河床變形監測技術在盾構過江施工中的應用

王樂樂

(福建省水利水電勘測設計研究院，福建 福州 350000)

1 概述

近些年盾構技術被廣泛應用于公路隧洞、城市地鐵以及其他市政公共設施等。盾構施工引起的地面變形問題也凸顯出來[1]。2019年12月廣州地鐵11號線沙河站、2013年1月廣州地鐵荔灣區康王南路與杉木欄路段、2008年杭州蕭山區風情大道段、2008年1月廣州地鐵5號線大西盾構區間等。

關于盾構施工引起的變形問題研究較多。何書琴[2]在分析不同的穿河穿堤工程施工方法對河道行洪影響的基礎上，提出了穿河穿堤工程防洪影響評價技術審查要點。白李妍[3]分析歸納了隧道工程施工對地下管線和地面建筑物的影響。韋嬌芬[4]對廣州地鐵2號線某區間盾構隧道施工過程的地面沉降監測數據進行分析，探討了盾構施工過程地表沉降規律、沉降槽分布形式及其影響范圍和程度。駱建軍[5]總結了4號線黃莊站在淺埋暗挖法施工下地表及拱頂沉降產生的原因及沉降規律，并提出控制沉降的措施。王文通[6]以深圳地鐵區間隧道等工程施工監測情況為基礎，論述了地鐵工程中量測設計內容、項目選擇及關鍵監測項目設計合理報警值的確定。鄭陳旻[7]對隧道塌方預警的指標進行一系列研究，選取洞周相對容許收斂量、拱頂最大容許沉降量、容許變形速率為三大預警指標。張忠苗[8]等對杭州慶春路過江段盾構隧洞施工引起的地表沉降實測數據進行分析，采用Peck公式對橫向地表沉降曲線進行擬合，并且對大堤和其他斷面地表沉降進行了對比。趙光[9]針對南京緯三路過江通道工程，通過引入多波束河床監測技術，對隧位河床水下地形、流速進行了實測，并結合歷史資料進行了河床沖刷階段性的預測研究。張軍[10]等以杭州地鐵2號線錢塘江過江隧洞為背景，通過數值模擬和理論計算相結合的方法，闡述河床變形引起隧洞縱向變形的機理。

現有研究成果主要針對盾構引起的隧洞內部沉降變形、地表建筑物的變形容許值或者預警值確定，而對地鐵盾構過江施工引起河床變形的研究缺乏實測數據。盾構過江引起的河床變形觀測困難，一旦發生河床坍塌，可能引發防洪堤損毀、江水倒灌等嚴重后果。鑒于此，本文采用實測潮位過程和數值計算方法確定河床變形預警值，在盾構過江期間，采用水下機器人、RTK、多波束監測系統對河床變形進行實時監測，分析河床變形程度，及時向施工單位反饋變形信息，對跟蹤河床變形的發展以及隧洞的安全施工具有重要的意義。

2 流域及工程概況

閩江為福建省最大河流，全長為562 km，流域面積為6萬多km2，約占福建全省面積的一半。富屯溪、建溪、沙溪三大支流在南平延平區匯合后稱為閩江，閩江下游在淮安頭分流為南北港，在解放大橋下游北港由中洲島分為南北兩汊，南北港在羅星塔附近合流為一，之后經瑯岐島分流分別注入東海。

福州市地鐵1號線穿過閩江北港，下穿閩江段，總長為400 m，過江段示意見圖1。采用德國海瑞克復合式土壓平衡Φ6 450盾構機施工，預制鋼筋混凝土管片寬度為1.2 m，外徑為6.2 m，內徑為5.5 m，采用錯縫拼裝形式。盾構下穿閩江北港段約330環左右，隧道坡度約為26.7‰，最小轉彎半徑R為500 m，隧道最小埋深只有8.3 m。

圖1 福州地鐵1號線過江段平面示意

閩江下游自水口水電站以下均為感潮河段。福州地鐵1號線過江軸線位于解放大橋下游約300 m處，解放大橋下游最大潮差為4.78 m(1996年)。北汊左岸臺江碼頭附近最大水深達19.0 m；中洲島側水深7.00～10.0 m；南汊水面寬約100 m，河底較平緩，河底地面高程為-1.0～-2.30 m，水深一般為5.00～6.00 m。近年來為了減緩解放大橋下游的沖刷，增多次拋石護底。閩江江底地層為全斷面砂層，且閩江南北兩岸地質差異大，過閩江段分3個區段，分別為全斷面硬巖、軟硬交界面、江底中砂層，砂層中有卵石分布。福州地鐵1號線過江段地質剖面示意見圖2。

圖2 福州地鐵1號線過江段地質剖面示意

3 河床變形監測技術

3.1 洪、潮作用下的河床變形預測

受上游來水和潮流的影響，閩江河床地形不斷地發生變化。開展閩江潮流觀測，為河床高程測量提供基礎資料，同時也可為數學模型提供驗證資料。通過數學模型分別計算潮流和徑流影響下，閩江河床變形量，為盾構過江安全施工提供監測數據。

