盾构下穿地铁13号线清河高架桥地表沉降监测

宋晓宇，刘 涛，梁青槐

(北京交通大学，北京 100044)

1 工程概况

团城湖至第九水厂输水工程是南水北调北京段配套工程的重要组成部分，一期工程第4标段(桩号4+183—8+066)始于龙背村，最终与关西庄泵站相接，在桩号4+960处下穿地铁13号线清河高架桥，交角为83°。输水隧道中心线距13号线高架桥的桥墩净距分别为8.0 m、11.5 m，隧道结构与最近的桩的距离分别为5.27 m和8.76 m，隧道和高架桥的位置关系如图1所示。13号线在该处为钢筋混凝土箱型连续梁结构，梁长72.0 m，穿越工程两侧的22#桥墩和23#桥墩桩长分别为29.5 m和27.0 m，桥基为钻孔灌注桩，基底在穿越区域的侧下方。输水隧洞采用盾构法施工，圆形断面，盾构设备选用日本IHI制造的外径6.14 m土压平衡盾构机。外层衬砌承受外部荷载，为厚0.30 m拼装预制钢筋混凝土管片;内层衬砌承受内部水压，为厚0.35 m现浇混凝土结构。输水隧洞建成后内径为4.70 m，外径为6.00 m。隧道穿越段基本上为直线，隧道埋深10 m，穿越段长30 m。输水隧道沿地面以下30 m深度范围内土层主要为人工堆积层和第四纪沉积层，所在土层从上到下依次为杂填土、粉质黏土、细砂、砾砂、粉土、细砂和砾砂，隧道大部分在粉质黏土层和细砂层中，且主要在粉质黏土层中。

2 施工进度及监测情况

图1 输水隧道与地铁13号线位置(单位:高程为m，长度为 cm)

盾构机于2007年10月10日掘进到地铁13号线清河高架桥附近，10月10日21时开始下穿施工，控制掘进速度为55～60 mm/min，10月11日凌晨3时完成穿越。穿越完成之后以平均每天30环(36 m)的速度进行掘进施工。根据穿越工程施工进度及工后变形发展情况，第三方监测于2007年9月14日开始，到2008年10月14日结束。

盾构隧道下穿地铁13号线清河高架桥的监测对象为下穿影响范围的高架线路及地表，具体监测项目包括拱顶对应地表、21#～24#桥墩竖向位移、道床裂缝、轨道结构沉降、轨道结构几何形位和无缝线路钢轨位移。根据工程特点，在施工过程中采用自动和人工监测两种监测手段。本文重点就穿越过程中上部地表沉降和桥墩竖向位移进行分析。

拱顶对应地表沉降和21#～24#桥墩竖向位移监测采用精密水准测量方法。控制网采用一等水准测量精度要求施测，观测点采用二等水准测量精度要求施测，监测精度为0.3 mm。下穿施工期间及施工结束后24 h内每2 h进行一次，之后每天观测一次，再后根据变形的稳定情况对监测频率进行调整。施工监测按三级控制指标进行管理，分别为控制值、报警值和预警值。具体监测项目的监测精度和控制指标如表1所示。

拱顶对应地表沉降测点布置于盾构隧洞拱顶对应地表上，从拱顶中心对应地表位置向两侧15 m范围内每5 m布设一地表测点，15～25 m范围内每10 m布设一地表测点。布设3排地表测点，排间距为5 m，共布设27个地表测点，测点布置如图2所示。

图2 拱顶对应地表沉降监测点布置

21#～24#桥墩竖向位移测点布设于桥墩的墩台上，每个桥墩2个测点，共布设8个桥墩沉降监测点，测点布置如图3所示。

图3 21#～24#桥墩竖向位移监测点布置

3 监测数据分析

3.1 拱顶对应地表沉降分析

拱顶对应地表第一、二、三排测点的沉降时程曲线分别如图4、图5和图6所示，地表土体变形控制在(-0.4 mm，1.4 mm)，远小于监测预警值(±4.1 mm)，工法改进优化和防护加固控制起到了较好的作用。

