某地鐵不同上下疊落工況的盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)及監(jiān)測(cè)分析

郗宜君

(中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054)

隨著城市的快速發(fā)展，地下交通網(wǎng)絡(luò)的需求也變得愈發(fā)急迫，但由于地面建筑物的密集性、地下管線網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性及已建地下工程的空間占用等，這些都成為了地鐵施工的不利因素。為了解決地下空間日益緊張的情況，上下疊落盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)形式逐漸出現(xiàn)，并成為地鐵建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。雖然疊落盾構(gòu)隧道形式可以解決地下空間擁擠的問(wèn)題，但近距離疊落隧道施工對(duì)既有建(構(gòu))筑物及上部地表等帶來(lái)很大影響[1]。目前國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，王清標(biāo)等[2]研究了不同開挖方式對(duì)交疊隧道影響，結(jié)果表明不同開挖方式對(duì)交疊隧道施工過(guò)程中不同位置的影響程度不同，揭示了既有隧道襯砌變形機(jī)制演變過(guò)程和襯砌破壞的危險(xiǎn)點(diǎn)。陳先國(guó)等[3]采用ANSYS程序分析了重疊隧道中后建隧道開挖對(duì)先建隧道的整體結(jié)構(gòu)影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)位于先建隧道下方的后建隧道開挖使上部隧道結(jié)構(gòu)整體下沉，并且地表及夾層土體的穩(wěn)定性不易控制。鄭余朝等[4]研究了疊落隧道中開挖順序?qū)λ淼酪r砌的影響，從先施工隧道的內(nèi)力演變來(lái)看，“先施工下洞，后施工上洞”的安全性優(yōu)于“先施工上洞，后施工下洞”的施工順序。Liu等[5]研究了重疊隧道中開挖順序及周邊注漿加固等條件對(duì)地表控制的影響。確定了先下后上的開挖順序及注漿加固能夠很好的控制地表沉降。王猛等[6]基于重慶軌道交通四號(hào)線一期工程與九號(hào)線工程形成的四孔小間距重疊暗挖隧道，設(shè)定了4種不同的施工順序，通過(guò)有限元數(shù)值模擬，研究了施工順序?qū)Φ乇沓两?、隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的影響。結(jié)果表明，地面沉降與隧道的凈距有關(guān)。距離越小，沉降越大。宋成輝[7]分析了疊落隧道管片的受力狀態(tài)，利用傳統(tǒng)的解析法計(jì)算隧道坍塌拱的高度比較危險(xiǎn)，疊落隧道的坍塌拱交疊，土體容易出現(xiàn)塑性區(qū)。在安全控制措施方面，張建坤等[8]依托疊落隧道施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了疊落盾構(gòu)隧道施工對(duì)上覆地表變形的影響，發(fā)現(xiàn)上線開挖后地表產(chǎn)生了更大沉降。上述大量的研究表明，疊落盾構(gòu)隧道施工對(duì)其周圍環(huán)境的影響是不可避免的，因此，上下疊落盾構(gòu)隧道施工中的變形控制及其監(jiān)測(cè)分析至關(guān)重要。

1 工程概況

某地鐵某區(qū)間隧道全線敷設(shè)于地下，采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間起訖點(diǎn)里程范圍左、右線均為DK35+679.792～DK36+494.320，左線長(zhǎng)度為824.069m，右線長(zhǎng)度為814.528m。區(qū)間疊落部分起訖點(diǎn)里程DK35+679.792～DK36+200，疊落段上下行區(qū)間最小凈距為2.1m。區(qū)間沿線圓曲線半徑1 500m、1 000m、300m，而后再轉(zhuǎn)直線段進(jìn)入河山街站。區(qū)間縱向基本“V”形坡，出河松街站至河山街站坡度-2‰、-15.982‰、+16.825‰、-2‰(“-”為下坡，“+”為上坡)，隧道結(jié)構(gòu)覆土為19.7～30.2m。區(qū)間所處地貌單元為松花江漫灘，地面標(biāo)高在120.11～130.26m，場(chǎng)地地形稍有起伏。區(qū)間隧道位于道里區(qū)前進(jìn)路、康安路地下，交通流量巨大。場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要為典型松花江漫灘相地貌單元特征，地基土分布不均勻，性質(zhì)變化較大，上部第四紀(jì)地層具有明顯沉積輪回特征，即從上到下顆粒由細(xì)到粗分布。表層由雜填土組成，上部地基土主要由粉、細(xì)砂組成，中間主要由中粗砂夾厚薄不均的黏性土組成，下部基巖為白堊紀(jì)泥巖。

2 工程施工風(fēng)險(xiǎn)分析

疊落區(qū)間不僅要保證周邊建筑安全，還要保證相互影響時(shí)的自身安全，以及整個(gè)運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)的使用安全。無(wú)論是設(shè)計(jì)方案，還是施工控制都是重點(diǎn)和難點(diǎn)。經(jīng)分析，該疊落區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)主要有如下特點(diǎn)：

