静力水准监测在地铁盾构下穿建筑物过程中的应用

李 伟，孙立光

(1.杭州市地铁集团有限责任公司，杭州 310020;2.上海同是工程科技有限公司，上海 200092)

1 工程概况

杭州地铁1号线某区间右线全长1 308 m，采用盾构法施工。区间沿线地质构造和地层为河口相冲海积堆积的粉性土及砂性土，由于堆积年代及固结条件不同，性质不一，竖向由松散至中密状态变化，厚度一般在20 m左右;其下为海陆交互相沉积的淤泥质软土及黏性土，地面下约40～45 m左右为古钱塘江河床堆积的圆砾层，中密～密实状态，底部基岩埋深一般在地面以下55～63 m左右。隧道顶部埋深12～17 m，主要穿越淤泥质粉质黏土层④4、⑥1层、淤泥质粉质黏土层⑥2、黏土⑦1、粉质黏土层⑧2和砂粉质黏土⑨1。

沿线浅部地下水属潜水类型，主要赋存于上部填土层及粉土、砂土层中，补给来源主要为大气降水及地表水，其静止水位一般在地下1～4 m，并随季节变化。

2 静力水准监测方案

2.1 监测内容及范围

隧道沿线需下穿较多建筑物，建筑年代集中在20世纪70年代末80年代初，基础多为浅基础，结构形式多为砖混结构，承受变形能力较差。为了掌握盾构穿越期间建筑物沉降及发展情况，为建筑物的安全状况评估提供基础数据，选取其中3幢建筑物进行静力水准监测，主要对建筑物沉降和差异沉降进行监测。建筑物情况如表1所示。

表1 建筑物情况

本工程采用RJ20型电容感应式静力水准监测系统，监测精度可以达到0.1 mm，每2 h采集一次监测数据，其具体指标如表2所示。

2.2 监测点设置

为尽量减少对居民生活的影响，监测点布置在建筑物顶部，由于建筑物本身的条件限制，住宅楼1和住宅楼2分别布设4个静力水准监测点，编号分别为HZ38-1～HZ38-4和HZ37-1～HZ37-4;住宅楼3共布设8个监测点，编号为HZ34-1～HZ34-8。3幢建筑共计布设静力水准监测点16个。静力水准监测点的具体位置详见图1。

表2 静力水准监测指标

图1 静力水准监测布点

2.3 静力水准监测原理

静力水准监测系统由传感器、数据采集装置和一套计算机监控管理系统组成。静力水准监测具有监测点多、测量范围大、精度高、数据可自动化采集等优点。

图2 静力水准监测原理示意

如图2所示，共布设有n个测点，假设1号点为相对基准点，初始状态时各测量安装高程相对于(基准)参考高程面 ΔH0间的距离则为 Y01，…Y0i…，Y0n(i为测点代号，i=0，1，…，n);各测点安装高程与液面间的距离则为 h01，h0i，…，h0n，则有

当发生不均匀沉陷后，设各测点安装高程相对于基准参考高程面 ΔH0的变化量为 Δhj1，Δhj2，Δhji，…，hjn(j为测次代号，j=0，1，……，n);各测点容器内液面相对于安装高程的距离为 hj1，hj2，…，hji，…，hjn。由图2可得

则j次测量i点相对于基准点1的相对沉陷量Hi1为

由式(2)可得

由式(1)可得

将式(5)代入式(4)得

即通过传感器测得任意时刻各测点容器内液面相对于该点安装高程的距离 hji(含 hj1及首次的 h0i)，则可求得该时刻各点相对于基准点1的相对高程差。如把任意点g(1，…，i，n)做为相对基准点，将f测次做为参考测次，则按式(6)同样可求出任意测点相对g测点(以f测次为基准值)的相对高程差Hig

3 监测数据分析

3.1 住宅楼1的监测数据分析

盾构下穿越住宅楼1的初期推进参数设定为:土仓压力0.34 MPa，推进速度为3～4 cm/min，跟踪注浆量为5.0 m3/环。住宅楼1的静力水准监测以HZ38-1监测点为基准点。推进过程中，为了防止建筑物隆起过大，土压力由0.34 MPa逐步降到0.32 MPa。由图3可知，随着土压力的降低，建筑物明显出现沉降增大的现象，其中位于盾构轴线上方的HZ38-4监测点沉降量最大。为了控制建筑物沉降的进一步发展，施工单位将跟踪注浆量由5.0 m3/环增加至5.8 m3/环。注浆量调整以后，沉降趋势得到明显的控制，特别是长管注浆后建筑物的沉降变形趋势得到更有效控制。

