地下工程對地裂縫的沉降控制分析

【文章摘要】

本文通過西安二號線穿越長安立交橋區間段，長安立交橋所處位置以及隧道開挖可能對長安立交橋的影響的分析，結合橋樁沉降的及隧道內拱頂沉降以及隧道凈空收斂的監測與其數據分析，保證了長安立交橋在隧道施工過程中的安全運營，同時確保了隧道的安全生產，說明了監測在地鐵施工中的重要性，并為城市地鐵設計施工提供參考。

【關鍵詞】

地鐵施工；監測；橋樁沉降；拱頂沉降；凈空收斂

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0 引言

西安地鐵2號線多處穿越地裂縫，其中以15標段體育場～小寨區間同時下穿長安立交橋及穿越F6、F6'地裂縫，長安立交橋位于南二環與長安路交叉，交通繁忙，自1994年建成以來由于地裂縫活動造成的位錯已達40cm。立交橋蓋梁及梁體均產生了明顯的錯動變形（22cm）。受地裂縫及地面沉降影響較大，已經基本接近危橋，承受不均勻沉降變形能力很弱。繼而要在隧道施工期間對長安立交橋及橋下隧道實施嚴格監控，使其施工期間地面沉降得以有效控制，交通照常運營，同時保證隧道內的安全施工。

1 工程概況

長安立交橋建于1994年，距今已有13年歷史，長安立交橋橋面總寬51.5m（包括護欄）。橋梁跨徑：上交四跨簡支先張預應力空心板橋，總跨徑為47.4m，基礎為擴大基礎，下采用1.5m厚片石混凝土處理。由于f6、f6'地裂縫的活動及人為過量開采地下水的影響，長安立交橋已經發生了不均勻沉降且變形明顯，最大處梁體錯臺已達到22cm，基本接近危橋狀態。

工程所處位置為南二環與長安路立交范圍內，地面交通繁忙，通過調查分析基本不具備地面降水條件，如采取洞內水平降水則因成孔及降水作業引起的圍巖擾動就很大，真空降水則不適合本工程地質條件。另外，橋梁附近施工降水時間過長將對橋梁產生沉降影響。

對于橋梁基礎可能因隧道施工引起的變形，要采取地表跟蹤注漿加固基礎解決，并根據監測變化進行動態調控注漿。洞內主要解決掌子面前方軟弱土體穩定問題，可通過大管棚+超前小導管進行超前支護，掌子面全斷面深孔預注漿改良土體，加大施工監測頻率，采取多種監測方式。施工過程中準備好千斤頂及腳手架，并于市政交管部門聯系，一旦出現影響橋梁運營安全的沉降變形則立即斷道進行搶險加固。

2 監測目的及方案

2.1 監測目的

（1）根據監測數據，分析施工引起的地表隆陷，以及地層應力重分布、地層變位對長安立交橋的影響；以采取相應的加固、防范措施，確保長安立交橋的安全及正常使用。

（2）修改工程設計

將現場測量的數據、信息及時反饋，以修改和完善設計，使設計達到優質安全、經濟合理。

（3）了解暗挖隧道支護結構和周圍地層的變形情況，為施工日常管理提供信息，保證施工安全。

隧道支護結構和周圍土體的變形及應力狀態和其穩定情況密切相關，隧道支護結構和周圍土體各種破壞形式產生之前通常有大的位移、變形、受力異常等，監測數據和成果是現場施工管理和技術人員判斷工程是否安全的重要依據。因此，在施工過程中，通常依據觀測結果來驗證施工方案的正確性，調整施工參數，必要時采取輔助工程措施，以此達到信息化施工目的。

（4）驗證支護結構設計，為支護結構設計和施工方案的修訂提供反饋信息。

我國當前地下工程支護結構設計基本處于半經驗半理論狀態，土壓力多采用經典的理論公式，與現場情況有一定差異；地下結構周圍土層軟弱，復雜多變，結構設計的荷載常不確定，而且，荷載與支護結構變形、施工工藝有直接關系，因此，在施工中迫切需要知道現場實際的應力和變形情況，與設計值進行比較，必要時對設計方案和施工過程進行修改。施工監測是支護結構設計的重要組成部分。

