地铁盾构隧道下穿公路隧道安全监控的研究

摘要: 结合南京地铁一号线一区间盾构隧道下穿公路隧道的具体工程实践, 探讨了两种不同类型隧道互交穿越的施工监测技术, 根据影响安全的各因素, 采取可行的监测方案, 分析了盾构穿越公路隧道过程中监测数据的变化规律, 用于指导实践, 保证了隧道结构和周边环境的安全, 获得满意的结果。为同类型工程积累了经验。

关键词: 盾构隧道; 公路隧道; 下穿; 安全监控中

1 　工程概况
南京地铁与玄武湖公路隧道为南京市政两大重点项目, 地铁一号线盾构施工隧道(左、右线) 与玄武湖公路隧道在新模范马路与中央路的丁字路口立体交叉, 公路隧道在地铁隧道的上方, 并先于地铁隧道施工。两条隧道互交处的最小净距右线为11004m , 左线为11053m , 因此, 在盾构机穿越公路隧道下方的施工过程中, 安全监控成为确保两隧道结构安全的一项重要工作。
盾构机穿越地层为粘土性地层, 有淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉土等, 土质不均, 土质较差。围岩划分为ⅰ 类, 地下水主要为孔隙潜水与弱承压水, 采用土压平衡式盾构掘进。玄武湖公路隧道采用明挖顺做法施工, 围护结构采用smw 法工法, 主体结构为钢筋砼箱体结构, 底板为850mm 厚钢筋砼, 垫层为200mm 厚素砼, 并沿公路隧道纵向设抗拔桩, 主体结构仅先于地铁隧道2 月完成施工, 并预留了极小的盾构穿越空间。
2 　安全监控方案
为保证盾构的安全通过和公路隧道的安全, 根据可能出现影响安全的因素, 选择布置适当的监控方案, 使其能客观地反映盾构通过公路隧道时的安全状况。211 　监测内容及测点的布置对盾构隧道进行管片衬砌沉降和收敛监测, 同时对公路隧道进行底板隆沉、隧道净空收敛监测及围岩压力测试。其中管片变形点布置在盾构左右隧道轴线与公路隧道上行、下行隧道中线相交处的断面上; 考虑到盾构引起的地表沉降槽呈正态曲线分布[2 ] , 盾构隧道上方沉降量大, 向两侧逐渐减小, 因此布置成如图1 (a) 所示的公路隧道底板隆沉点; 在公路隧道上行、下行隧道内沿盾构左右线隧道轴线布设公路隧道净空收敛点; 在公路隧道与盾构隧道交叉处埋设6 个土体压力测点, 布置于垫层与土体之间。所有测点如图1 所示。

(a)

(b)

图1 　监测点布置图

212 　监测频率及预警盾构机通常的平均掘进速度为每天12m , 在下穿公路隧道时放缓速度, 约每天8m 。盾构机接近公路隧道60m 前开始初测并按照规范要求的频率进行观测, 通过时每6 小时测量一次。同时当监测值累积变化接近或超过报警值时, 加大监测频率。预警值按照ⅲ 级监测管理[3 ] 来确定, 即将控制值的三分之二作为警告值, 控制值的三分之一作为基准值, 将警告值和控制值之间称为警告范围, 实测值落在此范围, 应提出警告, 需要调整施工参数、采取施工对策; 警告值和基准值之间称为注意范围; 实测值落在基准值以下, 说明两隧道和围岩是稳定的。同时利用变化速率作为辅助监测基准。213 　控制措施。
为减小盾构施工对玄武湖公路隧道的影响, 在施工中应尽可能地减小对周围土体的扰动和地表沉降, 关键技术是保持盾构开挖面的稳定和管片脱出盾尾后建筑空隙。盾构开挖面的稳定可以通过优化掘进参数来控制, 其重要参数有三个: 正面压力、推进速度和出土控制。在盾构还未到达公路隧道的掘进过程中, 通过地表沉降曲线进行实测反馈, 以验证选择施工参数的合理性或据以调整优化施工参数。在通过公路隧道时减小正面压力, 放慢推进速度, 加快出渣速度能达到降低地表隆起的目的; 相反, 采取提高正面压力, 加快推进速度, 减少出渣量, 能起到控制沉降的目的, 这样能够保证公路隧道路面的稳定。
建筑的空隙的充填则采取同步与二次注浆。在盾构掘进过程中, 尽快在脱出盾尾后环形建筑空隙中充填足量的浆液进行同步注浆。二次注浆是弥补同步注浆的不足, 减小沉降的有效辅助手段, 在盾构下穿公路隧道时, 以达到控制地表沉降的目的。盾构通过后, 根据实时监测结果及时控制固结沉降, 在管片衬砌后实施跟踪回填与固结注浆, 尤其是对拱部120°范围内进行地层的固结注浆, 最大程度地保证公路隧道和盾构隧道的稳定。
同时注意盾构姿态的控制, 在盾构推进和管片拼装时确保姿态不后退、不变向、不变坡, 保持连续均衡的施工。并且在公路隧道与盾构隧道互交处, 加载垫层, 沿玄武湖隧道纵向设抗拔桩。
3 　实测情况分析
盾构左线于2002 年5 月16 日至19 日完成公路隧道段的施工。在盾构机接近公路隧道60m 到远离公路隧道100m 这一阶段, 连续对监测项目进行跟踪监测分析。
(1) 土压力分析图2 是盾构机左线穿越公路隧道时, 土压力的变化情况。

