某機場聯絡線大直徑單線雙洞盾構施工變形特性分析

【中圖分類號】 U455.43

【文獻標志碼】 A

0 引言

盾構法施工以其安全性、高效性、實用性等優勢在上海城市隧道工程建設中得到廣泛使用。但是，受城市復雜多樣的自然環境條件和地面及地下既有設施分布的空間環境條件等多種因素的影響，傳統單線單洞已很難滿足上海城市地下工程建設的大斷面、長距離等施工。

隨著我國社會經濟發展，致使城市大規模迅猛發展，而與此同時，地上空間匱乏、交通擁擠等問題也日益突出。地下工程的發展已成為目前城市建設中不可或缺的組成部分，盾構推進過程中會對周圍土層產生不斷的擾動，引發地面變形。因此，開展對大直徑單線雙洞盾構施工技術的研究，是推進上海城市盾構施工技術進一步發展的必然。目前大直徑單線雙洞盾構工程應用會逐漸普及，施工會對周圍環境產生巨大的擾動，根據相關研究成果，大直徑單線雙洞盾構施工對鄰近土體和建筑物的擾動影響相對小直徑盾構明顯放大。由于盾構施工不可避免地破壞土層穩定性，引起隧道周圍地層變形和地表沉降，影響隧道施工及周邊環境安全。若施工控制不當，會導致非常不利的影響甚至引發嚴重的事故。因此，在盾構施工階段對周邊建（構）筑物、鄰近土體及隧道本身進行監測尤為必要，通過監測數據評估整個工程的狀態，為施工決策提供依據。

本文將以上海浦東軌道交通市域線一機場聯絡線工程JXCSG11標凌空路轉換井一度假區站項目實例為工程依托，分析了盾構施工期間隧道上方縱斷面沉降監測、隧道上方橫斷面沉降監測、周邊管線沉降、建（構）筑物沉降和隧道豎向位移、隧道水平收斂等各監測項目的監測點的變形規律。基于數據反饋積累了寶貴的大直徑單線雙洞盾構施工數據和變形經驗，可為今后類似的大直徑盾構隧道項目的設計、施工提供強有力的借鑒和參考意義。

T 工程背景

1.1 工程概述

盾構始發東起凌空路轉換井，位于凌空路與S1迎賓大道南側聯絡道之間。區間依次下穿有河流、房屋、既有道路、微博塔等建構筑物后，西止度假區站，位于川展路60號。區間采用一臺泥水 ?^14.04m 大盾構，起止里程為 DK48+ 569.199-DK43+846.869 （區間隧道左線全長度為4722.33m）。本項目位于上海市浦東新區迎賓高速公路南側、唐黃路與凌空路之間，區間隧道布置型式采用單洞雙線布置型式，管片的外徑為 ?13.6m ，內徑為 ?12.5m ，環寬 2m ，為單層鋼筋混凝土管片結構，通用楔形環組合，錯縫拼接方式。內部結構全預制件含頂部牛腿，中隔墻，疏散平臺，下部弧形件，兩側電纜槽。從凌空路轉換井大里程端始發，以 3‰ 的下坡（坡長 64.199m 始發，以 18‰ 下坡（坡長 505m ）下穿浦東運河。隨后采用 3.1‰ 的下坡（坡長 1750m ）下穿川沙路、川六公路、東塘河，后以 3‰ 的上坡（坡長 1150m ）再以 10‰ 上坡（坡長 1100m ）下穿南六公路、三星河、五灶港姚家橋后。采用曲線半徑 R=1300m 的曲線半徑西進度假區站。每環管片由9塊管片組成，采用 6+2+1/2 形式（圖1、圖2）。

圖1盾構區間線路總平面

盾構始發場地范圍內場地整體屬正常沉積區，局部古河道分布。典型地質剖面圖詳見圖3。

1.2監測點布置及監測頻率

區間監測的主要內容：地表沉降、周邊建（構）筑物沉降、周邊建（構）筑物傾斜、管線沉降、洞內水平收斂、洞內拱底沉降等。監測頻率結合盾構區間施工的影響距離和程度進行合理安排，在盾構機到達接收端前 50m 對建筑物及地表進行加密布置每 5m 設一斷面。且在盾構到達加固體后安派專人進行 24h 地面巡視，初始值測取后，各項目的監測頻率如表1所示。

