某地鐵不同上下疊落工況的盾構隧道施工風險及監測分析

郗宜君

(中鐵一局集團有限公司，陜西 西安 710054)

隨著城市的快速發展，地下交通網絡的需求也變得愈發急迫，但由于地面建筑物的密集性、地下管線網絡的復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，上下疊落盾構隧道結構形式逐漸出現，并成為地鐵建設的發展趨勢。雖然疊落盾構隧道形式可以解決地下空間擁擠的問題，但近距離疊落隧道施工對既有建(構)筑物及上部地表等帶來很大影響[1]。目前國內外眾多學者針對該問題進行了大量的研究，王清標等[2]研究了不同開挖方式對交疊隧道影響，結果表明不同開挖方式對交疊隧道施工過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制演變過程和襯砌破壞的危險點。陳先國等[3]采用ANSYS程序分析了重疊隧道中后建隧道開挖對先建隧道的整體結構影響，結果發現位于先建隧道下方的后建隧道開挖使上部隧道結構整體下沉，并且地表及夾層土體的穩定性不易控制。鄭余朝等[4]研究了疊落隧道中開挖順序對隧道襯砌的影響，從先施工隧道的內力演變來看，“先施工下洞，后施工上洞”的安全性優于“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線一期工程與九號線工程形成的四孔小間距重疊暗挖隧道，設定了4種不同的施工順序，通過有限元數值模擬，研究了施工順序對地表沉降、隧道結構內力及變形的影響。結果表明，地面沉降與隧道的凈距有關。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，利用傳統的解析法計算隧道坍塌拱的高度比較危險，疊落隧道的坍塌拱交疊，土體容易出現塑性區。在安全控制措施方面，張建坤等[8]依托疊落隧道施工監測數據，詳細分析了疊落盾構隧道施工對上覆地表變形的影響，發現上線開挖后地表產生了更大沉降。上述大量的研究表明，疊落盾構隧道施工對其周圍環境的影響是不可避免的，因此，上下疊落盾構隧道施工中的變形控制及其監測分析至關重要。

1 工程概況

某地鐵某區間隧道全線敷設于地下，采用盾構法施工。區間起訖點里程范圍左、右線均為DK35+679.792～DK36+494.320，左線長度為824.069m，右線長度為814.528m。區間疊落部分起訖點里程DK35+679.792～DK36+200，疊落段上下行區間最小凈距為2.1m。區間沿線圓曲線半徑1 500m、1 000m、300m，而后再轉直線段進入河山街站。區間縱向基本“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)，隧道結構覆土為19.7～30.2m。區間所處地貌單元為松花江漫灘，地面標高在120.11～130.26m，場地地形稍有起伏。區間隧道位于道里區前進路、康安路地下，交通流量巨大。場地地層結構特點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，性質變化較大，上部第四紀地層具有明顯沉積輪回特征，即從上到下顆粒由細到粗分布。表層由雜填土組成，上部地基土主要由粉、細砂組成，中間主要由中粗砂夾厚薄不均的黏性土組成，下部基巖為白堊紀泥巖。

2 工程施工風險分析

疊落區間不僅要保證周邊建筑安全，還要保證相互影響時的自身安全，以及整個運營期結構的使用安全。無論是設計方案，還是施工控制都是重點和難點。經分析，該疊落區間風險主要有如下特點：

(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定后，上線隧道施工推進過程中，由于盾構機重量和掘進推力較大，下線隧道結構將經歷先加載、后卸載的過程，且施工附加荷載較多、較大，盾構機通過后，下線隧道上方挖土卸載，產生回彈變形。在此過程中，下線隧道結構易出現裂縫，管片接縫產生較大錯臺、滲漏水、侵限等。特別是3號線與5號線疊落段，其總長120m左右，隧道間最小凈距1.8m，5號線盾構施工時，3號線可能正在運營，施工風險更為顯著。

(2) 疊落隧道偏壓荷載易引發結構病害、巖土沉降等問題。側疊落段是平行段與正疊落段之間的過渡段，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量控制難度較大，易產生裂縫和較大差異沉降、接縫張開、錯臺、滲漏水、侵限等風險。上線隧道是在已受擾動的土層中掘進施工，相對于原狀土，土體性質變差，和正常單線隧道相比，隧道上方地層和地表沉降增大，增大了對周邊環境帶來的影響，可能會引起隧道周邊建筑物、地下管線變形超限。

4 施工健康監測分析

針對該區間疊落盾構隧道施工風險，對盾構隧道背后土壓力及襯砌結構開展監測分析，時刻掌握盾構隧道施工中的結構安全。結合施工規范，在區間設置監測斷面，本區間共設置30個監測斷面(如圖1)，主要開展了管片結構內力及管片背后土壓力監測。