1) 閩江大潮觀測

在2015年3月7日12：00至3月8日14：00，對閩江下游淮安頭、解放大橋、白巖潭3個斷面進行大潮潮流測量。各斷面布設3條流速測量垂線，3條垂線采用三點法(0.2 h、0.6 h、0.8 h)測量流速流向。每整點觀測1次；流急、轉流時應每15 min觀測1次，每次觀測應不少于100 s。

2) 洪、潮流作用下過江段面河床沖淤量計算

采用Mike21軟件建立閩江下游二維水動力泥沙數學模型，根據實測的潮位、流速和流向資料對模型進率定和驗證，計算工程所在河段在潮流和洪水作用下的沖刷過程。地鐵盾構過江段施工期為閩江汛期，洪水工況選100年一遇洪水過程；潮流工況采用實測的大潮過程，地鐵施工初期按照6個月考慮。經過計算，洪水工況下過江段面最大沖刷量為2.21 m，最大預計量為0.92 m；潮流作用下，過江段面最大沖刷量為1.39 m，最大預計量為0.79 m。

3.2 河床變形基準面的確定

1) 水下機器人觀測

本文采用SeaBotix公司LBV300-5多功能水下機器人對地鐵過江軸線附近的水下地形進行初步觀測。通過現場觀測發現：過江軸線附近河床分布有巨大卵石和塊石，地形復雜；江底水體流速較大、水體渾濁、含沙量高，河床在徑流和潮流作用下不斷地發生著沖淤變化。

2) 多波束測量系統

采用GPS-RTK技術結合多波束測深技術進行水下河床地形數據采集，測量船安裝移動站和測深儀，由中海達導航軟件導航，沿著事先布置的地鐵軸線走航測量。整個測量過程中，導航軟件與導航GPS和測深儀連接，實現同步定位，進行實時數據采集。

3) 確定河床變形參考基準面

影響河床高程測量精度的誤差包括[11]：船只動靜吃水誤差、潮位觀測誤差、換能器吃水誤差、聲速誤差、密度梯度差、量化水深誤差以及波浪等偶然誤差等。基于影響河床地形的這些因素，采用監測期前移及數理統計方法：即在過江段盾構施工前一個月，每天對平潮期的河床地形進行連續測量，結合水下機器人觀測結果對高程值進行分析，排除高程異常點，采用網格地形法確定施工前盾構穿江區域河床地形，作為變形參考基準面(見圖3所示)。由于南汊右岸鋼結構平臺以及北汊左岸游艇碼頭的影響，河床監測的范圍為13+213到13+490。

圖3 監測期前移和數理統計方法確定的河床變形參考基準面

4 盾構施工過程中的河床變形監測及預警

盾構施工過程中，每天先對河床進行1次完整掃描。然后根據施工進度安排，對盾構機所處的河床斷面進行加密測量，與基準面對比分析得到盾構掘進過程中河床的實時變形情況。統計盾構施工面附近河床的最大變形，得到盾構掘進到不同位置時河床的最大變形量。盾構施工到不同位置時河床的的最大沉降量統計結果見表1，典型日的河床測量結果見圖4。

表1 掘進過程中盾構機附近河床的最大沉降量

圖4 典型日的河床測量結果示意

盾構掘進到不同位置時的河床變形，與數模計算的洪水和潮流作用下的沖刷深度進行對比，分析河床的變形情況，及時向施工單位反饋變形信息。

由于河床地質不均勻，盾構機刀盤前方砂層中分布有卵石。刀盤的擾動以及巨大的水壓力使得螺旋機閘門被石塊卡住而無法關閉，大量的泥沙、石塊通過閘門縫隙涌入隧道，盾構土壓力由0.29 MPa降低到0.12 MPa，造成河床突然沉降。11月17日13+339樁號附近河床高程突降最大達到1.6 m，河床變形異常，超過潮流持續作用下的最大沖刷深度為0.79 m。11月21日的河床變形量最大達3.5 m，超過100年一遇洪水沖刷深度，及時向盾構施工單位報告。施工單位結合河床監測數據采用悶推、壓注聚氨酯等方法，控制了險情的發展；采用膨潤土漿液及高分子聚合物對掌子面渣土進行了改良；調整了盾構機的掘進速度和總推力等參數。后期對該區域進行重點加密觀測，跟蹤河床變形的發展情況。11月21日之后，該區域河床基本穩定，變形量未繼續擴大。福州地鐵1號線盾構掘進到不同位置時盾構機附近河床最大沉變形量見圖5。

圖5 盾構掘進到不同位置時河床最大沉變形量示意

5 結語

福州市地鐵1號線下穿閩江北港，隧道盾構施工面臨潮差變幅大、隧洞埋深淺、河床地質復雜、靠近重要商業區等風險，失事后果嚴重，盾構施工過程中有必要開展河床變形監測，掌握河床的實時變形情況。

采用水下機器人、GPS-RTK結合多波束測深技術進行水下地形數據采集，與數模計算的洪、潮作用下河床變形預警值對比，分析河床的實時變形情況。從實施效果上來看，該檢測方法是可行的、有效的，其可以跟蹤施工過程中河床變形的發展情況，為盾構安全施工以及事故調查提供參考依據。