北京地铁10号线草桥站至纪家庙站区间盾构隧道施工监测与分析

武圆月，龚洁英

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

北京地铁10号线草桥站至纪家庙站区间盾构隧道施工监测与分析

武圆月，龚洁英

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

北京地铁10号线2期工程草桥站—纪家庙站区间属盾构法施工区间，该区间地下管线多，管径大，覆土深，内压大，水文地质、工程自身及周边环境风险极大。对盾构隧道施工过程中的地表、管线、建(构)筑物沉降监测数据进行分析，探讨了盾构施工过程沉降槽分布形式、沉降随时间发展规律及其影响范围和程度。结合实际监测数据分析了砂卵石地层盾构通过时地表沉降变形的特点，可供类似工程参考。

地铁 盾构隧道 砂卵石地层 沉降变形规律

1 工程概况

北京地铁10号线二期工程草桥站—纪家庙站区间，采用盾构法施工。区间出纪家庙站后，沿规划的纪家庙二号路向东，依次穿越京九铁路和京沪高铁、玉泉营建材市场、东方家园建材市场，再向东北穿越北京花乡花卉市场、京开高速和马草河，在草桥南街口处略向右弯，然后一直向东到达草桥站。

区间里程为K37+572.000—K38+904.338，长度1 332.338 m。该区间地下管线非常复杂，主要集中在石榴庄路下方、京开高速两侧及张新路和纪家庙路口之间，管线多，管径大，覆土深，内压大。

施工顺序为:从纪家庙站盾构始发，由西向东推进，在草桥站接收。草桥站—纪家庙站区间工程位置平面示意图如图1所示。

图1 草桥站—纪家庙站区间工程位置平面示意

2 工程风险分析

1)区间主体结构穿过围岩主要为新近沉积卵石、圆砾③层、新近沉积细中砂③2层、卵石④层、黏质粉土、粉质黏土④1层、细中砂④2层，属Ⅵ级围岩。由于隧道穿过的地层局部不均匀，给盾构施工地表沉降控制带来难度，因此应加强对地表沉陷及隆起的监测。

2)本区间左、右线在里程 K37+820—K37+850段下穿马草河，马草河常年有水，水深约2.0 m。河底为混凝土方砖，有淤泥，区间结构顶板距离河底部净距为8～9 m。盾构施工对河底地层扰动过大，会引起隧道内涌水。在盾构通过河道时，要加强对两岸河堤的现场监测。

3)本区间左右线在里程K37+900—K37+970段下穿京开高速主辅路。京开高速为城市道路骨干网络，交通流量大，如盾构施工引起较大的隆起、沉降或异常沉陷，会影响正常交通。因此，盾构通过前后要加强现场监测和巡视。

4)本区间在京开高速公路两侧辅路下方管线密集，管径大，覆土深，内压大，对隧道施工引起的隆起和沉降敏感，监测中应注意加大对地下管线的监测频率，尤其是雨水、污水、上水管线。

5)区间下穿玉泉营和东方家园建材市场，连续穿越市场范围约240 m。建材市场多为1～3层，基础抗倾斜、抗裂能力差，建材市场为大空间框架结构建筑，对差异沉降敏感。营业场地周边人员和车辆密集，给监测工作增加了难度。因此，在盾构机通过建材城施工过程中，监控量测工作是本工程的重点。

3 风险监控

3.1 监测目的

1)在盾构施工期间，对盾构区间周边环境和工程自身关键部位实施监测，掌握周边环境和工程自身是否处于安全状态，验证施工方的监测数据，为建设单位、监理、设计、施工单位提供参考数据。

2)通过现场监测和安全状态预警，较全面地掌握工程施工安全控制程度，为信息管理平台提供基础数据，对施工过程实施全面监控和有效控制管理。

3.2 监测内容及手段

现场监测内容包括地表沉降、管线沉降、建(构)筑物沉降等。监测频率:掘进面距监测断面前后的距离L≤20 m时，1次/d;20＜L≤50 m时，1次/2 d;L＞50 m时，1次/7 d。经数据分析确认达到基本稳定后，1 次/月。

4 风险管控与沉降规律

4.1 地表监控及沉降规律

草桥—纪家庙区间地表沉降最终累计值范围为+1.2～－50.4 mm，其中累计沉降值最大点为DB-42-02(－50.4 mm)，该测点位于镇国寺北街 K37+620处。区间盾构从纪家庙始发，到草桥站接收，共有11个道路及地表沉降监测点累计变形值超过预警值(21.0 mm)，2个地表测点累计变形值超过报警值(25.5 mm)，达到黄色监测预警等级;1个地表测点累计变形值超过控制值(30.0 mm)，达到橙色监测预警等级。