圖2單洞雙線路隧盾構區間內部結構

圖3典型地質剖面

表1施工監測項目及監測點布置

2工程重難點分析和應對措施

2.1工程重難點分析

（1）區間隧道沿線需穿越眾多建構筑物，部分建構筑物具有年代久遠、結構性差的特點。若盾構施工控制不當而引起地層過大沉降，易導致建構筑物傾斜或墻體、墻面開裂等現象，甚至發生倒塌等風險。為此加密盾構下穿房屋、重點建構筑物的監測布點，加強監測，仔細分析監測數據，為盾構施工參數的制定和調整提供參考。

（2）盾構側穿大直徑雨污合流，并下穿多條道路上的上水、燃氣管線、雨污水管線。盾構穿越區域可能存在較大的不均勻沉降，容易引起管道的破損造成管道滲漏，造成上水、雨污水沿裂縫滲漏，對施工造成安全隱患，為此需對盾構垂直穿越的的管線加密布設監測點。

（3）區間隧道沿線穿越多條河流（浦東運河、通城河、三新河等），穿越河流時覆土較淺，若盾構施工控制不當易引起流沙等風險。另外，本區間隧道穿越五灶港橋（姚家橋），樁長24m ，樁底標高不詳，隧道穿越前需拆除，待隧道穿越后重建。

（4）盾構通過前應在沿線地表及管線上布設相應測點，加強監測，及時反饋信息并合理地調整盾構機的掘進參數，做到信息化施工。當地面沉降或管線變形接近警戒值時，應及時采取二次補注漿或地面注漿加固地層等措施，有效防止管道的破壞；如出現沉降過大、管道出現裂縫等緊急情況應立即停止施工，并及時報監理、業主和設計單位進行研究。

（5）測點的埋設與保護：對目標的監測，需要是一個連續的過程，為了保證監測的連續性，需要具有穩定的監測點。在監測過程中，如果埋設的測點沒有做好保護工作，監測點就可能遭到破壞，導致監測工作無法正常進行。特別是對于本項目而言，施工周期長，監測要求高，對測點的成活率和可靠性要求較高。應重點關注測點埋設方法的可靠性，保證測點成活率。因此，對監測點的保護工作應作為整個監測周期內的一項重要事宜全程關注。

（6）惡劣氣候的影響：施工期間如遇暴雨、強風等惡劣氣候，可能會引起已施工結構的變形加大，或加劇對周邊環境的影響程度，同時會影響監測工作的完成和質量。因為高精度的測量儀器需要一定的外界環境，多變的氣象條件會影響儀器的精度。因此，合理的選擇測項和巡視區域也是本工程的重點。

2.2 應對措施

（1）加強有壓、剛性管線的監測工作。在盾構推進過程中重點關注燃氣、上水、雨水、污水等管線監測的數據變化，及相應位置的地表監測斷面等測項的監測數據變化情況，同時加強管線滲漏情況巡視。

（2）關注隧道結構本體變形。在盾構推進過程中關注隧道結構沉降、收斂等測項的監測數據變化情況，做好各監測測項及巡視工作的有效結合，確保高準確度反映隧道結構本體變形情況。

（3）加強資料的收集工作。本項目為大直徑盾構，區間較長，地質情況不一，應作好地質資料及設計資料的收集工作，做到有針對性的監測工作。

（4）加強測點的保護工作。本項目監測周期較長，監測工作實施過程中若某一基準點被破壞，將及時重新埋設，同時和未破壞的基準點進行聯測；對破壞的監測點及時重新布設并采集初始值，破壞點的累計值在破壞前累計的基礎上繼續累加，確保監測數據的連續性。

（5）建立合理的預警預案。針對本項目多變的地址情況，作好合理的緊急預警和處理措施是作好本項目監測工作的關鍵。在第三方監測工作開展的同時，積極作好現場人員、儀器的分配工作，一旦發生風險，可及時跟蹤搶險，第一時間測取觀測數據，為后續專家分析原因提供技術參考依據。

