斜交上跨地鐵隧道基坑施工監測技術

于 崢

(中鐵建大橋工程局集團第三工程有限公司,遼寧 沈陽 110000)

隨著地鐵工程建設逐漸完善,地鐵對緩解城市交通壓力作出了重要貢獻[1],但地鐵沿線附近建筑基坑施工過程對地鐵隧道的影響仍是施工過程中的重要關注點[2-4]。基坑施工將對周圍土體的應力和位移產生影響,進而導致既有的地鐵隧道產生變形或位移,如果不能對地鐵隧道變形進行有效控制,將對地鐵運營安全與周邊環境造成損害[5-6]。

目前已有部分學者針對地表建筑基坑對地鐵隧道的影響進行了相關研究,何忠明等[7]對深基坑開挖及支護結構參數對地鐵隧道的影響進行了有限元分析,發現基坑施工對地鐵隧道水平位移與沉降影響顯著,最大位移位于隧道進基坑側中軸線中間位置,支撐剛度是影響地鐵隧道變形的主要參數;王祖賢等[8]基于力法的基本原理提出了鄰近車站的地鐵隧道縱向變形響應解析法,并且通過有限元分析驗證了該方法的可靠性,研究結果表明提出的解析模型對盾構隧道的縱向響應計算適用性較強;張航飛[9]通過有限元分析發現,基坑開挖對地鐵隧道的影響與基坑底部和地鐵隧道之間的距離相關,并且地鐵隧道在基坑施工過程中的水平位移與垂直位移變化基本一致。

基于此,依托杭州大會展中心赭美路下穿隧道基坑施工項目,結合實際項目中的測量數據,可探尋下穿隧道基坑施工對下部地鐵隧道的影響,提出基坑施工過程中的地鐵隧道監測技術,為后續類似工程施工提供參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

杭州大會展中心項目一期赭美路下穿隧道位于會展中心一期地塊以西,線路起于規劃塘新路,止于規劃南虹路。一期用地紅線范圍內隧道均為暗埋段,K0+387～K1+013暗埋段采用封閉矩形雙孔框架結構,長度626 m,隧道采用明挖順作法施工。赭美路隧道基坑紅線外南側、西側及北側北兩側隧道影響范圍內為現狀空地。赭美路下穿隧道于里程DK0+730～DK0+750以角度74°上跨已運營杭州地鐵1號線大會展中心站至港城大道站盾構區間,基坑底距盾構隧道凈距為5.1～5.2 m。項目位置為赭美路下穿隧道地鐵保護區內。

赭美路隧道地鐵保護范圍內基坑東側為在建杭州大會展中心項目一期工程地下室基坑,本項目基坑土方開挖前,東側地下室結構頂板已施工完成。基坑南側為赭美路隧道地鐵保護區范圍外基坑(距離隧道最近約82.6 m)。基坑西側為現狀空地,圍護樁距離用地紅線最近約3.58 m。基坑北側為赭美路隧道共建段(距離隧道最近約為87.5 m)。1號線盾構隧道上方設有3條雨污水管線,南北兩側的雨水管線埋深約0.8 m,直徑為400 mm;中間位置的污水管埋深約3.42 m,直徑為800 mm。項目基坑南北向長約122 m,東西方向約29 m;基坑開挖面積為5 054 m2,支護結構延長約468 m。基坑地面平整后絕對標高取5.200 m,計算開挖深度按底板墊層底部計為7.676～8.100 m。

1.2 盾構隧道概況

地鐵1號線盾構隧道已經施工完成,結構設計使用年限為100年;結構安全等級為一級。

區間隧道抗震設防烈度為6度,按7度采取抗震構造措施,抗震等級為3級;結構設計按6級人防驗算;計算直徑變形≤2%D(D為隧道外徑);管片結構允許裂縫開展,但裂縫寬度≤0.2 mm;結構抗浮安全系數:施工階段≥1.05,使用階段≥1.10;盾構區間隧道防水等級為二級;下穿河流的隧道結構,設計水位一般按1/100的洪水頻率標準進行設計,并按最高及最低水位進行驗算;地下結構應滿足防(火)災要求,結構的耐火等級為一級;防水設計按要求為:在0.6 MPa外水壓力下,環縫張開6 mm,縱縫張開6 mm時不滲漏。

自盾構隧道完工至2020年10月30日,大會展中心站至港城大道站區間,右線隧道道床最大沉降為-0.4 mm,最大隆起量為0.4 mm,最大變化速率為-0.01～0.01 mm/d;左線隧道最大沉降為-1.9 mm,最大變化速率為-0.03 mm/d。右線隧道最大累計收斂為-1.1 mm,左線隧道最大累計收斂為-1.1 mm。并且在上下隧道共發現9處滲水、水跡、裂縫、露筋等缺陷情況。

2 測點布置

監測位置為盾構隧道杭州大會展中心站至港城大道站上下行,K44+800(750環)～K44+912(655環),單線約112 m。監測方法分為自動化監測與人工復核監測,其中自動化監測包括道床沉降、道床軌道高差、道床水平位移、隧道水平收斂,人工復核監測包括道床沉降復核與隧道水平收斂復核。

