靜力水準監測在地鐵盾構下穿建筑物過程中的應用

李 偉，孫立光

(1.杭州市地鐵集團有限責任公司，杭州 310020;2.上海同是工程科技有限公司，上海 200092)

1 工程概況

杭州地鐵1號線某區間右線全長1 308 m，采用盾構法施工。區間沿線地質構造和地層為河口相沖海積堆積的粉性土及砂性土，由于堆積年代及固結條件不同，性質不一，豎向由松散至中密狀態變化，厚度一般在20 m左右;其下為海陸交互相沉積的淤泥質軟土及黏性土，地面下約40～45 m左右為古錢塘江河床堆積的圓礫層，中密～密實狀態，底部基巖埋深一般在地面以下55～63 m左右。隧道頂部埋深12～17 m，主要穿越淤泥質粉質黏土層④4、⑥1層、淤泥質粉質黏土層⑥2、黏土⑦1、粉質黏土層⑧2和砂粉質黏土⑨1。

沿線淺部地下水屬潛水類型，主要賦存于上部填土層及粉土、砂土層中，補給來源主要為大氣降水及地表水，其靜止水位一般在地下1～4 m，并隨季節變化。

2 靜力水準監測方案

2.1 監測內容及范圍

隧道沿線需下穿較多建筑物，建筑年代集中在20世紀70年代末80年代初，基礎多為淺基礎，結構形式多為磚混結構，承受變形能力較差。為了掌握盾構穿越期間建筑物沉降及發展情況，為建筑物的安全狀況評估提供基礎數據，選取其中3幢建筑物進行靜力水準監測，主要對建筑物沉降和差異沉降進行監測。建筑物情況如表1所示。

表1 建筑物情況

本工程采用RJ20型電容感應式靜力水準監測系統，監測精度可以達到0.1 mm，每2 h采集一次監測數據，其具體指標如表2所示。

2.2 監測點設置

為盡量減少對居民生活的影響，監測點布置在建筑物頂部，由于建筑物本身的條件限制，住宅樓1和住宅樓2分別布設4個靜力水準監測點，編號分別為HZ38-1～HZ38-4和HZ37-1～HZ37-4;住宅樓3共布設8個監測點，編號為HZ34-1～HZ34-8。3幢建筑共計布設靜力水準監測點16個。靜力水準監測點的具體位置詳見圖1。

表2 靜力水準監測指標

圖1 靜力水準監測布點

2.3 靜力水準監測原理

靜力水準監測系統由傳感器、數據采集裝置和一套計算機監控管理系統組成。靜力水準監測具有監測點多、測量范圍大、精度高、數據可自動化采集等優點。

圖2 靜力水準監測原理示意

如圖2所示，共布設有n個測點，假設1號點為相對基準點，初始狀態時各測量安裝高程相對于(基準)參考高程面 ΔH0間的距離則為 Y01，…Y0i…，Y0n(i為測點代號，i=0，1，…，n);各測點安裝高程與液面間的距離則為 h01，h0i，…，h0n，則有

當發生不均勻沉陷后，設各測點安裝高程相對于基準參考高程面 ΔH0的變化量為 Δhj1，Δhj2，Δhji，…，hjn(j為測次代號，j=0，1，……，n);各測點容器內液面相對于安裝高程的距離為 hj1，hj2，…，hji，…，hjn。由圖2可得

則j次測量i點相對于基準點1的相對沉陷量Hi1為

由式(2)可得

由式(1)可得

將式(5)代入式(4)得

即通過傳感器測得任意時刻各測點容器內液面相對于該點安裝高程的距離 hji(含 hj1及首次的 h0i)，則可求得該時刻各點相對于基準點1的相對高程差。如把任意點g(1，…，i，n)做為相對基準點，將f測次做為參考測次，則按式(6)同樣可求出任意測點相對g測點(以f測次為基準值)的相對高程差Hig

3 監測數據分析

3.1 住宅樓1的監測數據分析

盾構下穿越住宅樓1的初期推進參數設定為:土倉壓力0.34 MPa，推進速度為3～4 cm/min，跟蹤注漿量為5.0 m3/環。住宅樓1的靜力水準監測以HZ38-1監測點為基準點。推進過程中，為了防止建筑物隆起過大，土壓力由0.34 MPa逐步降到0.32 MPa。由圖3可知，隨著土壓力的降低，建筑物明顯出現沉降增大的現象，其中位于盾構軸線上方的HZ38-4監測點沉降量最大。為了控制建筑物沉降的進一步發展，施工單位將跟蹤注漿量由5.0 m3/環增加至5.8 m3/環。注漿量調整以后，沉降趨勢得到明顯的控制，特別是長管注漿后建筑物的沉降變形趨勢得到更有效控制。

