiàn)為先輕微隆起然后緩慢沉降， 最大沉降量為15.76 mm；西線盾構(gòu)穿越期間，西線側(cè)上方部分測點（DBC-3-03、DBC-3-04）有輕微隆起，西線盾構(gòu)穿越后，DBC-03 斷面監(jiān)測點整體下沉速度較快， 其中東線側(cè)測點（DBC-3-06～DBC-3-08）沉降速率明顯大于西線側(cè)測點，表明東線受西線穿越影響較大。各監(jiān)測點在7 月10 號以后沉降基本趨于穩(wěn)定，沉降趨勢較為一致，未產(chǎn)生明顯不均勻沉降。

圖4 盾構(gòu)穿越大堤表面沉降時程曲線

圖5 為隧道上方大堤DBC-3 斷面在各時間節(jié)點的橫向表面累積沉降曲線。在隧道穿越影響下，大堤橫向表面產(chǎn)生“U”型沉降，沉降槽呈現(xiàn)淺而寬的特征， 主要的累計沉降量產(chǎn)生在東線穿越后及西線穿越后的工后期間，沉降槽寬度150 m 左右，沉降槽中心并未在兩隧道中心，而是偏東側(cè)隧道。

圖5 隧道上方大堤的橫向表面沉降曲線

4.3 滲流監(jiān)測分析

以北岸大堤樁號136+128 斷面為例， 選取SY-2-03 監(jiān)測點，監(jiān)測成果如圖6，在盾構(gòu)穿越過程中，通過水位壓力計算得出的監(jiān)測斷面水位變化較小，累計最大變化量為0.72 m 左右，小于監(jiān)測控制值。穿越過程中堤身水位變化與同期黃河水位變化較為一致， 表明大堤地下水位變化受黃河水位變化影響較大，盾構(gòu)穿越造成堤基滲流影響較小。

圖6 穿越期間大堤地下水位與黃河（濼口段）水位變化關(guān)系

4.4 無損檢測成果

選取大堤堤頂?shù)腤T1 測線探測成果進行分析，如圖7。從圖7 可看出，大堤堤基地層橫波速度范圍在150～300 m/s，且自上而下速度逐漸增大，堤基橫波速度整體較高，近似層狀分布，未發(fā)現(xiàn)明顯隱患。

圖7 大堤面波測試成果

按堤基質(zhì)量評價標準，為質(zhì)量良好段。

4.5 安全評價

（1）隧道穿越影響后，大堤堤身及周邊環(huán)境巡查未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫、滑動、滲水等異常情況，堤頂路面未出現(xiàn)裂縫及沉陷，大堤外觀影響較小。

（2）隧道穿越造成大堤一定程度的沉降變形，整體表現(xiàn)為先輕微隆起然后緩慢沉降， 各監(jiān)測斷面沉降變化連續(xù)，并最終趨于穩(wěn)定，未出現(xiàn)不均勻沉降，未發(fā)生土體的剪切破壞。

（3）穿越過程中堤身滲流變化與同期黃河水位變化較為一致，地下滲流場未破壞。

（4）面波檢測結(jié)果表明，在探測深度范圍內(nèi)，堤基橫波速度整體較高，近似層狀分布，大堤土體未發(fā)現(xiàn)脫空或不密實區(qū)。

多源監(jiān)測結(jié)果表明，隧道穿越影響后，堤身結(jié)構(gòu)有一定程度的沉降變形，但整體變形趨于穩(wěn)定，地下滲流場未發(fā)生異常變化，堤身地層未發(fā)現(xiàn)脫空或不密實區(qū)，堤防工程質(zhì)量整體較好，堤防處于安全狀態(tài)。

5 結(jié)語

（1）針對盾構(gòu)隧道穿越黃河下游堤防影響問題，基于實際工程背景，依托濟南濟濼路穿黃隧道工程，采用變形監(jiān)測、 滲壓監(jiān)測和無損檢測等多源監(jiān)測技術(shù)方法， 對隧道穿越期間及其后續(xù)階段引起的堤防沉降變形、 地下滲流變化及堤防地層波速變化進行監(jiān)測分析， 并對隧道穿越影響后的堤防安全進行質(zhì)量評價。

（2）基于多源監(jiān)測技術(shù)的堤防安全影響評價方法充分考慮隧道穿越影響下堤防外部結(jié)構(gòu)變形、 內(nèi)部堤身隱患及基底滲流變化等因素。 通過對首例大直徑盾構(gòu)隧道工程穿越黃河下游堤防的監(jiān)測實例分析，基本掌握穿越工程對堤防的安全影響，為日益增多的過江隧道影響評價積累施工經(jīng)驗和技術(shù)參考。