2.1 基準點布置

對于深樁點,采用港城大道站的深樁基準點SK25,高程6.072 8 m;對于人工沉降基準點,根據《杭州地鐵1號線和5號線長期運營監測工作基點》,采用港城大道站和杭州大會展中心站內穩定的基準點。自動化監測采用后視基準點,項目采用5臺儀器串聯方式合并測量,小里程端后視采用6個大棱鏡,大里程端采用偏置棱鏡,輔測站另行布設4個大棱鏡備用。

實際布設需結合現場情況,可在滿足測量要求的前提下進行小范圍調整。布設時可在隧道結構上鉆取合適孔位,將棱鏡桿置于孔中,用植筋膠將孔、棱鏡桿和控制點圓棱鏡三者粘牢。在深樁點聯測或人工沉降復核時發現后視棱鏡所在位置豎向位移較大時,需根據聯測數據選取穩定的位置重新布設后視棱鏡。

2.2 人工監測測點布設

對于人工道床豎向位移監測點,布設間距為基坑正對隧道區域,為每6 m兩斷面,外擴區域每12 m一斷面;通過在道床中間部位鉆取合適孔位,孔內注入植筋膠后,將沉降釘敲入孔位內,并用噴漆做明顯的標記。后視棱鏡所在位置單獨布設人工沉降監測點,用以檢驗后視棱鏡所在區域的豎向變形情況。

對于隧道收斂監測點的布設,與人工道床豎向位移監測點相同,每個監測斷面布設1對收斂監測點,在隧道兩腰部采用油漆做好測量標識,在隧道管片兩腰中部一側設置“L”標志,另一側設置“·”標志;利用激光測距儀測量兩點間的距離,通過計算距離變化以求得管片收斂的數據。

若所在斷面已存在長期運營監測測點,則必須使用長期運營監測測點;若不存在長期運營監測測點,則單獨布設人工沉降測點,但需異于長期運營監測測點,人工監測點布設與自動化監測點布設應對應,以保證數據復核的可對比性與準確性。

2.3 自動化監測測點布設

自動化監測測點布設間距與人工測點相同,監測點采用L型小棱鏡,布設在盾構管壁兩腰及道床兩側,一個斷面共布設4個棱鏡;與全站儀在同側管壁的棱鏡布設時,棱鏡和儀器總體應呈V形或∧形分布,并根據現場管道、標志和配電箱等的位置錯開棱鏡,以防出現小視場角的情況;道床棱鏡布設盡量避開人員行走區域,避免人員觸碰導致測點失準;所有監測點布置應滿足限界要求。

3 監測方法

3.1 人工監測方法

人工沉降復核采用的測量儀器為天寶DINI03水準儀,水準路線采用上下行兩段單程附合:從大會展站下行線基準點JD05(JD03)起測,同時聯測JD06、JD07(JD02、JD01)。采用二等水準控制水準線路,測至監測范圍后,采用中間點測量后視棱鏡及監測斷面處人工沉降點。最后測至港城大道站基準點JD03(JD04),同時聯測JD01、JD02(JD05、JD06)。后續復核水準路線應與初始值測量時保持一致,減少路線差異對測量數據的影響。每半個月需對儀器i角進行檢驗校準,i角應滿足國家二等水準測量要求,即<15＂。觀測時應在水準路線上標定尺、站位置,以保持每期觀測的一致性。

每次測量完畢后,應立即導出測量原始數據,利用儀器自帶平差軟件對測量原始數據平差,得到平差后的精確高程,計算同一測點后、前兩次所測高程的差值即為該測點在這一段時間內高程變化量。設t1時的觀測值為S1,t2時的觀測值為S2,則沉降變量△S=S2-S1,沉降速率△V(t)=△S/△t,其中:△t=t2-t1。測點破壞重新布設后,為保證數據的銜接,需在所測得高程變化量上疊加原相應點位累計沉降量,同時要參考相鄰斷面監測點在破壞期間的沉降量加以修正。

收斂監測儀器采用徠卡D3a型激光測距儀,通過測距儀測量兩點間的距離,為了減小誤差,每次應測3次取平均值作為本次測量結果。計算后、前兩次所測距離的差值即為該對測點在這一段時間內的凈空收斂值。設t1時的觀測值為L1,t2時的觀測值為L2,則收斂值△L=L2-L1,收斂速率△V(t)=△L/△t,△t=t2-t1。

