大直徑盾構(gòu)隧道近接橋梁監(jiān)測方案及全自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)分析

潘延超、武殿朝、鄭裕

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

0 引言

在城市建設(shè)中，盾構(gòu)施工方法憑借機(jī)械化程度高、施工效率高、對環(huán)境影響較小等優(yōu)點(diǎn)在市政工程中得到了廣泛應(yīng)用。但是在盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)過程中，由于受到施工工藝和地質(zhì)條件等因素的限制，會對周圍土體產(chǎn)生一定的影響，尤其是既有工程，會造成建筑物樁基沉降等問題，甚至?xí)绊懠扔泄こ痰恼＿\(yùn)營。因此，對盾構(gòu)隧道下穿橋梁工程監(jiān)測方案和自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行研究，對進(jìn)一步降低盾構(gòu)隧道工程對既有工程的影響有重要意義。

1 工程概況

某大直徑盾構(gòu)隧道位于A 市中部位置，為超大斷面盾構(gòu)隧道，與已建跨河大橋相距5.1km。該盾構(gòu)隧道總長為2.52km，在施工過程中采用2 臺水平盾構(gòu)設(shè)備持續(xù)施工，盾構(gòu)管片的內(nèi)直徑為13.9m，外直徑為15.2m，環(huán)寬為2.0m。

該隧道工程穿越A 市高速公路節(jié)點(diǎn)，穿越位置為31m+45m+31m 三跨預(yù)應(yīng)力剛構(gòu)橋（盾構(gòu)隧道與高架位置如圖1 所示）。隧道采用鉆孔灌注樁施工技術(shù)，主跨采用長度為30m 的灌注樁，邊跨采用長度為38m的灌注樁，灌注樁樁徑為1.5m。

圖1 隧道與樁基位置圖（單位：m）

該隧道工程河堤角位置與高架橋90、91墩之間的距離小于30m，東、西線盾構(gòu)隧道與高架橋91、92墩之間的距離為3.91m，屬于近距離穿越工程。工程埋深為25m，地層以粉質(zhì)黏土層為主，部分位置有粉細(xì)砂層。

2 有限元模型構(gòu)建

2.1 模型建立

為保證隧道施工過程中臨近橋梁樁基的穩(wěn)定性和安全性，施工過程中擬采用以下措施：

第一，采用Φ42 鋼管對橋梁90、91和92橋墩進(jìn)行加固處理，加固深度為原橋樁下方3～10m 位置；第二，在東、西線隧道施工前，在橋梁樁基邊緣外10m位置設(shè)置Φ1.0m×1.2m 隔離樁；第三，采用高壓噴射樁對東線隧道地層進(jìn)行加固，加固厚度為3m。

利用有限元軟件對該盾構(gòu)隧道施工進(jìn)行仿真模擬，模型寬度為188m，長度為200m，東、西線隧道間距為38.2m，拱頂與地表之間的距離為25m。模型如圖2 所示。

圖2 盾構(gòu)隧道工程模型

2.2 模型參數(shù)確定

在計(jì)算過程中，將橋梁樁基、墩臺等結(jié)構(gòu)物和盾構(gòu)管片等作為線性彈性體，并利用彈性本構(gòu)模型對其進(jìn)行分析；對橋梁加固位置和巖土均采用摩爾-庫倫模型進(jìn)行分析；其余結(jié)構(gòu)單元采用單元模型進(jìn)行分析。該工程所涉及的橋梁樁基為摩擦樁，為深入分析樁基與土層之間的相對作用，需要在土層與樁基相接位置構(gòu)建接觸面單元。接觸面的法向剛度和切向剛度為橋梁周圍硬巖土剛度的10 倍；摩擦角和黏聚力為周圍巖土的0.5～0.8 倍。

通過改變橋梁加固區(qū)域巖土物理學(xué)參數(shù)的方式對其進(jìn)行模擬。盾構(gòu)管片混凝土強(qiáng)度為C60，彈性模量為36.5GPa，由于盾構(gòu)管片接頭形狀會對隧道整體剛度產(chǎn)生一定程度的影響，所以設(shè)置其剛度折減系數(shù)為85%，模型參數(shù)如表1 和表2 所示。

表1 樁—土模型參數(shù)

材料名稱接觸面切向剛度/（N/m）37.6×107黏聚力/kPa 32法向剛度/（N/m）37.6×107內(nèi)摩擦角/°20

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)

材料名稱填土粉質(zhì)黏土粉質(zhì)黏土（加固）風(fēng)化輝長巖高架樁基隔離樁管片注漿層盾殼重度/（kN/m3）18.5 19.6 21.1 22.1 25.1 22.1 25.1 22.1 78.4泊松比0.31 0.31 0.34 0.26 0.21 0.21 0.21 0.21 0.29彈性模量/MPa 8.5 25.1 35.1 30.1 30000 23500 31025 400 206000黏聚力/kPa 19.1 35.2 40.0 0— —內(nèi)摩擦角/°18.2 19.4 25.2 38.1——