（6）加強周邊施工工況的巡檢工作。在盾構推進過程中關注施工項目的工況和施工進展，如推進環數、周邊環境情況、注漿設施運轉情況等，及時跟進了解施工工況，并根據監測數據變形情況和現場巡視綜合判斷安全隱患，盡早發現、合理評價、全程關注、及時整治。

3大直徑單線雙洞盾構施工變形分析

3.1地層縱斷面沉降監測數據分析

根據隧道軸線監測點數據變化曲線圖中數據變化情況，地表沉降監測點監測數據在盾構掘進過程中變化情況大致劃分為三個階段；掘進通過前平穩階段：在盾構掘進通過地表沉降監測斷面前，隧道上方對應斷面的地表沉降監測點數據變化量較小，且變化趨勢成略微上升趨勢；掘進通過時沉降階段：在盾構掘進通過地表沉降監測斷面時，隧道上方對應斷面的地表沉降監測點數據變化量增大，出現明顯沉降，后由于盾尾注漿呈微隆起趨勢；掘進通過后穩定階段：在盾構掘進通過地表沉降監測斷面后，隧道上方對應斷面的地表沉降監測點2～3天后逐漸平穩。由此可看出盾構掘進過程中對隧道上方地表影響較為明顯，地表沉降監測數據直至盾構通過2～3天后恢復平穩，且變化趨勢漸漸穩定。

圖4盾構區間始發端軸線監測點數據變化曲線（單位： mm ）

項目典型軸線斷面監測點數據變化曲線圖如圖4～圖6所示。

圖5盾構區間750環斷面監測點數據變化曲線（單位： mm ）

3.2地層橫斷面沉降監測數據分析

3.2.1地表沉降理論計算

圖7盾構隧道施工造成的地表沉降橫向沉降槽曲線

式中： S（x） 為地面沉降量，（mm）； x 為計算點距鉆孔中心線的距離， τ（m） ； V₁ 為地層損失量（單位鉆孔長度上），（m³/m） ; S_max 為軸線處最大沉降量， （mm） ）； i 為沉降槽寬度系數， τ（m） ； Z 為覆土層的厚度（地面到管軸線之間的垂直距離）， τ（m） ； σ 為土的內摩擦角，（°）； W 為沉降槽總寬度， 為鉆孔直徑， τ（m） ； d 為套管外徑， τ（m） 。

3.2.2 實測數據與經驗計算值比較

在本項目中：利用前文中提到的經驗公式， r=12.5m ， ，求得 V₁=345m³/m ， Z=19.2m ， σ=16.5^° ，求得 W=30.624m ， 。由于實際施工中各種因素，其形態并非與理論沉降槽完全對稱，但形狀幾乎吻合，可見施工對橫斷面沉降影響的空間效應與已有經驗法中理論相符合。超大直徑單線雙洞泥水盾構隧道施工對橫斷面地層位移影響的空間效應與經典經驗法理論十分吻合，沉降槽形態幾乎一致。地層橫斷面沉降監測數據沿隧道中心橫向線呈對稱分布，隨著與隧道中心線距離越大，地層橫斷面沉降監測數據越小，大致形成一個標準的沉降凹槽。本工程中實測沉降量小于通過經驗法求得的最大沉降量，可見工程中采取的一系列沉降控制措施發揮了明顯的作用，使得最大沉降量得到了很好的控制（圖8、圖9）。

圖8盾構區間1445環斷面監測點數據變化曲線（單位： mm ））

圖9盾構區間1640環斷面監測點數據變化曲線（單位： mm ）

3.3管線沉降監測數據分析

盾構掘進過程中對隧道上方管線沉降的影響較為明顯，監測數據直至盾構通過2～3天后管線監測點沉降量恢復平穩，變化趨勢漸漸穩定；本區間周邊管線在盾構施工過程中未出現報警情況，處于安全狀態（圖10）。