3.2 自動化監測方法

自動化監測系統由TM50全站儀、基準點、偏置點、監測點、GPRS通訊模塊、GeoMoS監測軟件及現場IT設備組成。自動化監測系統采用獨立坐標系,整個控制網的網型須科學,結構要合理。控制基準點一定要布設在不易產生結構變形的位置,所有基準點的布置應避開設備并滿足限界要求,布置時須避開隧道內電線電纜、接觸網等設施,并且工務推車等不易碰觸的地方。初始觀測時,首先假設一測站坐標,以平行于基坑邊線方向作為北方向進行方位定向。然后依次在五個測站上用全圓觀測法測量兩次,得到測站、基準點、偏置點之間的角度和距離,最后通過Cosa平差軟件結算得到各點的初始值坐標。項目監測區域全長約140 m,根據保護區內監測范圍、通視條件及測量精度分析,工程中在上下行各布設1臺全站儀進行監測,MJS加固期間增加輔測站進行加密監測。為了保證監測精度,全站儀布設時需充分考慮測站與控制點的位置關系。現場布設時可按實際情況小范圍調整位置。儀器架設位置需布設固定支架,支架通過膨脹螺絲固定在管壁上,將儀器安裝在支架上進行觀測。

自動化監測過程首先需要測量平差點組里面的基準點和偏置點,隨后從SQL數據庫中獲取平差點組數據并發送到“GeoMos監測自動平差助手”軟件中,使用“GeoMos監測自動平差助手”軟件復核導線平差,然后將平差后準確的坐標數據返還到SQL數據庫中,至此,GeoMoS已經獲得了監測區間中測站和偏置點的準確坐標。隨后進行測站定向,將兩邊全站儀選擇一側任一基準點進行定向,中間全站儀選擇任一相鄰的偏置點進行定向。定向完成后,即可開始監測點組的測量。自動監測系統從安裝調試運行開始,進行全天24 h連續監測,系統將后期監測數據與初始值進行對比,計算出每個測點的位移變量。系統經過一段時間的運行,通過GeoMoS全站儀變形監測軟件生成這段時間的監測點的位移表,當監測點出現超限情況,系統會自動進行短消息或者以電子郵件形式發送報警信息。

4 監測結果

圖1～圖4為通過監測技術測得的施工過程中盾構隧道典型斷面的道床沉降、水平位移、水平收斂和軌道高差情況。

SCJ3(730)—730環上行線沉降測點3;XCJ3(730)—730環下行線沉降測點3。

由圖1可以看出,基坑施工過程對盾構隧道典型斷面道床沉降影響顯著,分析施工全過程的道床沉降響應情況可以看出,道床沉降隨施工進程的不斷推進整體波動較為明顯。截至監測結束,680環下行線道床沉降最大,為5.0 mm,680環上行線道床沉降最小,為1.3 mm,由此可以看出,同一環的上下行線監測數據仍有可能相差較大,分析原因,對于盾構隧道而言,在承受頂部荷載的情況下,因側面土壓力的不同將會導致隧道頂部和底部位移情況有所不同,因此上行線與下行線道床沉降結果具有較大差異。同時由圖1還可以看出在施工時間為150 d左右時,道床沉降有較為明顯的突變,這是因為在該時間段有較重的施工設備進場,盾構隧道頂部荷載明顯增大所導致。

由圖2可以看出,基坑施工對680環上部水平位移影響最為顯著,截至監測結束,680環上行線水平位移為7.0 mm,結合圖1的分析結果可知,680環上行線沉降量較少,水平位移較為明顯,產生該現象的原因主要是下部土體應力的變化不如上部顯著,導致680環上行線在水平上有較大位移,而垂直方向則位移較小。

SWY3(730)—730環上行線水平位移測點3;XWY3(730)—730環下行線水平位移測點3。

由圖3可知,基坑施工對680環截面的水平收斂影響較為明顯,上行線水平收斂較大,為13.9 mm,下行線水平收斂較小,為8.8 mm,導致該現象的原因與圖2中的分析結果一致,主要原因為上部土體應力變化較為顯著。

SSL3(730)—730環上行線水平收斂測點3;XSL3(730)—730環下行線水平收斂測點3。

由圖4可知,基坑施工對地鐵隧道軌道高差影響相對較小,截至監測結束,監測的所有截面軌道高差不足1 mm。基于以上對監測結果的分析發現,施工過程對盾構隧道軌道高差影響較小,對沉降、水平位移和水平收斂影響相對顯著,并且距離施工地點較近的680環受施工的影響要明顯大于其他截面,應列為重點關注截面。

SGC3(730)—730環上行線軌道高差測點3;XGC3(730)—730環下行線軌道高差測點3。

5 結 論

地鐵的飛速發展對緩解城市交通壓力具有重要意義,地鐵周邊的建筑在基坑施工過程中需要考慮到對盾構隧道結構安全的影響,通過提出的整套監測技術可有效地實時監測因基坑施工對盾構隧道產生的變形情況。通過分析監測結果發現,距離施工現場較近的680環處的各項監測位移均為最大,道床沉降為5.0 mm,水平位移為7.0 mm,水平收斂為13.9 mm,可見基坑施工對盾構隧道道床沉降、水平位移和水平收斂的影響均較為顯著。對軌道高差影響則相對較小,總體不超過1 mm。通過監測技術實時監測隧道變形情況,調整施工進度與流程是極為必要的,可有效保障施工過程中的盾構隧道結構安全。