由表3可知，盾構完全穿出住宅樓1之后，HZ38-4的累計沉降量最大為-10.04 mm，HZ38-3和HZ38-4監測點間的差異沉降最大為0.37‰。HZ38-4點位于盾構中軸線上方受到盾構施工的擾動較為明顯，其他3個監測點的沉降量隨著距盾構距離的增大而減小。

圖3 住宅樓1監測點沉降時程曲線

表3 住宅樓1的監測數據

3.2 住宅樓2的監測數據分析

住宅樓2的靜力水準監測以HZ37-4監測點為基準點。住宅樓2監測點沉降時程曲線如圖4所示。

截至6月7日，住宅樓2的監測數據如表4所示。

表4 住宅樓2的監測數據

根據監測數據可以看出，盾構下穿住宅樓2期間，各監測點的沉降曲線斜率較大，表明建筑物沉降速率較快。隨著二次注漿措施的實施，沉降速率得到明顯的減緩，但沉降量還有增大的趨勢。為了有效控制建筑物的沉降變形，5月10日施工單位采用了長管注漿加固措施。由圖4的曲線可知，長管注漿初期建筑物仍有一定的下沉趨勢，但隨著加固體強度的增加，建筑物下沉趨勢得到有效控制，沉降速率明顯變小。

3.3 住宅樓3的監測數據分析

盾構下穿住宅樓3的初始推進參數為土倉壓力0.32 MPa，推進速度 3～4 cm/min，跟蹤注漿量為 6 m3/環。由圖5可知，曲線波谷均對應注漿加固的時間點，每次注漿后監測點都有一定隆起，通過多次注漿可有效地控制建筑物沉降的發展。在4月24日至4月26日期間，建筑物最大隆起量接近+6 mm，遠超過+3 mm的控制值。施工單位根據監測數據及時采取以下處理措施:第一將注漿量從6 m3/環逐步降低到5.5 m3/環;第二將土壓力由0.32 MPa逐步降低為0.30 MPa。盾構推進參數調整后，建筑物進一步隆起的趨勢得到有效的控制。

圖4 住宅樓2監測點沉降時程曲線

圖5 盾構下穿期間住宅樓3監測點沉降時程曲線

圖6 盾構穿出住宅樓3后監測點沉降時程曲線

盾構下穿期間對土體擾動較大，造成建筑物產生一定量的隆起變形，隨著土壓力和孔隙水壓力的逐步釋放必然會導致建筑物產生沉降變形。為了有效控制建筑物的工后沉降，施工單位根據靜力水準監測數據增加了二次注漿的次數。由圖6可以看出，從4月28日至5月2日期間，每當曲線斜率較大，建筑物沉降量達到沉降曲線的波谷時，施工單位都及時采取了注漿措施，注漿頻率高達1次/d。長管注漿施工后建筑物的沉降速率和沉降量得到有效控制。

4 結論及建議

通過對3幢建筑物進行靜力水準監測，可得到以下結論及建議:

1)盾構下穿建筑物過程中，保持盾構推進參數的相對穩定是很重要的，應根據靜力水準監測數據進行盾構參數的微調，以達到控制建筑物變形的最佳效果。

2)盾構穿出建筑物后，進行及時的二次注漿是必要的。本工程根據靜力水準監測數據及時進行二次注漿對控制建筑物變形起到了關鍵作用。

3)盾構穿出建筑物后，采用長管注漿施工初期對控制建筑物變形效果甚微，但對于控制工后建筑物長期沉降變形及縮短建筑物變形穩定時間有一定的作用。

4)靜力水準監測數據采集頻率高，數據曲線有明顯的波峰和波谷，比常規水準監測更能詳細準確地反映建筑物變形情況。靜力水準監測對施工單位正確分析工況、及時調整盾構參數和進行信息化施工提供了技術支持。

5)靜力水準監測為盾構在相似地層條件下下穿建筑物提供了重要的基礎性數據，也為左線盾構再次下穿3幢建筑物時盾構推進參數的設定提供了科學依據。

［1］鮑永亮，鄭七振，唐建忠.盾構隧道穿越既有建筑物施工技術［J］.鐵道建筑，2008(4):52-53.

［2］章慧健，仇文革，王慶.城市地鐵盾構施工引起的地表沉降分析［J］.鐵道建筑，2008(9):64-67.