图4 拱顶对应地表沉降时程曲线

图5 拱顶对应地表沉降时程曲线

图6 拱顶对应地表沉降时程曲线

由于总的变形量相对监测精度较小，故测量误差会导致变形曲线波动较大，但总体趋势仍有一定的规律性。综合拱顶对应地表三排测点沉降时程曲线的大致趋势，可以按照盾构到达13号线高架桥影响区域的位置关系分为6个阶段。

1)盾构未到达阶段(9月28日到10月2日)。拱顶对应地表从9月28日开始监测，到10月2日离下穿施工还有8 d，盾构机距离高架桥约290 m处时，三排测点沉降量分别达到(-0.1 mm，0.3 mm)、(0.2 mm，0.5 mm)、(0，0.4 mm)。这一阶段盾构还未到达高架桥影响区域，拱顶对应地表沉降曲线相对平稳，三排测点沉降曲线分别在(±0.3 mm)、(-0.1 mm，0.5 mm)和(-0.2 mm，0.4 mm)小幅波动。

2)盾构到达前阶段(10月2日到10月3日)。10月3日离下穿施工还有1周，盾构机前进到距离高架桥约250 m，三排测点沉降量分别达到(-0.4 mm，0)、(-0.3 mm，0.1 mm)和(-0.4 mm，0.1 mm)。这一阶段盾构开始进入高架桥影响区域，下穿施工造成土体轻微扰动，地表土体下沉相对未达到阶段波动速度要快，尤其是最接近盾构机的第三排测点，但下沉量比较小。

3)盾构到达阶段(10月 3日到 10月 7日)。10月7日离下穿施工还有3 d，盾构机距离高架桥约110 m，三排测点地表隆起分别达到(0.6 mm，1.2 mm)、(0.5 mm，1.4 mm)和(0.5 mm，1.3 mm)。这一阶段盾构逼近高架桥影响区域，土体扰动进一步加剧，但盾构对土体的挤压起到主导作用，拱顶对应地表隆起增长很快，隆起速度达到0.4 mm/d。

4)盾构下穿阶段(10月7日到10月11日)。10月10日晚盾构下穿高架桥，11日凌晨完成穿越。这一阶段拱顶对应地表隆起量小幅波动。盾构到达高架桥，土体扰动继续加剧，但输水隧道两侧双排旋喷桩以及其他防护加固措施起到了有效的作用，抵消了盾构挤压的部分影响，这一阶段地表隆起分别在(0.6 mm，1.2 mm)、(0.5 mm，1.4 mm)和(0.5 mm，1.3 mm)波动。

5)盾构离开阶段(10月11日到10月18日)。10月18日下穿施工完成已经1周，盾构距离高架桥约250 m，三排测点隆起量已经减小到(0，0.5 mm)、(0，0.7 mm)和(0.2 mm，0.7 mm)。这一阶段土体开始以较慢的速度向下产生位移。盾构离开高架桥不远，仍会造成土体扰动，而盾构推过后土体损失，新建隧道和周边土体暂时未到达平衡状态，地表下沉速度较快。

6)后续稳定阶段(10月18日到12月9日)。这一阶段拱顶对应地表沉降逐渐趋于稳定。盾构已远离高架桥，而新建隧道和周边土体逐步达到平衡状态，地表变位逐步稳定。

3.2 桥墩竖向位移分析

隧道两侧的22#～23#桥墩竖向位移时程曲线如图7所示，监测期间桥墩竖向位移控制在(-1 mm，1.1 mm)，小于监测预警值(±2.0 mm)，控制措施效果明显。

综合22#～23#桥墩竖向位移时程曲线的大致趋势，可以按照盾构到达13号线高架桥影响区域的位置关系分为5个阶段:

1)盾构未到达阶段(9月14日到9月 28日)。9月14日开始监测，9月28日距下穿施工还有12 d，盾构机距离高架桥约440 m，桥墩竖向位移达到(-0.2 mm，0.1 mm)。这一阶段盾构还未到达高架桥影响区域，桥墩竖向位移曲线相对平稳，变形在(-0.6 mm，0.2 mm)小幅波动。

