穿越河堤的城市軌道交通盾構施工安全監測技術

付小明，余志奇，劉濤

(武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430015)

1 引 言

盾構法修建地鐵隧道具有對環境影響小、施工安全快速等優點，已成為城市地鐵建設的主要施工方法之一。然后由于城市空間的局限性，盾構隧道掘進過程中不可避免地與河流、堤防、道路及建筑物等發生沖突，隧道掘進后，河堤較大的工后不均勻沉降會引起盾構隧道的縱向變形，嚴重危及隧道的安全運行。需要在盾構施工時對沖突部位進行安全監測，并分析變形特征，認識規律，進而控制穿堤施工風險。

本文以某城市軌道交通盾構施工穿越河堤為依托，對盾構施工時河堤變形(沉降和位移)進行數值計算，研究河堤的變形特征。

2 工程概況

2.1 工程簡介

某城市軌道交通是武漢市第三條實現上天入地的地鐵，設計運行速度達到 100 km/h，通車后將是武漢市運行速度最快的軌道交通線路。城市軌道交通穿越的河堤為1級堤防，穿越段距地面和堤頂高程約 13 m～20 m，施工期正處于汛期，由于盾構法施工[1]將不可避免地擾動土體，破壞原有的平衡狀態，而向新的平衡狀態轉化，引起地面變形、地層變化以及水體介質運移分布情況變化，可能危及地面堤防建筑物及其附屬設施的安全。如出現岸坡隆起、塌陷[2]等異常變形，從而導致堤防建筑物擋水安全性[3]的降低。需對城市軌道交通下穿河堤段堤防布置相應安全監測儀器開展安全監測工作，對大堤等建筑物整體狀態進行全過程的持續觀測，采集河堤等建筑物的變形、滲流及水位變化等各效應量，采取相應的技術分析手段對觀測資料進行及時分析處理，及時對堤防等建筑物的安全狀態作出評價[4]。

隧道走向與河堤夾角約82°，穿越河堤段隧道長約 43 m。隧道采用復合式土壓平衡盾構施工穿越河堤，管片外徑 6.2 m，管片厚度 0.35 m。穿越河堤段隧道埋置較深，隧道頂與河堤頂(29.82 m)高差約20 m，隧道頂與河堤坡腳(22.82 m)高差約13 m，區間隧道與河堤相互關系如圖1所示。

圖1 區間隧道與河堤相互關系示意圖

2.2 地質概況

河堤隧道洞身主要穿越淤泥質黏質土(3-4)、殘積土(10-4)、鐵質泥巖(16)，土石可挖性分級軟土為Ⅰ級、局部為Ⅱ級，鐵質泥巖為Ⅳ級，隧道穿越土體上部為軟土，下部為軟質巖，隧道部分洞身穿越淤泥質土，該地層具有軟硬不均、透水性強、施工難度大等特點，而淤泥質土部分地段極易導致掌子面失去穩定性，造成塌方，并對同步注漿造成很多困難，洞頂1倍洞徑范圍內主要為淤泥質土(3-4)，洞頂穩定性差；隧道底板為泥灰巖，局部為灰巖，地基滿足強度與變形要求。隧道圍巖主要為Ⅰ和Ⅳ類，局部為Ⅱ類。

3 觀測堤段監測設計

根據河堤實際情況及施工過程以及汛期水情特點，盾構穿越堤防前后，應加強對堤防結構的監測，實時掌握堤防的沉降變形情況，并根據監測實時調整優化盾構掘進參數。及時發現異常現象和可能危及堤防安全的不良因素，并根據其穩定性和安全評價結果研究是否采取搶險或加固措施，以確保堤防在該城市軌道交通施工期、運用期的安全。

城市軌道交通穿越河堤段隧道埋置很深，隧道頂與河堤頂高差約 20 m，隧道頂與河堤坡腳高差約 13 m。穿越處左右線隧洞間距為 15.2 m。為全面了解穿堤段堤防的安全狀況，于穿越段左、右側軸線兩側約 10 m的范圍內共布置5個監測斷面，即在左、右線中心軸線堤頂布置1個監測斷面，并以其為中心，分別在左、右線軸線布設2個監測斷面，然后在左、右線隧道外側 10 m處布設斷面，各斷面分別計為0-0、L1-1、R1-1、L2-2和R2-2，監測斷面平面布置如圖2所示。

圖2 河堤監測平面布置圖

3.1 水平位移監測

水平位移監測采用測斜管進行監測，在0-0、L1-1、R1-1、L2-2和R2-2斷面堤頂各布設1個測斜管，共計5個測斜管。各斷面測斜管埋設參數如表1所示。

斷面L1-1和R1-1測斜管最大深度按高于隧洞頂部 2 m～3 m控制，其他斷面按低于隧道底部 2 m～3 m控制，采用活動測斜儀監測穿越段大堤堤身內各土層的水平位移[5]。

測斜管埋設參數 表1

3.2 垂直位移監測

(1)表面垂直位移監測

為了解穿堤后河堤的垂直位移變化情況，在0-0、L1-1、R1-1、L2-2和R2-2斷面各布設5個垂直位移測點，即堤防迎水坡坡腳表面、坡腰表面、堤頂表面、背水坡坡腰表面和坡腳表面處各布置1個垂直位移測點，共計25個垂直位移測點，在工程影響范圍以外安全、穩定的位置布設2個垂直位移基點。表面垂直位移[6]采用精密水準方法進行監測，呈矩陣式布設。

