某地鐵不同上下疊落工況的盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險及監(jiān)測分析

郗宜君

(中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054)

隨著城市的快速發(fā)展，地下交通網(wǎng)絡(luò)的需求也變得愈發(fā)急迫，但由于地面建筑物的密集性、地下管線網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性及已建地下工程的空間占用等，這些都成為了地鐵施工的不利因素。為了解決地下空間日益緊張的情況，上下疊落盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)形式逐漸出現(xiàn)，并成為地鐵建設(shè)的發(fā)展趨勢。雖然疊落盾構(gòu)隧道形式可以解決地下空間擁擠的問題，但近距離疊落隧道施工對既有建(構(gòu))筑物及上部地表等帶來很大影響[1]。目前國內(nèi)外眾多學(xué)者針對該問題進(jìn)行了大量的研究，王清標(biāo)等[2]研究了不同開挖方式對交疊隧道影響，結(jié)果表明不同開挖方式對交疊隧道施工過程中不同位置的影響程度不同，揭示了既有隧道襯砌變形機(jī)制演變過程和襯砌破壞的危險點(diǎn)。陳先國等[3]采用ANSYS程序分析了重疊隧道中后建隧道開挖對先建隧道的整體結(jié)構(gòu)影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)位于先建隧道下方的后建隧道開挖使上部隧道結(jié)構(gòu)整體下沉，并且地表及夾層土體的穩(wěn)定性不易控制。鄭余朝等[4]研究了疊落隧道中開挖順序?qū)λ淼酪r砌的影響，從先施工隧道的內(nèi)力演變來看，“先施工下洞，后施工上洞”的安全性優(yōu)于“先施工上洞，后施工下洞”的施工順序。Liu等[5]研究了重疊隧道中開挖順序及周邊注漿加固等條件對地表控制的影響。確定了先下后上的開挖順序及注漿加固能夠很好的控制地表沉降。王猛等[6]基于重慶軌道交通四號線一期工程與九號線工程形成的四孔小間距重疊暗挖隧道，設(shè)定了4種不同的施工順序，通過有限元數(shù)值模擬，研究了施工順序?qū)Φ乇沓两怠⑺淼澜Y(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的影響。結(jié)果表明，地面沉降與隧道的凈距有關(guān)。距離越小，沉降越大。宋成輝[7]分析了疊落隧道管片的受力狀態(tài)，利用傳統(tǒng)的解析法計(jì)算隧道坍塌拱的高度比較危險，疊落隧道的坍塌拱交疊，土體容易出現(xiàn)塑性區(qū)。在安全控制措施方面，張建坤等[8]依托疊落隧道施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了疊落盾構(gòu)隧道施工對上覆地表變形的影響，發(fā)現(xiàn)上線開挖后地表產(chǎn)生了更大沉降。上述大量的研究表明，疊落盾構(gòu)隧道施工對其周圍環(huán)境的影響是不可避免的，因此，上下疊落盾構(gòu)隧道施工中的變形控制及其監(jiān)測分析至關(guān)重要。

1 工程概況

某地鐵某區(qū)間隧道全線敷設(shè)于地下，采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間起訖點(diǎn)里程范圍左、右線均為DK35+679.792～DK36+494.320，左線長度為824.069m，右線長度為814.528m。區(qū)間疊落部分起訖點(diǎn)里程DK35+679.792～DK36+200，疊落段上下行區(qū)間最小凈距為2.1m。區(qū)間沿線圓曲線半徑1 500m、1 000m、300m，而后再轉(zhuǎn)直線段進(jìn)入河山街站。區(qū)間縱向基本“V”形坡，出河松街站至河山街站坡度-2‰、-15.982‰、+16.825‰、-2‰(“-”為下坡，“+”為上坡)，隧道結(jié)構(gòu)覆土為19.7～30.2m。區(qū)間所處地貌單元為松花江漫灘，地面標(biāo)高在120.11～130.26m，場地地形稍有起伏。區(qū)間隧道位于道里區(qū)前進(jìn)路、康安路地下，交通流量巨大。場地地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要為典型松花江漫灘相地貌單元特征，地基土分布不均勻，性質(zhì)變化較大，上部第四紀(jì)地層具有明顯沉積輪回特征，即從上到下顆粒由細(xì)到粗分布。表層由雜填土組成，上部地基土主要由粉、細(xì)砂組成，中間主要由中粗砂夾厚薄不均的黏性土組成，下部基巖為白堊紀(jì)泥巖。