1)2011年12月12日开始对马草河西侧地表断面沉降测点进行监测，至14日，盾构区间右线掘进至地表监测点受影响区域，测点DB-34-02和DB-34-04发生沉降，沉降量较小。从15日至18日，盾构右线掘进出地表测点影响区域，右线中间上方测点DB-34-02连续发生沉降，此阶段沉降量为－5.6 mm，约占总沉降量的39%;左线中间上方测点DB-34-04发生沉降，沉降匀速发展，此阶段沉降量为 －2.3 mm，约占总沉降量的21%。18日以后，左线盾构掘进施工远离上方地表测点影响区域，测点沉降趋于平缓。至2012年2月21日，盾构区间左线掘进至地表测点影响区域，测点DB-34-02和DB-34-04发生沉降，沉降量较小。从2012年2月22日至24日，盾构左线掘进出地表测点影响区域，左线中间上方测点DB-34-04连续发生沉降，此阶段沉降量为 －6.6 mm，约占总沉降量的59%。盾构右线上方测点DB-34-02受左线盾构施工影响，继续发生沉降，此阶段沉降量为 －9.3 mm，约占总沉降量的65%。2月24日以后，左线盾构掘进远离地表测点影响区域，测点沉降趋于平缓。马草河西侧地表测点沉降时程曲线如图2所示。

图2 马草河西侧地表测点沉降时程曲线

2)盾构左右线对地表沉降测点产生的影响大致相当，盾构左线上方测点受施工的影响较大，受右线施工的影响较小。监测断面图显示，盾构脱出时上方中间测点下沉趋势比较明显，其两侧测点下沉趋势相对缓慢，见图3。

图3 马草河西侧监测断面DB-34沉降监测结果

3)草桥—纪家庙区间左线镇国寺北街道路地表沉降监测点DB-42-02于2012年3月9日盾构机掘进至影响区域，其后受盾构机掘进对地层的干扰，盾构机脱出该影响区域后该地表测点连续发生沉降，累计沉降值从 －0.1 mm变化至 －48.8 mm，沉降量为 －48.7 mm，约占总沉降量的97%，沉降累计变形值和速率均超过控制值，达到红色监测预警等级，导致最终沉降累计变形值为 －50.4 mm，超过控制值(30 mm)。出现红色预警的主要原因是施工盾构机盾尾刷的损坏，导致盾尾有漏浆现象，注浆不足，使盾构机脱出时引起上方道路地表监测点沉降速率突然增大且累计值超过控制值，预警时盾构机机尾到达监测点下方区域。第三方监测单位及时发布了红色监测预警通知，施工单位组织了红色监测预警响应会，经参会各方研究后，施工单位及时采取堵浆措施，并修复盾尾刷，进行同步注浆和二次注浆，减少地层扰动，加强现场监测和地面巡视，掌握地表沉降变化情况，至3月13日以后，沉降速率降低警戒值内，监测数据基本处于稳定状态，见图4。

图4 盾构区间左线正上方地表沉降测点DB-42-02沉降时程曲线

4.2 地下管线监控及沉降规律

草桥—纪家庙区间地下管线沉降最终累计值在－0.2～－61.2 mm，其中累计变形沉降值最大点为φ400污水管线GXC-18-05(－61.2 mm)，该测点位于镇国寺北街K37+603.6处。草纪区间盾构从纪家庙始发到草桥站接收，其中有包括DN100上水、DN400污水和电力管线的6个地下管线监测点沉降超过控制值，达到橙色监测预警，1个φ600雨水管线监测点达到黄色监测预警;1个φ600雨水管线测点超过预警值。

1)2011年6月16日开始对DN100上水管线测点进行监测，至7月7日，盾构右线掘进至上水管线测点影响区域，左线上方左侧测点GXC-02-04发生沉降，沉降量较小。从7月15日至16日盾构右线掘进出污水管线影响区域，GXC-02-04受右线盾构掘进影响沉降量相对较小。从7月28日至8月6日盾构左线下穿污水管线，GXC-02-04发生连续沉降，沉降累计值从－0.6 mm变化至 －18.3 mm，沉降量为 －17.7 mm，约占总沉降量的93%。沉降较大的原因主要是盾构推进时，盾构外壳与土层之间形成剪切滑动面，剪切应力引起地面变形，管片脱出盾构机盾尾时发生突然沉降，另外盾构机对周围土体的挠动也是原因之一。8月6日之后，左线盾构施工远离上水管线影响区域，测点沉降趋于平缓，见图5。