由表3可知，盾构完全穿出住宅楼1之后，HZ38-4的累计沉降量最大为-10.04 mm，HZ38-3和HZ38-4监测点间的差异沉降最大为0.37‰。HZ38-4点位于盾构中轴线上方受到盾构施工的扰动较为明显，其他3个监测点的沉降量随着距盾构距离的增大而减小。

图3 住宅楼1监测点沉降时程曲线

表3 住宅楼1的监测数据

3.2 住宅楼2的监测数据分析

住宅楼2的静力水准监测以HZ37-4监测点为基准点。住宅楼2监测点沉降时程曲线如图4所示。

截至6月7日，住宅楼2的监测数据如表4所示。

表4 住宅楼2的监测数据

根据监测数据可以看出，盾构下穿住宅楼2期间，各监测点的沉降曲线斜率较大，表明建筑物沉降速率较快。随着二次注浆措施的实施，沉降速率得到明显的减缓，但沉降量还有增大的趋势。为了有效控制建筑物的沉降变形，5月10日施工单位采用了长管注浆加固措施。由图4的曲线可知，长管注浆初期建筑物仍有一定的下沉趋势，但随着加固体强度的增加，建筑物下沉趋势得到有效控制，沉降速率明显变小。

3.3 住宅楼3的监测数据分析

盾构下穿住宅楼3的初始推进参数为土仓压力0.32 MPa，推进速度 3～4 cm/min，跟踪注浆量为 6 m3/环。由图5可知，曲线波谷均对应注浆加固的时间点，每次注浆后监测点都有一定隆起，通过多次注浆可有效地控制建筑物沉降的发展。在4月24日至4月26日期间，建筑物最大隆起量接近+6 mm，远超过+3 mm的控制值。施工单位根据监测数据及时采取以下处理措施:第一将注浆量从6 m3/环逐步降低到5.5 m3/环;第二将土压力由0.32 MPa逐步降低为0.30 MPa。盾构推进参数调整后，建筑物进一步隆起的趋势得到有效的控制。

图4 住宅楼2监测点沉降时程曲线

图5 盾构下穿期间住宅楼3监测点沉降时程曲线

图6 盾构穿出住宅楼3后监测点沉降时程曲线

盾构下穿期间对土体扰动较大，造成建筑物产生一定量的隆起变形，随着土压力和孔隙水压力的逐步释放必然会导致建筑物产生沉降变形。为了有效控制建筑物的工后沉降，施工单位根据静力水准监测数据增加了二次注浆的次数。由图6可以看出，从4月28日至5月2日期间，每当曲线斜率较大，建筑物沉降量达到沉降曲线的波谷时，施工单位都及时采取了注浆措施，注浆频率高达1次/d。长管注浆施工后建筑物的沉降速率和沉降量得到有效控制。

4 结论及建议

通过对3幢建筑物进行静力水准监测，可得到以下结论及建议:

1)盾构下穿建筑物过程中，保持盾构推进参数的相对稳定是很重要的，应根据静力水准监测数据进行盾构参数的微调，以达到控制建筑物变形的最佳效果。

2)盾构穿出建筑物后，进行及时的二次注浆是必要的。本工程根据静力水准监测数据及时进行二次注浆对控制建筑物变形起到了关键作用。

3)盾构穿出建筑物后，采用长管注浆施工初期对控制建筑物变形效果甚微，但对于控制工后建筑物长期沉降变形及缩短建筑物变形稳定时间有一定的作用。

4)静力水准监测数据采集频率高，数据曲线有明显的波峰和波谷，比常规水准监测更能详细准确地反映建筑物变形情况。静力水准监测对施工单位正确分析工况、及时调整盾构参数和进行信息化施工提供了技术支持。

5)静力水准监测为盾构在相似地层条件下下穿建筑物提供了重要的基础性数据，也为左线盾构再次下穿3幢建筑物时盾构推进参数的设定提供了科学依据。

［1］鲍永亮，郑七振，唐建忠.盾构隧道穿越既有建筑物施工技术［J］.铁道建筑，2008(4):52-53.

［2］章慧健，仇文革，王庆.城市地铁盾构施工引起的地表沉降分析［J］.铁道建筑，2008(9):64-67.