2 工程施工風(fēng)險分析

疊落區(qū)間不僅要保證周邊建筑安全，還要保證相互影響時的自身安全，以及整個運(yùn)營期結(jié)構(gòu)的使用安全。無論是設(shè)計(jì)方案，還是施工控制都是重點(diǎn)和難點(diǎn)。經(jīng)分析，該疊落區(qū)間風(fēng)險主要有如下特點(diǎn)：

(1) 小間距疊落段兩隧道相互影響顯著。疊落段兩隧道豎向凈距1.9～12m，極為接近，相互影響顯著。下線隧道施工完成且穩(wěn)定后，上線隧道施工推進(jìn)過程中，由于盾構(gòu)機(jī)重量和掘進(jìn)推力較大，下線隧道結(jié)構(gòu)將經(jīng)歷先加載、后卸載的過程，且施工附加荷載較多、較大，盾構(gòu)機(jī)通過后，下線隧道上方挖土卸載，產(chǎn)生回彈變形。在此過程中，下線隧道結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)裂縫，管片接縫產(chǎn)生較大錯臺、滲漏水、侵限等。特別是3號線與5號線疊落段，其總長120m左右，隧道間最小凈距1.8m，5號線盾構(gòu)施工時，3號線可能正在運(yùn)營，施工風(fēng)險更為顯著。

(2) 疊落隧道偏壓荷載易引發(fā)結(jié)構(gòu)病害、巖土沉降等問題。側(cè)疊落段是平行段與正疊落段之間的過渡段，平曲線半徑最小為300m、最小凈距3m，隧道在水平方向和豎直方向均變化劇烈。下線隧道存在偏壓荷載，隧道軸線偏差及管片拼裝質(zhì)量控制難度較大，易產(chǎn)生裂縫和較大差異沉降、接縫張開、錯臺、滲漏水、侵限等風(fēng)險。上線隧道是在已受擾動的土層中掘進(jìn)施工，相對于原狀土，土體性質(zhì)變差，和正常單線隧道相比，隧道上方地層和地表沉降增大，增大了對周邊環(huán)境帶來的影響，可能會引起隧道周邊建筑物、地下管線變形超限。

4 施工健康監(jiān)測分析

針對該區(qū)間疊落盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險，對盾構(gòu)隧道背后土壓力及襯砌結(jié)構(gòu)開展監(jiān)測分析，時刻掌握盾構(gòu)隧道施工中的結(jié)構(gòu)安全。結(jié)合施工規(guī)范，在區(qū)間設(shè)置監(jiān)測斷面，本區(qū)間共設(shè)置30個監(jiān)測斷面(如圖1)，主要開展了管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力及管片背后土壓力監(jiān)測。

4.1 管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力

(1)監(jiān)測原理。通過監(jiān)測管片內(nèi)部鋼筋內(nèi)力的變化來換算管片混凝土內(nèi)力變化情況，鋼筋計(jì)與混凝土認(rèn)為是應(yīng)變協(xié)調(diào)的。

(2)測點(diǎn)安裝。在管片內(nèi)部預(yù)埋結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)，每片管片中央位置內(nèi)外側(cè)各布設(shè)一支鋼筋計(jì)，與管片內(nèi)部鋼筋焊接。安裝時采用對焊，將鋼筋與鋼筋計(jì)中心線對正，之后采用對接法把儀器兩端的連接桿分別與鋼筋焊接在一起。

(3)數(shù)據(jù)處理。通過監(jiān)測鋼筋計(jì)頻率值的變化情況，換算出鋼筋內(nèi)力變化情況，從而計(jì)算出管片彎矩、軸力和剪力等力學(xué)指標(biāo)。

4.2 管片背后水土壓力

4.2.1 監(jiān)測原理

通過在埋設(shè)在管片外側(cè)的柔壓計(jì)進(jìn)行量測管片外部水土壓力變化情況，柔壓計(jì)主要通過液體傳遞荷載作用。

4.2.2 測點(diǎn)安裝

(1)管片預(yù)留孔加固。柔性土壓力計(jì)感應(yīng)器尺寸較大，儀器預(yù)埋需在管片預(yù)留一直徑5cm，沿管片厚度方向高20cm的圓孔，為減小局部應(yīng)力集中及預(yù)留孔對結(jié)構(gòu)本身受力性能的影響，在預(yù)留孔周圍布設(shè)構(gòu)造螺旋筋，考慮預(yù)留孔尺寸略小于注漿孔尺寸，預(yù)留孔處構(gòu)造螺旋筋可按照注漿孔構(gòu)造螺旋筋進(jìn)行加工。