圖10監測數據變化曲線（單位： mm ）

3.4建（構）筑物沉降監測數據分析

盾構機通過房屋前，隧道上方對應斷面的房屋沉降監測點數據變化趨勢穩定，且變化量較小；盾構機通過房屋時，房屋沉降監測點數據變化量增大，出現明顯的隆起或下沉；盾

構機通過房屋后，隧道上方房屋沉降監測點經過2～3天的明顯變化后逐漸平穩，后續觀測中均未出現異常數據，且未出現不均勻沉降（圖11）。

圖11房屋沉降監測數據變化曲線（單位： mm ）

3.5隧道豎向位移監測數據分析

根據監測數據變化曲線圖中數據變化情況可知，在施工過程中隧道豎向位移的監測數據變化趨勢平穩。隧道豎向

位移施工過程中累計變化最大值為： ;7.77mm 。區間隧道豎向位移均未超過 ±10mm ，說明工后隧道豎向位移變化情況較小，處于安全可控狀態（圖12、圖13）。

圖12始發端隧道豎向位移監測數據變化曲線（單位： mm ）

圖13隧道豎向位移監測數據變化曲線（單位： mm ）

3.6隧道水平收斂監測數據分析

根據監測數據變化曲線圖中數據變化情況，在施工過程中隧道水平收斂的監測數據變化趨勢平穩。

隧道水平收斂施工過程中累計變化最大值為：-6.1mm 。區間隧道水平收斂均未超過 ±10mm ，說明隧道水平收斂變化情況較小，處于安全可控狀態（圖14、圖15）。

圖14始發端隧道水平收斂監測數據變化曲線（單位： mm ）

圖15隧道水平收斂監測數據變化曲線（單位： mm ）

4 結束語

（1）地層縱斷面沉降：掘進通過前平穩階段，隧道上方對應斷面的地表沉降變化量較小，且變化趨勢成略微上升趨勢；掘進通過時沉降階段，數據變化量增大，出現明顯沉降，后由于盾尾注漿呈微隆起趨勢；掘進通過后穩定階段，隧道上方對應斷面的地表沉降監測點2～3天后逐漸平穩，且變化趨勢漸漸穩定。

（2）地層橫斷面沉降：超大直徑單線雙洞泥水盾構隧道施工對橫斷面地層位移影響的空間效應與經典經驗法理論十分吻合，沉降槽形態幾乎一致。地層橫斷面沉降監測數據沿隧道中心橫向線呈對稱分布，與隧道中心線距離越大，地層橫斷面沉降監測數據越小，大致形成一個標準的沉降凹槽。實測沉降量小于通過經驗法求得的最大沉降量，工程中采取的沉降控制措施發揮了明顯的作用，使得最大沉降量得到了很好的控制。

（3）管線沉降：盾構掘進過程中對隧道上方管線沉降的影響較為明顯，監測數據直至盾構通過2～3天后管線監測點沉降量恢復平穩，變化趨勢漸漸穩定，本區間周邊管線在盾構施工過程中未出現報警情況，處于安全狀態。

（4）建（構）筑物沉降：盾構機通過房屋前，隧道上方對應斷面的房屋沉降監測點數據變化趨勢穩定，且變化量較小；盾構機通過房屋時，房屋沉降監測點數據變化量增大，出現明顯的隆起或下沉；盾構機通過房屋后，隧道上方房屋沉降監測點經過2～3天的明顯變化后逐漸平穩，后續觀測中均未出現異常數據，且未出現不均勻沉降。

（5）隧道豎向位移：隧道豎向位移監測數據小于地層沉降數據。在施工過程中隧道豎向位移的監測數據變化趨勢平穩。隧道豎向位移累計變化最大值為 7.77mm ，區間隧道豎向位移均未超過 ±10mm ，工后隧道豎向位移變化情況較小，處于安全可控狀態。

（6）隧道水平收斂：隧道水平收斂施工過程中累計變化最大值為： -6.1mm ，區間隧道水平收斂均未超過 ±10mm 施工過程中隧道水平收斂的監測數據變化趨勢平穩，隧道水平收斂變化情況較小，處于安全可控狀態。

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