(1) 小間距疊落段兩隧道相互影響顯著。疊落段兩隧道豎向凈距1.9～12m，極為接近，相互影響顯著。下線隧道施工完成且穩(wěn)定后，上線隧道施工推進(jìn)過(guò)程中，由于盾構(gòu)機(jī)重量和掘進(jìn)推力較大，下線隧道結(jié)構(gòu)將經(jīng)歷先加載、后卸載的過(guò)程，且施工附加荷載較多、較大，盾構(gòu)機(jī)通過(guò)后，下線隧道上方挖土卸載，產(chǎn)生回彈變形。在此過(guò)程中，下線隧道結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)裂縫，管片接縫產(chǎn)生較大錯(cuò)臺(tái)、滲漏水、侵限等。特別是3號(hào)線與5號(hào)線疊落段，其總長(zhǎng)120m左右，隧道間最小凈距1.8m，5號(hào)線盾構(gòu)施工時(shí)，3號(hào)線可能正在運(yùn)營(yíng)，施工風(fēng)險(xiǎn)更為顯著。

(2) 疊落隧道偏壓荷載易引發(fā)結(jié)構(gòu)病害、巖土沉降等問(wèn)題。側(cè)疊落段是平行段與正疊落段之間的過(guò)渡段，平曲線半徑最小為300m、最小凈距3m，隧道在水平方向和豎直方向均變化劇烈。下線隧道存在偏壓荷載，隧道軸線偏差及管片拼裝質(zhì)量控制難度較大，易產(chǎn)生裂縫和較大差異沉降、接縫張開、錯(cuò)臺(tái)、滲漏水、侵限等風(fēng)險(xiǎn)。上線隧道是在已受擾動(dòng)的土層中掘進(jìn)施工，相對(duì)于原狀土，土體性質(zhì)變差，和正常單線隧道相比，隧道上方地層和地表沉降增大，增大了對(duì)周邊環(huán)境帶來(lái)的影響，可能會(huì)引起隧道周邊建筑物、地下管線變形超限。

4 施工健康監(jiān)測(cè)分析

針對(duì)該區(qū)間疊落盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)盾構(gòu)隧道背后土壓力及襯砌結(jié)構(gòu)開展監(jiān)測(cè)分析，時(shí)刻掌握盾構(gòu)隧道施工中的結(jié)構(gòu)安全。結(jié)合施工規(guī)范，在區(qū)間設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，本區(qū)間共設(shè)置30個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(如圖1)，主要開展了管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力及管片背后土壓力監(jiān)測(cè)。

4.1 管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力

(1)監(jiān)測(cè)原理。通過(guò)監(jiān)測(cè)管片內(nèi)部鋼筋內(nèi)力的變化來(lái)?yè)Q算管片混凝土內(nèi)力變化情況，鋼筋計(jì)與混凝土認(rèn)為是應(yīng)變協(xié)調(diào)的。

(2)測(cè)點(diǎn)安裝。在管片內(nèi)部預(yù)埋結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每片管片中央位置內(nèi)外側(cè)各布設(shè)一支鋼筋計(jì)，與管片內(nèi)部鋼筋焊接。安裝時(shí)采用對(duì)焊，將鋼筋與鋼筋計(jì)中心線對(duì)正，之后采用對(duì)接法把儀器兩端的連接桿分別與鋼筋焊接在一起。

(3)數(shù)據(jù)處理。通過(guò)監(jiān)測(cè)鋼筋計(jì)頻率值的變化情況，換算出鋼筋內(nèi)力變化情況，從而計(jì)算出管片彎矩、軸力和剪力等力學(xué)指標(biāo)。

4.2 管片背后水土壓力

4.2.1 監(jiān)測(cè)原理

通過(guò)在埋設(shè)在管片外側(cè)的柔壓計(jì)進(jìn)行量測(cè)管片外部水土壓力變化情況，柔壓計(jì)主要通過(guò)液體傳遞荷載作用。

4.2.2 測(cè)點(diǎn)安裝

(1)管片預(yù)留孔加固。柔性土壓力計(jì)感應(yīng)器尺寸較大，儀器預(yù)埋需在管片預(yù)留一直徑5cm，沿管片厚度方向高20cm的圓孔，為減小局部應(yīng)力集中及預(yù)留孔對(duì)結(jié)構(gòu)本身受力性能的影響，在預(yù)留孔周圍布設(shè)構(gòu)造螺旋筋，考慮預(yù)留孔尺寸略小于注漿孔尺寸，預(yù)留孔處構(gòu)造螺旋筋可按照注漿孔構(gòu)造螺旋筋進(jìn)行加工。

(2)儀器預(yù)埋安裝。在混凝土管片的鋼筋籠制作完成時(shí)，按設(shè)計(jì)位置在鋼筋籠上先安裝固定柔性土壓力計(jì)的預(yù)埋件。在預(yù)埋件的板上有6根固定螺桿須與鋼筋籠上的鋼筋焊接牢固，連為一體，防止?jié)仓炷吝^(guò)程中產(chǎn)生錯(cuò)位，埋深最淺的兩端距混凝土表面8～10mm。