(2)儀器預(yù)埋安裝。在混凝土管片的鋼筋籠制作完成時，按設(shè)計(jì)位置在鋼筋籠上先安裝固定柔性土壓力計(jì)的預(yù)埋件。在預(yù)埋件的板上有6根固定螺桿須與鋼筋籠上的鋼筋焊接牢固，連為一體，防止?jié)仓炷吝^程中產(chǎn)生錯位，埋深最淺的兩端距混凝土表面8～10mm。

(3)數(shù)據(jù)處理。通過監(jiān)測得到柔壓計(jì)內(nèi)部液體壓強(qiáng)變化，從換算出管片外部土體和水對管片總荷載的變化情況。

4.3 隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

該區(qū)間隧道施工時從河山街站出發(fā)到河松街站，兩線隧道斷面從側(cè)疊逐漸轉(zhuǎn)為正疊。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)為鋼筋和軸力受壓數(shù)據(jù)，與數(shù)值模擬整體結(jié)構(gòu)受壓數(shù)據(jù)并不完全對應(yīng)，二者難以定量化對比。在定性關(guān)系上，監(jiān)測數(shù)據(jù)左右位置的軸力計(jì)讀數(shù)與上方基本處于同一量級，鋼筋計(jì)讀數(shù)較為多變，受斷面位置影響較大，均與數(shù)值模擬結(jié)果存在差別。此外，右線軸力計(jì)讀數(shù)通常明顯大于左線。四個位置的土壓力計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)常處于同一量級，并且受注漿影響較大，注漿量偏大的位置土壓會明顯升高。

在整個監(jiān)測過程中，絕大部分?jǐn)嗝娴淖x數(shù)均在安全范圍內(nèi)，但右線第170環(huán)、第433環(huán)和第452環(huán)的監(jiān)測數(shù)據(jù)在左線開挖時變化較大，土壓計(jì)讀數(shù)超出了安全范圍，推測為注漿加固過程中漿液用量偏大造成的影響。后續(xù)隧道開挖未出現(xiàn)安全問題，且三處的監(jiān)測元件讀數(shù)已逐漸平穩(wěn)。

4.3.1 正疊隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)

該區(qū)間右線的軸力計(jì)讀數(shù)較為平穩(wěn)，其讀數(shù)一般在150KN左右，部分位置讀數(shù)有波動，最高讀數(shù)在190KN左右，仍在安全范圍內(nèi)。大多數(shù)斷面在左線盾構(gòu)掘進(jìn)過程中讀數(shù)出現(xiàn)了波動，在盾構(gòu)經(jīng)過后讀數(shù)有所降低，并且隨著時間推移慢慢返回正常水平。聯(lián)絡(luò)巷附近管片軸力計(jì)讀數(shù)有波動，但在安全范圍內(nèi)。綜合認(rèn)為目前狀態(tài)較為安全，未發(fā)現(xiàn)明顯異常點(diǎn)(見圖2)。

圖2 左右線第582/583環(huán)軸力監(jiān)測曲線

4.3.2 側(cè)疊隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)

側(cè)疊隧道管片的軸力計(jì)受上部隧道施工的影響，但是變化不劇烈，過度比較平緩。土壓力值變化不大，較為穩(wěn)定。鋼筋計(jì)的變化集中在八月初，后逐漸趨于穩(wěn)定。右線隧道軸力值略大于左線，并且左右線軸力均有下降趨勢，推測為注漿漿液逐漸凝固的影響(見圖3)。

圖3 左右線第255/248環(huán)軸力監(jiān)測曲線

4.2.3 并行隧道斷面

并行隧道斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)中，右線的軸力值略大于左線，維持在150kN左右，而左線在140kN上下。左右線的土壓力值和鋼筋內(nèi)力表現(xiàn)基本一致，數(shù)值差異不大且較為平穩(wěn)。左線隧道開挖對于右線隧道的讀數(shù)影響較小(見圖4)。

圖4 左右線第65環(huán)軸力監(jiān)測曲線

5 結(jié)語

從本文實(shí)際工程的施工安全風(fēng)險分析及監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，該工程施工過程中盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，盾構(gòu)隧道施工的安全風(fēng)險是可控的。隨著各大城市地鐵交通網(wǎng)絡(luò)密度的逐漸加強(qiáng)，受地上地下周邊環(huán)境條件的影響及城市線路規(guī)劃設(shè)計(jì)選線的經(jīng)濟(jì)性等要求，疊落盾構(gòu)隧道將會越來越多，疊落盾構(gòu)隧道施工對周圍環(huán)境影響所帶來的問題也越來越多，為保證疊落盾構(gòu)隧道施工的安全，疊落盾構(gòu)隧道施工中的安全風(fēng)險分析及健康監(jiān)測等相關(guān)技術(shù)還需進(jìn)一步的探索和學(xué)習(xí)。