2.3 隧道掘進(jìn)模擬

隧道掘進(jìn)模擬步驟如下：第一，生成隧道地應(yīng)力場；第二，將掘進(jìn)速度和位移清零，激活橋梁樁基、墩臺等結(jié)構(gòu)物以及注漿加固區(qū)域和隔離樁；第三，清除部分盾體單元，并激活盾殼，向開挖面持續(xù)施加壓力；第四，向盾構(gòu)設(shè)備尾部施加注漿壓力；第五，激活注漿層、管片襯砌，并向管片與千斤頂一側(cè)位置施加反力；第六，將上一步賦力凍結(jié)，并重復(fù)第三至第五步，待隧道完全貫通后，停止模擬。在模擬過程中，為減弱邊界效應(yīng)對隧道施工的影響，在模型計(jì)算過程中，需要將盾體置于底層，即先利用盾構(gòu)機(jī)持續(xù)掘進(jìn)20m，每次掘進(jìn)距離為4m，剩余的最后20m 距離，通過1 次掘進(jìn)作業(yè)完成。掘進(jìn)施工如圖3 所示。

圖3 掘進(jìn)作業(yè)圖

該隧道工程盾構(gòu)設(shè)備開挖直徑為15.76m，尾部直徑為15.65m，兩者之間直徑相差11cm。在施工過程中，擬采用克泥效工法對盾體存在的孔隙進(jìn)行填充處理，以此降低施工沉降現(xiàn)象的發(fā)生率。模型計(jì)算時(shí)，通過改變隧道盾殼周圍巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，模擬該過程，設(shè)置該施工作業(yè)中圍巖的彈性模量為20MPa，黏聚力為10kPa，泊松比為0.25。考慮到隧道掘進(jìn)過程中不同注漿層之間漿液硬化速度不同，需要根據(jù)掘進(jìn)位置為不同注漿層漿液硬化速度設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，以此來保證隧道水泥硬化曲線符合實(shí)際情況。隧道施工每天的掘進(jìn)距離為6～8 環(huán)，因此假定盾尾距離大于16m 時(shí)，注漿層預(yù)設(shè)模量可以滿足施工設(shè)計(jì)要求。在施工模擬時(shí)，所施加的千斤頂推力、頂進(jìn)壓力均匹配實(shí)際施工掘進(jìn)參數(shù)（在大堤段所施加的壓力和推力均高于后半段）。

3 大直徑盾構(gòu)隧道近接橋梁全自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)

3.1 自動(dòng)化實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測

該隧道工程在施工過程中，主要利用自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)對剛構(gòu)橋橋墩沉降變化進(jìn)行監(jiān)測。自動(dòng)化沉降監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理軟件等組成。在90、91、92橋墩左側(cè)和右側(cè)位置分別安裝1 臺靜力水準(zhǔn)儀，并在隧道下穿施工影響范圍外的位置安裝基準(zhǔn)點(diǎn)靜力水準(zhǔn)儀。

靜力水準(zhǔn)儀之間可以實(shí)現(xiàn)相互連通，如此，所有水準(zhǔn)儀傳感器液面將處于同一高度，當(dāng)橋梁或隧道結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)位移時(shí)，安裝于相應(yīng)位置的靜力水準(zhǔn)儀傳感器液面將會出現(xiàn)變化。因此，在隧道掘進(jìn)施工過程中，施工人員觀察靜力水準(zhǔn)儀傳感器液面的變化情況，即可了解結(jié)構(gòu)物的位移變化量。在橋梁結(jié)構(gòu)物變形監(jiān)測過程中，為減少溫度或濕度對靜力水準(zhǔn)儀傳感器液面的影響，需要采用外包隔熱層或涂抹防凍液等方法，對靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行保護(hù)。該隧道工程靜力水準(zhǔn)儀參數(shù)如表3 所示。

表3 靜力水準(zhǔn)儀參數(shù)

參數(shù)100mm±0.1%FS（±0.1mm）0.025%FS-20～+80℃（使用防凍液）指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)量程傳感器精度傳感器靈敏度溫度范圍

自動(dòng)化沉降監(jiān)測技術(shù)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，同時(shí)具備數(shù)據(jù)自主采集、在線處理、自動(dòng)回傳、自動(dòng)分析和預(yù)警等功能。此外，在自動(dòng)化沉降監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用高精度傳感器，可以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的連續(xù)性和精準(zhǔn)性，也可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化監(jiān)控。

