機場地下穿越工程工后沉降監測及分析

朱 斌

（上海虹橋國際機場公司，上海市 200335）

0 引言

地下隧道施工對周圍土體產生不可避免的施工擾動，如改變巖土體內部的應力、應變狀態，引起地層變位及地表沉降，隧道施工所引起的地面沉降曲線一般稱之為“沉降槽”。引起地表沉降的因素很多，歸+納起來主要有兩類：一是盾構施工引起的地層損失；二是后期固結和次固結沉降[1]。

盾構施工對地層的擾動僅存于施工過程中，而施工擾動引起的相關地層位移及地層力學性態的變化卻是延續的，存在顯著的時效性，這種效應一般在（飽和）軟土地層中顯得尤為突出[2-3]。由盾構通過以及盾尾空隙產生的沉降稱為施工沉降，常在1～2個月內完成。與此同時，由于盾構通過時對地基土產生的擾動以及各種殘余影響，在相當長的一段時間內，地表將繼續發生固結沉降和蠕變沉降，該部分沉降一般占總沉降的25%～40%[4-6]。土基的不均勻沉降會引起道面結構內部產生應力應變，在飛機荷載的共同作用下，容易引發道面結構性、功能性損壞，縮短道面使用壽命，嚴重時會威脅到飛行區的安全。

虹橋國際機場于2009年3～4月成功實現了上海軌道交通10號線地下穿越工程，成為國內首例不停航條件下采用盾構法下穿繁忙機場跑道的工程。在不停航施工期間未對機場跑道、滑行道、停機坪、航站樓、地下管線等設施造成不利影響。然而，考慮到工后沉降的進一步發展，在地下穿越工程施工結束后，仍然有必要對穿越工程沿線土體深層固結沉降及道面沉降變形進行跟蹤監測。本監測方案及監測數據可以為國內外其他機場類似工程提供有益的參考和借鑒。

1 監測方案

1.1 監測項目

隧道施工對深層土體產生擾動，通過道面表面沉降的形式表現出來。因此監測的項目應包括深層土體應力、土層變形以及地表沉降等內容，具體見表1。

表1 監測項目

1.2 監測斷面選擇

監測斷面的選擇既要考慮其對機場運營的影響，也要兼顧監測數據的全面性和代表性。具體布設原則如下：

（1）運營期監測斷面應盡量與施工期測點重合，以便于數據的連續積累。

（2）監測斷面選擇應統籌兼顧，重點針對穿越工程沿線布點，同時考慮道面整體變形情況，方便進行對比。穿越工程沿線道面表面橫向監測斷面，測點間距不大于10 m，斷面監測點數不少于3個，測點應用油漆標識，不得采用沉降釘；道面整體變形監測斷面選擇跑道、滑行道和機坪橫斷面，每個斷面布點數不少于5個。

（3）為避免監測工作對機場運營帶來影響，深層土體監測道面應選擇在土質地帶內，偏離穿越工程軸心線10 m以上，距道肩約10 m左右。測管高出地面不超過20 cm。深層土體監測的同一監測點，不同監測項目距離不超過2 m。

為了監測地下穿越工程變形，沿地鐵10號線布設了5個深層土體性狀監測點，在穿越工程沿線道面表面布設沉降監測斷面9個（兼顧軌道交通2號線下穿沿線，選取了3個斷面），每個斷面設3個監測點，具體位置見圖1。

圖1 監測點平面布置圖

1.3 測點布設方案

每個土體深層監測點分別埋設了分層沉降管、地下水位測管及孔隙水壓力計，分層沉降管用5根2 m的管子拼接而成，由上至下共10個磁環，每米布設一個磁環；考慮到上海市地下水位較高，地下水位測管埋設了2 m；孔隙水壓力計的埋設深度分別為3.5 m、6.5 m、9.5 m。測試元件埋設見圖2。