图2 　土压力变化曲线土压力的变化规律与盾构施工进程相对应, 土压变化规律比较明显, 主要有以下特点: 1) 右线土压力(y4 、y5 、y6) 基本没有变化, 说明盾构掘进影响范围比较小, 右线上方土压力比较正常, 土体没有发生大的扰动。
2) 从左线土压力(y1 、y2 、y3) 的变化情况来看, 盾构推进对左线上方土体有挤压作用。盾构切口前方土压略有下降(主要是泡沫影响所致), 但数值比较小; 盾构切口到达时与盾构土仓顶部压力基本一致。
3) 盾尾到达时土压上升(主要受同步注浆影响), 盾尾通过后土压开始下降, 最终稳定但仍比掘进前略大。土压下降是浆液固结收缩所致, 总体上同步注浆对地层有压密作用。

4) 图2 还反映出在盾构到达后, 土压力不断增加, 平均大约增加0106mpa , 随后又减少了大约0104mpa 。说明盾构在推进时对周围主体产生挤压, 使压力增加, 而后产生弹性恢复, 压力减小。压力经历了减小—增大—减小的动态变化后, 其间使公路隧道和盾构隧道的受力发生变化, 控制不好会影响两隧道的安全。
(2) 公路隧道底板沉降
从4 月25 日开始对玄武湖公路隧道底板开始跟踪监测, 到5 月23 日盾构已经完全穿出一段距离后, 公路隧道南北线29 个监测点最大隆沉值为119mm , 最小值011mm , 未影响公路隧道的安全。为分析盾构推进对公路隧道底板影响规律, 分别绘制公路隧道方向(南线) 沉降在不同时间段内的变化曲线图, 以及典型点随时间变化的曲线图(图3 , 图4) 。

图3 　南线公路隧道底板各时段沉降曲线

图4 　典型地表点随时间变化曲线

分析图3 、图4 可以得到以下结论:
1) 盾构未到达公路隧道时, 地表有比较大的沉降量, 最大沉降量为116mm , 说明盾构正面对土体的推应力小于原始侧向地应力。而且其沉降量曲线与累积沉降量曲线很接近, 说明这一阶段的沉降量是通过公路隧道时主要沉降段。
2) 盾构通过时, 地表有隆起的现象, 最大值仅为017mm , 由于盾构切口到达时与盾构土仓顶部压力基本一致, 微量隆起跟强注浆量有关。同时没有出现大的隆起说明抗拔桩起到了抗拔的作用。
3) 盾构通过后, 公路隧道地表有微小的沉降, 其中s1 -1 , s2 -1 处于抗拔桩外沉降明显。
4) 分析典型点沉降过程, 盾构到达前的沉降量占到总沉降量的95 % 以上, 速率为0108mmπd。而通过时的隆起抵消了通过后由于土体的固结引起的沉降。
5) 监测数据显示, 当覆土厚度不够时, 加载垫层和抗拔桩是有效的措施之一, 能很好地控制地表的隆沉。
(3) 管片沉降及隧道收敛
监测数据显示公路隧道的净空收敛最大变化量为0187mm 。同时根据对地铁管片连续的跟踪监测表明, 相交处地铁隧道最大累积收敛为1148mm , 最大累积沉降为0170mm 。考虑到读数的误差, 可以认定在穿越玄武湖公路隧道期间, 公路隧道没有受到大的影响; 完全穿越后地铁管片的沉降以及收敛在控制范围内, 说明公路隧道已经趋于稳定, 盾构隧道安全穿越公路隧道。
4 　结论
(1) 监测数据表明在盾构隧道穿越公路隧道期间, 盾构的各种参数设置比较适当, 在推进速度较快(约60mmπmin) 的情况下, 保证了公路隧道的稳定; 同时为右线盾构隧道的再次穿越积累了经验。
(2) 地铁隧道与不同类型的隧道互交并且采用土压平衡盾构施工, 当覆土厚度不够时, 可加载垫层和设置抗拔桩。监测结果表明一些变形数值远远小于控制值。在覆土最小仅为11004m 的状态下, 盾构机安全穿越公路隧道, 为以后同类型工程积累宝贵的经验。
(3) 在盾构推进时, 须加强周边环境的监测, 根据实际情况来调整盾构推进参数, 控制地表沉降, 保证相交隧道的安全有着重要的作用。

参考文献
[1 ] 唐益群等. 上海地铁盾构施工引起地面沉降原因分析研究
[ 2 ] 张庆贺等. 盾构推进引起土体扰动理论分析与试验研究
[ 3 ] 岩土工程监测规范. 北京: 中国计划出版社, 996.