按規范要求，本工程應采用二等變形測量等級可以滿足監測需要，變形點的高程中誤差 ±0.5 mm，相鄰變形點高差中誤差 ±0.3 mm。

(2)深部垂直位移監測

在0-0、L2-2和R2-2斷面背水坡坡腰與堤頂之間處布設多點位移計，監測大堤深部垂直位移，多點位移計采用5點式多點位移計，底部埋設至隧道底巖體內，各傳感器間距一般為 3 m～7 m。地鐵運行期間采用動態監測方法監測地鐵通行時穿越段大堤各土層的垂直位移[7]。深部垂直位移監測孔共計3孔，傳感器共計15支，各傳感器埋設參數如表2所示。

多點位移計各傳感器埋設參數 表2

監測布置典型斷面(0-0斷面)圖，如圖3所示。

圖3監測布置典型斷面(0-0斷面)圖

3.3 監測控制標準

沉降控制為盾構掘進引起的其前方上部土體隆起或下沉量控制值不大于 +10 mm和 -30 mm。監測實施工程中，應通過兩個監測斷面之間的空間對比分析，隧洞頂部斷面的地下水位時序分析確認有無異常滲水情況發生。一旦發生異常滲水情況，應立即啟動報警[9]，并立即采取應急措施，如監測到大堤沉降過大時，可采取地面灌漿，隧道內部二次注漿等措施。

4 觀測成果分析

盾構施工前期只需對監測點施測3次，取得各監測點的初始測量值，城市軌道交通6月底右線穿越河堤，8月初左線穿越河堤。選取水平位移和垂直位移的監測數據進行分析，并對堤防安全性作出評價。

4.1 水平位移監測

CX0測孔位于0-0’堤頂，為主要監測斷面的測孔，對河堤深部位移監測起到重要作用測孔之一。6月28日～6月30日右線盾構穿越河堤，在孔深 23.0 m處累計位移相對較大，為盾構隧道的中心位置，穩定后最大相對水平位移為 13.01 mm，8月1日～8月3日左線盾構穿越河堤，深度 20 m～27 m的曲線向左線這邊偏移，穿越完成穩定后最大相對水平位移為 8.56 mm，左右線隧道中心0-0斷面深層水平位移在右線穿越時，深度 20 m～27m的曲線向右線方向偏移，左線穿越時，受到左線土體擾動的影響，會向左線有一定幅度的偏移，最終趨于穩定。圖4中偏向右線方向為正值，偏向左線方向為負值。

圖4 CX0累計位移曲線

4.2 垂直位移監測

DB1-3、DB2-3、DB3-3、DB4-3、DB5-3分別位于河堤堤頂L2-2、L1-1、O-O、R2-2、R1-1斷面的地表沉降監測點，對河堤垂直位移監測起到重要作用的監測點之一。6月28日～6月30日右線盾構穿越河堤，DB3-3、DB4-3、DB5-3累計沉降相對較大，穩定后最大累計沉降量為右線中線DB4-3監測點，累計沉降量為 26.3 mm，8月1日～8月3日左線盾構穿越河堤，左線中線處監測點累計沉降量變化較大，同時兩條隧道的中心位置的監測點DB3-3也有一定幅度的變化，穿越完成穩定后最大累計沉降量為DB3-3監測點，累計沉降量為 36.4 mm，盾構推進時，盾構中心上方河堤地表沉降最大，向兩側遞減，6月底右線穿越，右線中心上方DB4-3沉降量最大，遠離隧道中心，累計沉降較小。8月初左線穿越，左線中心上方DB2-3沉降量最大，遠離隧道中心的DB4-3和DB5-3趨于穩定，而隧道左右線的中心位置DB3-3因同時受到左線和右線盾構穿越的影響，表現出累計沉降量最大。8月中旬之后變形已趨于穩定，未見異常變化。圖5中地表沉降記為正值，地表隆起記為負值。

圖5 堤頂地表沉降點監測曲線

圖6 0-0斷面多點位移計監測曲線

在0-0斷面背水坡坡腰與堤頂之間處布設多點位移計，監測大堤深部垂直位移，多點位移計采用5點式多點位移計，M0-01埋設至隧道底巖體內，之上M0-02、M0-03、M0-04、M0-05各傳感器間距一般為 6 m～8 m。因受盾構隧道左右線穿越影響，變形主要區域在 20 m～27 m，變形曲線呈2個凹變形，盾構穿越地層為3-4淤泥質土，表明上部黏土整體可能受到盾構穿越產生變形，淺部而呈傾倒、下座變形，但在穿越深度以下受到周圍巖體約束作用而擾動較小。深部垂直位移監測數據顯示，擾動主要集中在盾構穿越上下 5 m范圍內。圖6中深部沉降記為正值，隆起記為負值。

結合以上分析可以看出：

在盾尾離開監測斷面之前，地表位移相對較小，盾尾脫離后，沉降速度和沉降量徒增，在盾尾脫離3天后，地表稍有回彈，然后沉降速度出現轉折，沉降速度明顯變慢，之后沉降速度遞減。一般認為，管片脫離盾尾初期，由于建筑空隙引起地層損失，會產生比較大的沉降；之后的沉降主要由擾動土體固結引起。

5 結論及建議

通過對盾構施工過程中穿越河堤的水平位移和沉降監測的分析研究得到如下結論：

(1)同一橫向沉降觀測斷面，累計沉降量從隧道軸向位置向兩側逐漸減小，因左右線穿越時間相差一個月，所以兩隧道中線O-O’斷面累計沉降量最大，根據沉降分布曲線，受盾構機掘進施工影響，隧道軸線兩側 20 m范圍內的堤基土體均受到相當程度的擾動。

(2)堤基土體深層水平位移最大值發生在隧道軸線高程附近，土體深層水平位移受盾尾注漿影響較大，而盾構機頭掘進過程中，土體深層水平位移量較小。

(3)盾構推進的同時進行同步注漿和二次注漿加固地層，并可根據監測情況采用地面跟蹤注漿。