(3)數(shù)據(jù)處理。通過(guò)監(jiān)測(cè)得到柔壓計(jì)內(nèi)部液體壓強(qiáng)變化，從換算出管片外部土體和水對(duì)管片總荷載的變化情況。

4.3 隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

該區(qū)間隧道施工時(shí)從河山街站出發(fā)到河松街站，兩線隧道斷面從側(cè)疊逐漸轉(zhuǎn)為正疊。由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為鋼筋和軸力受壓數(shù)據(jù)，與數(shù)值模擬整體結(jié)構(gòu)受壓數(shù)據(jù)并不完全對(duì)應(yīng)，二者難以定量化對(duì)比。在定性關(guān)系上，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)左右位置的軸力計(jì)讀數(shù)與上方基本處于同一量級(jí)，鋼筋計(jì)讀數(shù)較為多變，受斷面位置影響較大，均與數(shù)值模擬結(jié)果存在差別。此外，右線軸力計(jì)讀數(shù)通常明顯大于左線。四個(gè)位置的土壓力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)常處于同一量級(jí)，并且受注漿影響較大，注漿量偏大的位置土壓會(huì)明顯升高。

在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，絕大部分?jǐn)嗝娴淖x數(shù)均在安全范圍內(nèi)，但右線第170環(huán)、第433環(huán)和第452環(huán)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在左線開挖時(shí)變化較大，土壓計(jì)讀數(shù)超出了安全范圍，推測(cè)為注漿加固過(guò)程中漿液用量偏大造成的影響。后續(xù)隧道開挖未出現(xiàn)安全問(wèn)題，且三處的監(jiān)測(cè)元件讀數(shù)已逐漸平穩(wěn)。

4.3.1 正疊隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

該區(qū)間右線的軸力計(jì)讀數(shù)較為平穩(wěn)，其讀數(shù)一般在150KN左右，部分位置讀數(shù)有波動(dòng)，最高讀數(shù)在190KN左右，仍在安全范圍內(nèi)。大多數(shù)斷面在左線盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中讀數(shù)出現(xiàn)了波動(dòng)，在盾構(gòu)經(jīng)過(guò)后讀數(shù)有所降低，并且隨著時(shí)間推移慢慢返回正常水平。聯(lián)絡(luò)巷附近管片軸力計(jì)讀數(shù)有波動(dòng)，但在安全范圍內(nèi)。綜合認(rèn)為目前狀態(tài)較為安全，未發(fā)現(xiàn)明顯異常點(diǎn)(見(jiàn)圖2)。

圖2 左右線第582/583環(huán)軸力監(jiān)測(cè)曲線

4.3.2 側(cè)疊隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

側(cè)疊隧道管片的軸力計(jì)受上部隧道施工的影響，但是變化不劇烈，過(guò)度比較平緩。土壓力值變化不大，較為穩(wěn)定。鋼筋計(jì)的變化集中在八月初，后逐漸趨于穩(wěn)定。右線隧道軸力值略大于左線，并且左右線軸力均有下降趨勢(shì)，推測(cè)為注漿漿液逐漸凝固的影響(見(jiàn)圖3)。

圖3 左右線第255/248環(huán)軸力監(jiān)測(cè)曲線

4.2.3 并行隧道斷面

并行隧道斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，右線的軸力值略大于左線，維持在150kN左右，而左線在140kN上下。左右線的土壓力值和鋼筋內(nèi)力表現(xiàn)基本一致，數(shù)值差異不大且較為平穩(wěn)。左線隧道開挖對(duì)于右線隧道的讀數(shù)影響較小(見(jiàn)圖4)。

圖4 左右線第65環(huán)軸力監(jiān)測(cè)曲線

5 結(jié)語(yǔ)

從本文實(shí)際工程的施工安全風(fēng)險(xiǎn)分析及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該工程施工過(guò)程中盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，盾構(gòu)隧道施工的安全風(fēng)險(xiǎn)是可控的。隨著各大城市地鐵交通網(wǎng)絡(luò)密度的逐漸加強(qiáng)，受地上地下周邊環(huán)境條件的影響及城市線路規(guī)劃設(shè)計(jì)選線的經(jīng)濟(jì)性等要求，疊落盾構(gòu)隧道將會(huì)越來(lái)越多，疊落盾構(gòu)隧道施工對(duì)周圍環(huán)境影響所帶來(lái)的問(wèn)題也越來(lái)越多，為保證疊落盾構(gòu)隧道施工的安全，疊落盾構(gòu)隧道施工中的安全風(fēng)險(xiǎn)分析及健康監(jiān)測(cè)等相關(guān)技術(shù)還需進(jìn)一步的探索和學(xué)習(xí)。