圖2 地下水位監測數據隨時間的變化圖

2 監測結果分析

2.1 穿越工程沿線深層土體監測結果分析

為了研究下穿區域地基的固結沉降情況，分別對各監測點的地下水位、孔隙水壓力及分層沉降值進行了監測，頻率基本為每月一次，監測結果及分析如下所述。

2.1.1 地下水位監測結果及分析

地下水位監測數據隨時間的變化見圖3。

圖3 地下水位監測數據隨時間的變化圖

由圖3可知，地下水位受降雨的影響顯著，6、8月份降雨較多，地下水位升高，進入11月份后，地下水位基本保持穩定。

2.1.2 孔隙水壓力監測結果及分析

分別對3.5 m、6.5 m、9.5 m埋深處的土壤孔隙水壓力進行了監測，結果見圖4～圖6。分析可知，各監測點埋深3.5 m、6.5 m及9.5 m處的空隙水壓力隨時間的變化基本一致，變化的范圍分別在5～25 kPa、30～55 kPa和60～75 kPa之間，且與地下水位存在良好的相關關系。

圖4 埋深3.5 m處孔隙水壓力隨時間變化

圖5 埋深6.5 m處孔隙水壓力隨時間變化

圖6 埋深9.5 m處孔隙水壓力隨時間變化

2.1.3 分層沉降監測結果及分析

分析監測數據可知，由于埋設初期磁環周圍的土體還未達到穩定狀態，加之6月份連雨，所以不宜用埋管子半個月后的初測值作為初始值。這里選用7月初的測值作為初始值，測定時間基本為每月一次，1、3、5號監測點土體分層沉降情況見圖7～圖9。

圖7 1號測點沉降監測結果

圖8 3號測點沉降監測結果

圖9 5號測點沉降監測結果

從圖7～圖9中可以看出，淺表層沉降量約為3 cm以內。由于監測點總體沉降量較小，各土層壓縮量不顯著，以分層沉降儀的精度難以精確測量。

2.2 穿越工程沿線道面沉降分析

地鐵穿越工程沿線道面選取了C1～C9共計9個斷面，每個斷面布設3個測點。由監測結果可知，穿越工程沿線道面最大沉降發生在C6～C8斷面，最大沉降量為32.07 mm，其中平均沉降速率最大的點為C6-3，平均沉降速率為0.045 6 mm/d。對于C6～C8斷面，從三次監測的沉降量變化情況來看，第一階段沉降量約占了總沉降量的一半，見圖10。以C6斷面為例，其三個階段的沉降速率繪于圖11。由圖11可知，C6斷面的沉降速率逐漸減小，且與穿越工程沿線外道面相比，沉降速率總體相近，說明穿越工程沿線道面沉降整體趨于穩定，穿越工程施工控制效果良好。

圖10 各斷面累計沉降量

圖11 C6斷面沉降速率分布情況

3 結論

綜合穿越工程沿線土基固結沉降和道面沉降監測結果可知，土基及道面沉降逐漸趨于穩定，累計沉降量只有C6-3一點大于3 cm，且其沉降速率逐漸減小，說明穿越工程施工質量較高，工后沉降控制在合理的范圍，對道面使用性能、結構性能的影響很小，不會危及到飛行區運行的安全。

[1] 曾小清.地鐵工程雙線隧道平行推進的相互作用及施工力學的研究[D].上海：同濟大學博士學位論文，1995.

[2] 方勇.土壓平衡式盾構掘進過程對地層的影響與控制[D].四川成都：西南交通大學博士學位論文，2007.

[3] Miliziano，S .，Soccodato，F .M.，Burghignoli，A ..Evaluation of damage in masonry buildings due to tunnelling in clayey soils[A].Geotechnical aspects of underground construction in soft ground[C].3rd international symposium（IS-Toulouse France 2002)3rd session，2002，49-54.

[4] 王洪新，傅德明.土壓平衡盾構平衡控制理論及試驗研究[J].土木工程學報，2007，40（5）：61-68

[5] 楊洪杰，傅德明，等.盾構周圍土壓力的試驗研究與數值模擬[J].巖石力學與工程學報.2006，25（8）：1652-1657.

[6] 趙強政.Φ520 mm土壓平衡式模型盾構機研制及試驗性掘進控制模擬[D].四川成都：西南交通大學碩士學位論文，2006.