（5）積累資料，以提高地下工程的設計和施工水平。

支護結構的土壓力分布受支護方式、支護結構剛度、施工過程和被支護土類的影響，并直接與支護結構及土體的位移有關，常很復雜，現行設計分析理論尚未達到成熟的階段，積累完整準確的地下工程開挖與支護監測結果，對于總結工程經驗，完善設計分析理論是很有價值的。

2.2 監測方案

2.2.1 橋樁下沉監測

監測目的

地下工程開挖過程中，地層中的應力擾動區延伸至地表，圍巖力學形態的變化在很大程度上反映于地表沉降，如附近有建筑物，則地表沉降有可能引起房屋的不均勻下沉，對房屋造成破壞。且地表沉降可以反映隧道開挖過程中圍巖變形的全過程。因此必須對地表沉降情況及受影響房屋、管線情況進行嚴格的監測和控制。橋樁監測點分布示意圖見圖1。

圖1 橋樁監測點分布示意圖

監測儀器

萊卡NA2精密水準儀，銦鋼尺。

監測實施方法

（1）測點埋設

橋樁上埋設監測點，先在墻（樁）上鉆孔，然后將螺栓或螺紋鋼預埋件放入，孔與測點四周空隙用水泥砂漿填實，如圖2所示。

圖2 橋樁監測點示意圖

橋樁沉降控制值及檢測頻率

長安立交橋橋樁沉降控制值為：橫橋向同一蓋梁兩個承臺不均勻沉降位移差控制值小于5mm（滿足于橋面不返修）。橋梁承臺基礎的允許沉降數值為20mm。

各監測項目通常的觀測頻率為：在長安立交各項施工期間，每天觀測1～2次；半個月后到一個月內，每2天觀測一次；一到三個月每周測讀1-2次；三個月后，每月測讀1-3次；遇有突發性事件則加強量測，一般每1-2小時監測一次。（拱頂下沉與凈空收斂監測頻率與此相同。）

2.2.2拱頂下沉

監測目的

拱頂下沉量測值是反映隧道安全和穩定的重要數據，是圍巖和支護系統力學形態變化的最直接、最明顯的的反映，易于實現量測信息的反饋。

圖3 拱頂沉降及凈空收斂監測斷面圖

圖4 隧道內監測點布置圖（1-1斷面）

監測儀器

蘇光DSZ-2型精密水準儀及鋼掛尺。

監測實施方法

（1）測點埋設

根據設計圖紙要求，拱頂測點埋設時，應在掌子面開挖出碴完畢后，拱架架立時，將預埋件焊接至拱頂，待該環砼噴射完畢牢固后，將預埋件上砼清除干凈后，即可進行量測。

拱頂測點布設原則為10米布設一測點，與地表沉降布設在同一斷面上，特殊情況測點可適當加密。

（2）量測方法

拱頂下沉量測主要采用精密水準儀，量測各測點與基準點之間的相對高程差，本次所測高差與上次所測高差相比較，差值即為本次沉降值，本次所測高差與初始高差相較，差值即為累計沉降值。

（3）數據分析與處理

監測數據的填寫、處理與地表沉降相同。如果拱頂下沉超限，可采取以下方法控制拱頂的下沉：改良拱頂巖體或土體的穩定性；改善開挖方法以減小開挖對拱頂圍巖的擾動；加強支護等等，或采取以上幾種方法進行綜合處理。

