隧道盾構穿堤過程的沉降監測與分析

摘 要：以某取排水工程為例，詳細介紹了隧道盾構穿堤過程中對大堤沉降的監測方法，分析了大堤產生沉降的原因，并提出了一些控制大堤沉降量的措施。

關鍵詞：盾構；土體變形；沉降；監測

前言

引水隧道在水利水電工程中起著引流水源的重要作用，其應用十分廣泛。而在引水隧道施工中經常會涉及到隧道穿堤的過程，這個過程的施工質量直接關系著大堤能否安全正常運行。用盾構法修建隧道的方法因其施工速度快、對環境影響小、清潔安全等優點成為軟土隧道施工中一種非常重要的方法。在隧道盾構穿堤的施工過程中，常因為對原狀土的擾動和對原堤防結構的破壞而造成堤防本身的沉降。

1 工程概況

本工程位于長江南京段南岸，共設兩根內徑為DN4200的盾構隧道取水管，1#盾構長度約為641.45m，2#盾構長度632.26m，將穿越長江大堤。隧道主要在粉細砂、細砂土中穿越，土質較復雜，該土層在開挖過程中易產生流砂、失穩現象，將對長江堤防產生一定的影響。

隧道盾構以循泵站地下結構進水間前池作為工作井，向取水頭方向推進，采用網格式泥水切削盾構機進行施工。隧道施工結束后，拆除盾構機內部設備，盾構機殼體進行處理后留駐在主體結構。襯砌管片縱向、橫向均采用螺栓連接。管片縱向和環向接縫防水均采用框形彈性密封墊為防水線。

2 土體變形分析

在整個盾構過程中，地表變形呈先隆、再沉、后穩的變化狀態。因地表沉陷顯著部分發生在施工短期內，且基本上為不排水條件下發生。所以，施工期間的沉降控制是關鍵。

3 沉降監測

3.1 監測方法

為達到施工安全監測和動態信息化施工的目的，依據有關規范規程中對工程監測的有關要求及廠區取排水隧道盾構穿堤掘進施工特點、具體情況和相關工程的經驗，在大堤上設置沉降觀測點和沉降觀測斷面，并在堤身內部布置深層沉降觀測點，以及時了解在盾構穿堤掘進施工過程中長江大堤的沉降變形情況。

3.1.1 表面沉降監測

在長江大堤堤身共布設6個主要監測斷面。其中在左右取排水隧道中軸線各布置一條主要監測斷面，在左右取排水隧道軸線兩側各布置兩條監測斷面，另在堤頂兩側各布置兩個沉降監測點，以監測在取排水隧道盾構穿堤掘進施工對大堤的影響范圍。具體的測點數量和斷面布置見示意圖1。

測點埋設是通過在選定點位預埋鋼質沉降標的方法。對堤身表面混凝土等硬覆蓋層，須通過鉆孔穿透將沉降標埋設在堤身的土層中，以真實反映堤身的沉降變形情況。以水準測量法實施監測。

3.1.2 深層沉降監測

在堤頂共布設6個深層沉降監測孔，24個深層沉降監測點，監測孔編號為CJ1～CJ6，其中CJ1、CJ5布置在1#取水隧道中軸線上，CJ3、CJ6布置在2#取水隧道中軸線上，每孔深8m，每孔布置4個沉降監測標，上下相鄰沉降監測標之間的間距為2m。

大堤深層沉降監測由兩部分組成：一是堤內監測設備埋入部分，由沉降導管、底蓋、沉降磁環組成，二是地面接收儀器-鋼尺沉降儀，由測頭、測量電纜、接收系統和繞線盤等部分組成。

3.2 監測結果

由于盾構穿堤掘進施工，造成大堤沉降變形過大，其沉降量和沉降速率均大大超過大堤所允許的范圍，大堤最大沉降量發生在2#隧道盾構掘進穿堤時堤頂2#隧道中軸線上方測點，為652mm，堤身最大沉降速率為488mm/d；堤身多處出現縱橫向開裂、凹陷，存在嚴重的安全隱患。經現場詳細踏勘調查，對大堤損壞情況進行了匯總統計。

堤身土體出現六條縱、橫向裂縫，裂縫最大寬度達105mm，裂縫最大長度達11m，防浪墻多處出現開裂，堤身及坡腳出現不同程度的凹陷。

4 監測成果分析

4.1 從現場監測獲得的有關數據資料可以看到，由于取水隧道盾構掘進穿堤施工，造成長江大堤沉降較大，其沉降量和沉降速率均大大超過長江大堤所允許的范圍；堤身多處出現開裂、凹陷，損壞嚴重。其主要原因有：

（1）采用網格式泥水切削盾構機進行施工，切削泥水排至堤外，隧道主要在粉細砂、砂土中穿越，在施工過程中產生了不同程度的砂土流失等現象，從而造成堤基破壞，引起堤基和堤身沉降較大。

（2）盾構穿堤施工時遇到堤基沿大堤縱向布置的防滲注漿加固體，無法正常掘進，導致盾構機停滯時間較長，加劇了堤基砂土流失，導致堤基和堤身沉降迅速增大，從而出現局部塌陷等異常情況。

4.2 由沉降變形曲線可看出，發生較大沉降量和沉降速率變化時間主要在盾構穿堤期間，在盾構穿過大堤后，沉降量逐步趨于穩定。與理論上地表變形呈先隆、再沉、后穩的變化狀態相吻合。

4.3 從兩條隧道盾構穿堤施工過程的監測情況來看，1#隧道盾構掘進穿堤過程的監測資料比較完整；而在2#隧道盾構掘進穿堤時，由于堤身沉降較大，同時出現多條縱橫向裂縫，施工期間在堤身反復加厚覆土，導致沉降監測點時有損壞。在監測過程中，沉降監測點多次重建。

5 控制沉降的措施

5.1 提高施工的速度和連續性。

5.2 根據覆土厚度和地面沉降情況，及時調整土艙壓力。

5.3 控制盾構推進時的糾偏量。

5.4 建筑空隙的及時注漿壓密可抑制地表沉降。

6 結束語

通過本工程的例子，可以看到隧道盾構穿堤過程引起的沉降量是一項不可小視的因素，它直接影響著堤壩的安全性。另外，對于盾構施工引起的地面沉降，除了用有限元建模進行模擬之外，尚無明確的理論公式來預先進行計算。因此，在施工過程中對堤壩的沉降進行準確及時的監測，可以對施工起到指導作用，從而避免危險的發生。

參考文獻

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作者簡介：劉文穎（1985-），男，現職稱：助理工程師，學歷：碩士，研究方向：市政工程結構設計工作。

路維（1988-），女，學歷：碩士研究生在讀，研究方向：結構無損檢測。