图7 22#-23#桥墩竖向位移监测点沉降时程曲线

2)盾构到达前阶段(9月28日到10月3日)。这一阶段桥墩快速下沉，10月3日桥墩竖向位移达到(-1.0 mm，-0.2 mm)。桥墩比地表提前进入前期到达前下沉阶段，且下沉量相对较大，主要是因为承受列车动荷载的桥桩更容易感应到土体扰动，土体的轻微扰动致使桥梁桩周阻力减小，桩底分担的支撑力增加，桥墩开始下沉。

3)盾构到达阶段(10月3日到10月7日)。10月3日起桥墩快速上抬，10月7日桥墩竖向位移达到(0.6 mm，0.9 mm)。这一阶段盾构到达高架桥影响区域，土体扰动进一步加剧，但盾构对土体的挤压起到主导作用，带动桥墩快速产生向上位移，桥墩竖向位移迅速由负转正，隆起速度达到0.45 mm/d。

4)盾构下穿阶段(10月7日到10月11日)。这一阶段桥墩竖向位移小幅波动。盾构到达高架桥，土体扰动继续加剧，但输水隧道两侧双排旋喷桩以及其他防护加固措施起到了有效的作用，抵消了盾构挤压的部分影响，桥墩竖向位移在(0.3 mm，1.1 mm)波动。

5)盾构离开阶段(10月11日到10月13日)。10月13日下穿施工完成已2 d，盾构远离高架桥约70 m，桥墩竖向位移减小到(0.1 mm，0.5 mm)。这一阶段桥墩产生向下位移，速度较快。盾构离开高架桥，盾构支撑作用消失，土体扰动起主要作用，桩周阻力继续减小，桥墩产生向下位移。

6)后续稳定阶段(10月13日到12月9日)。这一阶段桥墩竖向位移曲线逐步达到稳定。桥墩竖向位移比地表提前进入后续稳定阶段，主要是因为土体扰动虽然依旧存在，但桥墩桩受力主要由桩阻力承担，桩周阻力的减小不会使桥桩继续下沉。桥墩竖向位移提前达到稳定。

4 结论

1)暗涵下穿地铁13号线清河高架桥期间，拱顶对应土体和桥墩竖向位移经历了“未到达时稳定、到达前下沉、盾构到达时快速隆起、下穿时小幅波动、下穿后缓慢下沉、后续稳定”6个变形阶段。

2)桥墩和地表土体有一定的连动作用，桥墩一般会随着土体产生相应的位移，但不完全一致。前期桥墩比地表对土体扰动更敏感，轻微扰动就会产生向下位移。但桥墩也能更快地克服土体扰动，下穿后迅速达到平衡状态，地表土体达到稳定需要一个较长的过程。

3)下穿前14 d桥墩开始以较快的速度下沉，下穿前7 d几乎达到最大，而土体沉降相对较小。下穿前7 d土体和桥墩开始迅速产生向上位移，2～3 d内隆起几乎达到最大，然后一致持续到下穿完成。因此下穿前14 d(约400 m)就要开始关注桥梁结构的沉降情况，下穿前7 d(距离高架线约200 m)就要关注周边土体和桥梁结构的隆起情况，并做好相应的防护作用。

4)输水隧道两侧双排旋喷桩的隔离防护作用极大地减少了下穿施工对土体和桥梁结构的影响，施工过程中及时地补注浆液减缓了盾构穿过后土体的下沉速度。穿越工程必须做到主动控制(优化施工方法)和被动控制(防护加固)相结合。

［1］中华人民共和国建设部.GB 50157—2003 地铁设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.

［2］北京地铁运营有限公司.北京地铁工务维修规则(试行)［S］.北京:北京地铁运营有限公司，2006.

［3］张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］陈亮，黄宏伟，王如路.近距离上部穿越对既有隧道沉降的影响分析［J］.土木工程学报，2006:83-87.

［5］潘海泽，蒋冰玉，石嵘，等.盾构施工地面沉降监测技术在天津地区的应用研究［J］.铁道建筑，2010(3):49-52.