（4）圍巖位移控制基準

洞內允許位移控制基準見下表

表2洞周允許相對位移值

圍巖類別隧道埋深（m）

H<50m

Ⅲ0.15%～0.5%

Ⅱ0.2%～0.8%

注：1、水平相對收斂值系指實測收斂與兩測點間距離之比，本工程水平收斂值取0.5%B（B為隧道跨度）；

2、硬質圍巖的隧道取表中較小值，軟質圍巖的隧道取表中較大值；

3、本表所列數值可在施工過程中通過實測和資料積累作適當修正；

4、拱頂下沉允許值一般按本表數值的0.5～1.0倍采用。本工程拱頂下沉最大允許值采用50mm。

2.2.3 結構凈空收斂

監測目的

隧道開挖后，周邊點的位移是圍巖和支護力學形態變化的最直接、最明顯的反映，凈空的變化（收縮和擴張）是圍巖變形最明顯的體現。

監測儀器

鋼尺收斂儀

監測實施方法

（1）測點埋設

根據設計圖紙要求，收斂測線埋設時，應在掌子面開挖出碴完畢后，拱架架立時，將預埋件焊接至拱腰，應盡量使兩預埋件位于同一軸線上。待該環砼噴射完畢牢固后，將預埋件上砼清除干凈后，即可進行量測。測線布設原則同拱頂測點，且同拱頂測點布設在同一斷面。

（2）收斂量測方法

1）初次量測在鋼尺上選擇一個適當孔位，將鋼尺套在尺架的固定螺桿上。孔位的選擇應能使得鋼尺張緊時支架與百分表（或數顯表）頂端接觸且讀數在0～25mm的范圍內。擰緊鋼尺壓緊螺帽，并記下鋼尺孔位讀數。

2）再次量測，按前次鋼尺孔位，將鋼尺固定在支架的螺桿上，按上述相同程序操作，測得觀測值Rn。按下式計算凈空變化值：

Un=Rn-Rn-1

式中：

Un-第n次量測的凈空變形值

Rn-第n次量測時的觀測值

Rn-1-第n-1次量測時的觀測值

（3）數據的分析與處理：

首先作出時間-位移及距離-位移散點圖，對各量測斷面內的測線進行回歸分析，并用收斂量測結果判斷隧道的穩定性。如果收斂值過大，應改善周圍巖體或土體的穩定性，改變開挖方法，盡量減小開挖對周圍巖（土）體的擾動；加強支護等等，以確保收斂值在規范允許的范圍內。

3 監測數據分析及信息反饋

取得各種監測資料后，需及時進行處理，排除儀器、讀數等操作過程中的失誤，剔除和識別各種粗大、偶然和系統誤差，避免漏測和錯測，保證監測數據的可靠性和完整性，采用計算機進行監控量測資料的整理和初步定性分析工作。

3.1 長安立交橋樁沉降數據分析

因長安立交橋于南二環相交，上為南北向長安路，下為東西向南二環，根據受力情況取JQ2監測點進行分析。

JQ2各點變形規律分析：

JQ2-4：前期變化不穩定，但保持在4～5mm之間，7月20日以后變形穩定在5mm左右。

JQ2-7：前期變化同JQ2-4監測點基本吻合，兩個點處于同一橋樁承臺上，兩點沉降差未超過5mm，變形處于安全范圍內。

JQ2-8：變形曲線于7月25日后漸趨穩定，最大變形穩定在7mm左右。

JQ2-11：變形曲線于JQ2-8曲線基本并行，與JQ2-8監測點沉降差基本保持在3～5mm，變形穩定在安全范圍內。

4 結論

本工程中監測在隧道施工過程中，對長安立交橋的安全及隧道施工預警起到了積極的作用。對長安立交橋基沉降進行了監測分析，及時的提出預警，使施工方對長安立交橋作出了特殊處理，從而保證了隧道的安全施工和長安立交橋的使用安全。

地鐵隧道開挖施工過程中對地面既有建筑的監測和隧道內監測對隧道安全施工起到不可替代的作用。本文監測方案成功解決了地鐵隧道開挖對地面既有橋梁的安全問題，可廣泛應用于城市地下空間施工的安全監測，有廣闊的發展前景。

【參考文獻】

[1]坪井直道.化學注漿法的實際應用 [M].北京：煤炭工業出版社，1980

[2]王云龍.二重管垂直注漿在基坑周邊止水帷幕中的應用 [J].《科技信息（學術研究）》2008.（14）

【作者簡介】

趙永清，男，本科，助教，現在寧夏建設職業技術學院任教。