超大直徑泥水平衡盾構始發施工風險監控技術研究

魏林春，張露根，侯永茂

(上海隧道工程股份有限公司，上海 200082)

0 引言

隨著城市建設的迅猛發展，地下空間的開發利用已成為我國城市現代化發展的必然選擇。各類地下工程的大規模興建可能帶來一系列工程安全問題。隨著我國和諧社會建設步伐的逐漸加快，隧道工程的施工安全問題成為工程的重中之重。盾構始發與到達施工作為盾構法隧道施工中的一道關鍵工序，是風險事故高發階段，且事故后果相對比較嚴重。

鑒于盾構始發與到達階段出現施工風險的高概率性和風險后果的嚴重性，各國學者和工程技術人員提出了許多降低風險的方法和措施，歸納地鐵安全事故的類型及特點，分析盾構隧道施工的優點和不足之處，論述盾構隧道施工風險研究的必要性［1－2］。如基于模糊層次分析隧道工程的風險狀態［3］、始發與到達土體的地基加固方法［4－6］，防止土體坍塌的止水裝置方法［7－9］，控制地表沉降措施［10－11］等。然而對于盾構始發與到達施工中的風險預警和風險控制方法缺少深入研究，開展和布置較多的是監測系統，僅實現監測功能，而不能“控制”，對盾構施工的幫助不大，因此需要一套系統的安全風險管理技術實現盾構的始發與到達安全施工。

本文以上海長江西路隧道工程盾構始發施工為例，介紹了盾構始發與到達施工風險實時監控技術，結合原位監測、工況實時記錄、專家系統對工程中盾構始發各關鍵工序進行實時監控，評估各工序可能存在的潛在風險，并提出解決方案。現場應用效果顯示，該技術能夠有效控制盾構始發中可能存在的風險，保證盾構始發的安全。

1 工程概況

上海市長江西路越江隧道工程采用直徑15.43 m的泥水平衡盾構施工，工程起于浦西郝橋港以東，止于浦東港城路雙江路交叉口，按北線、南線分別布置，為2條全線貫通的主線線路。北線線路總長為2 860 m，其中圓隧道盾構段1 545.69 m，如圖1所示。

圖1 長江西路越江隧道線路總平面圖Fig.1 General plan layout of river-crossing tunnel at Changjiang West road

經勘察，沿線場地埋深80.45 m范圍內土層由第四系全新統及上更新統沉積地層組成。根據野外鉆探鑒別及室內土工試驗成果，結合靜力觸探及標貫試驗成果，按其成因類型、土層結構及其性狀特征可劃分為10個層位，地層特性詳見表1。

表1 地層特性表Table 1 Soil characteristics

本工程始發段場地淺部土層中的地下水類型為潛水，穩定水位埋深為 0.90～2.43 m(絕對標高為1.45 ～3.44 m)，平均埋深為1.50 m(平均標高為2.81 m)。據實測，本工程⑦層和⑨1層為承壓含水層，⑦層承壓含水層水位埋深為 6.33～8.15 m(絕對標高為－1.82～－3.63 m);⑨1層承壓含水層水位埋深為13.25 m(絕對標高為 －8.72 m)。

2 盾構始發風險監控技術

盾構的始發階段是盾構法隧道施工的風險高發階段，盾構的始發從施工層面來說，主要是對于盾構始發施工過程風險的辨識、評估、預控、應急處理、報警值的設定等內容。可見，盾構始發風險監控技術關鍵點在于監測數據的采集以及跟蹤記錄、分析并提出針對性的控制措施。

2.1 監測點布置

結合長江西路隧道工程現場情況和監測目的，需要在地表設置沉降點，并在盾構掘進軸線上方及盾構掘進斷面兩側10 m范圍內設置土壓力、孔隙水壓力及土體測斜監測孔，監測斷面位于地下連續墻2.5 m外，測點布置如圖2所示。

圖2 加固區測段測點剖面布置圖(單位:mm)Fig.2 Layout of monitoring points(mm)

2.2 實時監控系統

通過現場監測點數據的采集，可以全過程記錄盾構始發過程中土體的響應。工程的實時監控系統則通過對采集到的監測數據、現場施工工況等各種復雜因素進行綜合性分析，自動判斷目前工程中的風險狀態，并提出針對性控制措施。本監控系統軟件具有以下特色與功能。

1)實現加固土體穩定指標(地表沉降、土壓力、孔隙水壓力、分層沉降、水平位移、水位等)的自動采集、實時監測。

2)可根據工程實際施工數據，結合工程數據庫及算法，尋找可能發生的風險，進行風險評估，并采取有效的風險控制措施，降低風險發生的概率，提高工程的安全性。

3)知識庫提高功能，設計柔性的可拓展和可更新的規則庫和模型庫，使系統具有學習和適應能力，不斷提高監測、評估和控制能力。

4)可根據用戶需要繪制圖形，進行簡單的數據分析，生成監測報告。

5)實現遠程查詢和監控。充分利用最新網絡技術和數據庫技術，實現現場工程信息實時采集和遠程數據同步，現場情況的遠程視頻監視以及即時短信和郵件報警。

3 工程應用及控制效果

3.1 風險控制方法

本系統在長江西路南線始發階段工程上的應用時間是2011年7月底至8月底，主要應用的工序工藝有始發基座安裝、后靠支撐、負環管片拼裝、始發破除洞門、始發推進、始發封堵和三軸攪拌樁地基加固法等。圖3—5為盾構出洞過程中主要監測點的數據采集情況。

利用盾構始發的實時監測系統，綜合分析現場實時監測數據、現場施工工況以及工程表觀狀態等因素，對盾構始發施工進行每日風險監控，給施工提供了實時風險預警，如圖6所示。根據工程存在的潛在風險，通過專家系統分析，提出建議處理措施并生成相應的報告，如圖7所示。

圖6 風險預警Fig.6 Risk warning

圖7 建議措施Fig.7 Proposed countermeasures

3.2 控制效果

長江西路隧道盾構始發施工中，以現場監測數據為基礎，利用已開發的風險實時監控系統，對盾構始發施工的風險進行評估和監控，根據系統提供的工程風險狀態日報和針對性控制措施實時調整施工方案，使得盾構始發始終處于安全可控狀態。圖8為盾構始發過程中地表沉降的發展情況，沉降點位于+3環處，距離洞門約6 m。由圖8可見，在盾尾脫出前，受鑿除洞門后水土流失的影響，地表產生微量沉降，在推進至H26環后該處地表沉降基本達到穩定，地表沉降控制在10 mm以內。可見盾構始發對于周圍地層的影響很小。

圖8 地表沉降發展Fig.8 Development of ground surface settlement

4 結論與建議

本次長江西路超大直徑泥水平衡盾構始發施工過程中，通過原位監測、工況記錄及專家系統等綜合評估盾構始發過程中實時施工風險狀態，在已有的地層變形機制基礎上，以系統理論為指導，根據盾構施工參數和實施監測數據，通過實時動態風險監控軟件，保證了風險評估的實時性。

風險評估與管理是城市隧道工程項目管理今后發展的重點，以往在盾構始發與到達階段風險往往根據每天監測報表制定相應的施工控制措施，而報表數據卻不能提供實時信息，具有時滯性。本次系統在盾構始發施工階段根據靜態和動態的數據給予用戶施工風險的具體情況，并提出合理化的施工措施，從而協助施工人員及時進行風險的防范和處理，為隧道的施工風險評估與控制提供強有力的技術支持，為今后盾構施工安全提供了經驗，具有一定的推廣價值。

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