3.2 人工沉降監(jiān)測

在隧道施工過程中，除了需要利用靜力水準(zhǔn)儀對橋梁結(jié)構(gòu)的沉降變化情況進(jìn)行監(jiān)測，還需要施工人員對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核。該工程的人工沉降監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在橋梁橋墩前、后、左、右四個(gè)方位，橋墩左右兩側(cè)的監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)在靜力水準(zhǔn)儀下方，監(jiān)測點(diǎn)距離地面30cm，共設(shè)置20 個(gè)。除了要在橋墩的四個(gè)方位布置人工沉降監(jiān)測點(diǎn)，還要在施工影響范圍外的穩(wěn)定位置設(shè)置沉降監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)，以此來保證橋梁結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。該隧道工程的人工監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)采用二等水準(zhǔn)測量要求，并利用在檢定有效期限內(nèi)的電子水準(zhǔn)儀和銦瓦條碼尺，采集橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。開展人工監(jiān)測作業(yè)時(shí)，監(jiān)測人員需要嚴(yán)格遵照監(jiān)測作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范開展工作，監(jiān)測頻率為每天1 次；當(dāng)隧道掘進(jìn)至橋梁100m 范圍內(nèi)時(shí)，需要提高人工監(jiān)測頻率，施工人員需要在每天早上和下午各監(jiān)測一次數(shù)據(jù)，并在監(jiān)測作業(yè)結(jié)束后，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。

3.3 預(yù)警值設(shè)置

根據(jù)市政與公路工程下穿橋梁施工技術(shù)規(guī)程要求，在不限制隧道掘進(jìn)施工速度的情況下，下穿工程對運(yùn)營橋梁墩頂位移的影響不得超過2mm。該隧道工程預(yù)警機(jī)制為三級，根據(jù)實(shí)際施工情況，設(shè)置預(yù)警值參數(shù)，如表4 所示。

表4 預(yù)警值參數(shù)

等級一級預(yù)警二級預(yù)警三級預(yù)警沉降預(yù)警值/mm 1.4 1.7 2

3.4 監(jiān)測結(jié)果

該工程橋梁結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測作業(yè)以自動(dòng)化監(jiān)測手段為主，并定期通過人工監(jiān)測方式對沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行核驗(yàn)。該數(shù)據(jù)監(jiān)測方式不僅能夠嚴(yán)格把控?cái)?shù)據(jù)變化規(guī)律和準(zhǔn)確性，也能為隧道施工提供技術(shù)指導(dǎo)。在數(shù)據(jù)監(jiān)測過程中，為避免環(huán)境因素或偶然誤差對監(jiān)測數(shù)據(jù)造成影響，每日實(shí)時(shí)存儲靜力水準(zhǔn)儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以便監(jiān)測人員調(diào)取和檢查。在隧道施工初期階段，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)儀傳感器數(shù)據(jù)變化幅度較小，說明盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)并未對橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。從數(shù)據(jù)收集情況來看，人工監(jiān)測和自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)均較為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)波動(dòng)變化在1mm 內(nèi)；當(dāng)隧道掘進(jìn)工作至橋梁100m 范圍內(nèi)后，由于隧道埋深較淺，且盾構(gòu)施工產(chǎn)生的震動(dòng)距橋梁較近，因此靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化幅度較大，但橋梁橋墩的沉降變化數(shù)據(jù)并未超過2mm，滿足橋梁最大沉降要求；當(dāng)隧道掘進(jìn)工作穿過橋梁后，監(jiān)測數(shù)據(jù)逐漸趨于穩(wěn)定。從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看：采用隔離樁和高壓噴射樁對橋梁和隧道加固處理，可以有效控制隧道下穿作業(yè)對橋梁橋墩的沉降影響；采用隧道管片注漿措施，能夠保證隧道下穿后橋梁沉降的快速穩(wěn)定；自動(dòng)化監(jiān)測與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的差距較小，表明自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)具有較高的有效性和可行性，能夠準(zhǔn)確分析出橋梁的沉降變形規(guī)律。

4 結(jié)語

對大直徑盾構(gòu)隧道近接橋梁監(jiān)測方案進(jìn)行研究，并利用有限元分析軟件對盾構(gòu)隧道穿越橋梁的影響進(jìn)行分析和模擬，通過設(shè)置高壓噴射樁和隔離樁對橋梁進(jìn)行加固處理，同時(shí)建立橋梁橋墩沉降自動(dòng)化檢測系統(tǒng)。監(jiān)測結(jié)果表明，在盾構(gòu)隧道下穿施工過程中，對橋梁進(jìn)行加固處理，能夠有效控制隧道施工對橋梁橋墩的沉降影響，也有利于隧道施工結(jié)束后橋梁橋墩變形沉降的快速穩(wěn)定。