4.1 管片結構內力

(1)監測原理。通過監測管片內部鋼筋內力的變化來換算管片混凝土內力變化情況，鋼筋計與混凝土認為是應變協調的。

(2)測點安裝。在管片內部預埋結構表面應力應變監測點，每片管片中央位置內外側各布設一支鋼筋計，與管片內部鋼筋焊接。安裝時采用對焊，將鋼筋與鋼筋計中心線對正，之后采用對接法把儀器兩端的連接桿分別與鋼筋焊接在一起。

(3)數據處理。通過監測鋼筋計頻率值的變化情況，換算出鋼筋內力變化情況，從而計算出管片彎矩、軸力和剪力等力學指標。

4.2 管片背后水土壓力

4.2.1 監測原理

通過在埋設在管片外側的柔壓計進行量測管片外部水土壓力變化情況，柔壓計主要通過液體傳遞荷載作用。

4.2.2 測點安裝

(1)管片預留孔加固。柔性土壓力計感應器尺寸較大，儀器預埋需在管片預留一直徑5cm，沿管片厚度方向高20cm的圓孔，為減小局部應力集中及預留孔對結構本身受力性能的影響，在預留孔周圍布設構造螺旋筋，考慮預留孔尺寸略小于注漿孔尺寸，預留孔處構造螺旋筋可按照注漿孔構造螺旋筋進行加工。

(2)儀器預埋安裝。在混凝土管片的鋼筋籠制作完成時，按設計位置在鋼筋籠上先安裝固定柔性土壓力計的預埋件。在預埋件的板上有6根固定螺桿須與鋼筋籠上的鋼筋焊接牢固，連為一體，防止澆筑混凝土過程中產生錯位，埋深最淺的兩端距混凝土表面8～10mm。

(3)數據處理。通過監測得到柔壓計內部液體壓強變化，從換算出管片外部土體和水對管片總荷載的變化情況。

4.3 隧道結構監測數據分析

該區間隧道施工時從河山街站出發到河松街站，兩線隧道斷面從側疊逐漸轉為正疊。由于監測數據為鋼筋和軸力受壓數據，與數值模擬整體結構受壓數據并不完全對應，二者難以定量化對比。在定性關系上，監測數據左右位置的軸力計讀數與上方基本處于同一量級，鋼筋計讀數較為多變，受斷面位置影響較大，均與數值模擬結果存在差別。此外，右線軸力計讀數通常明顯大于左線。四個位置的土壓力計監測數據常處于同一量級，并且受注漿影響較大，注漿量偏大的位置土壓會明顯升高。

在整個監測過程中，絕大部分斷面的讀數均在安全范圍內，但右線第170環、第433環和第452環的監測數據在左線開挖時變化較大，土壓計讀數超出了安全范圍，推測為注漿加固過程中漿液用量偏大造成的影響。后續隧道開挖未出現安全問題，且三處的監測元件讀數已逐漸平穩。

4.3.1 正疊隧道監測數據

該區間右線的軸力計讀數較為平穩，其讀數一般在150KN左右，部分位置讀數有波動，最高讀數在190KN左右，仍在安全范圍內。大多數斷面在左線盾構掘進過程中讀數出現了波動，在盾構經過后讀數有所降低，并且隨著時間推移慢慢返回正常水平。聯絡巷附近管片軸力計讀數有波動，但在安全范圍內。綜合認為目前狀態較為安全，未發現明顯異常點(見圖2)。

圖2 左右線第582/583環軸力監測曲線

4.3.2 側疊隧道監測數據

側疊隧道管片的軸力計受上部隧道施工的影響，但是變化不劇烈，過度比較平緩。土壓力值變化不大，較為穩定。鋼筋計的變化集中在八月初，后逐漸趨于穩定。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，推測為注漿漿液逐漸凝固的影響(見圖3)。

圖3 左右線第255/248環軸力監測曲線

4.2.3 并行隧道斷面

并行隧道斷面監測數據中，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力表現基本一致，數值差異不大且較為平穩。左線隧道開挖對于右線隧道的讀數影響較小(見圖4)。

圖4 左右線第65環軸力監測曲線

5 結語

從本文實際工程的施工安全風險分析及監測數據表明，該工程施工過程中盾構隧道管片結構是穩定的，盾構隧道施工的安全風險是可控的。隨著各大城市地鐵交通網絡密度的逐漸加強，受地上地下周邊環境條件的影響及城市線路規劃設計選線的經濟性等要求，疊落盾構隧道將會越來越多，疊落盾構隧道施工對周圍環境影響所帶來的問題也越來越多，為保證疊落盾構隧道施工的安全，疊落盾構隧道施工中的安全風險分析及健康監測等相關技術還需進一步的探索和學習。