2)盾构左右线下穿上水管线对左右线中间测点产生的影响大致相当。盾构左线上方测点受左线施工影响较大，受右线施工的影响较小。从测点沉降断面(图6)可见，盾构中线上方测点下沉趋势比较明显，其两侧测点下沉趋势相对缓慢。盾构机盾尾脱出时监测点下沉速率偏大，之后施工单位控制盾构土压并及时二次补浆，沉降速率降低到警戒值内，测点沉降处于平缓稳定状态。

图5 盾构区间DN100上水管线测点GXC-02-04沉降时程曲线

图6 盾构区间DN100上水管线02断面沉降曲线

3)2012年3月8日开始对镇国寺北街φ400污水管线测点进行监测，至3月10日，盾构左线掘进至污水管线测点影响区域，区间正上方测点GXC-18-05发生较小沉降，沉降量为 －0.3 mm。3月10日至13日盾构左线掘进出污水管线影响区域，GXC-18-05发生沉降，沉降累计值从 －0.3 mm变化至 －58.8 mm，沉降量为 －58.5 mm，约占总沉降量的95.6%。由于施工单位盾构机盾尾刷的损坏，累计值超过控制值，达到红色监测预警标准。施工单位组织了红色监测预警响应会，经参会各方研究后，采取堵浆、修复盾尾刷、同步注浆和二次注浆等措施。之后沉降速率降低在警戒值内，监测数据基本处于稳定状态，见图7。

图7 盾构区间左线上方φ400污水管线监测点沉降时程曲线

4.3 建(构)筑物监控及沉降规律

草桥—纪家庙区间建筑物沉降最终累计值在+2.0～－39.2 mm，其中累计沉降值最大点为JCJ-09-11(－39.2 mm)，该测点位于玉泉营建材市场西侧。草纪盾构区间建筑物沉降测点共有5个累计值达到黄色监测预警等级，5个累计值达到橙色监测预警等级;1个累计值超过预警值。

1)2011年11月4日开始对玉泉营建材市场西侧建筑物测点进行监测，至11月11日，盾构左线掘进至建筑物测点影响区域，11月11日至14日，JCJ-09-11连续发生沉降，沉降累计值从 －0.5 mm变化至－37.4 mm，沉降量为 －36.9 mm，约占总沉降量的94.1%。此测点在盾构区间左线上方，受左线盾构机穿越影响较大，受右线盾构机穿越影响相对较小。盾构机盾尾脱出时，盾构机左右线中线上方测点下沉趋势比较明显，其两侧测点下沉趋势相对缓慢。11月15日后，左线施工远离玉泉营建材市场西侧测点影响区域，沉降速率降低到警戒值内，测点沉降处于平缓稳定状态，见图8。

图8 玉泉营建材市场西侧建筑物监测结果

2)2011年11月12日开始对玉泉营建材市场东侧建筑物监测点进行监测，至11月18日，盾构右线掘进至建筑物监测点影响区域，从11月19日至21日盾构下穿时，区间上方玉泉营建材市场东侧建筑物沉降测点JCJ-10-04连续发生沉降，如图9(a)所示。沉降累计值从 －0.4 mm变化至 －17.0 mm，沉降量为－16.6 mm，约占总沉降量的86.5%，此测点在盾构区间右线上方，受右线盾构机穿越影响较大，受左线盾构机穿越影响相对较小，11月22日后右线施工远离测点影响区域，测点沉降趋于平缓。至11月27日，盾构左线掘进至建筑物测点影响区域，右线测点也受到一定影响。在11月27日—12月1日左线盾构下穿时，区间上方玉泉营建材市场建筑物东侧的沉降测点JCJ-10-09连续发生沉降，沉降累计值从 －3.4 mm变化至 －19.9 mm，沉降量为 －16.5 mm，约占总沉降量的65%。盾构左右线下穿玉泉营建材市场建筑物中间测点产生的影响大致相当，盾构左线上方测点受左线施工影响较大，受右线施工的影响相对较小。从监测断面图图9(b)可知，中线上方测点下沉趋势较明显，其两侧测点下沉趋势相对缓慢。因施工方盾构土压控制不严和同步注浆不及时，导致盾构机盾尾脱出时监测点下沉速率偏大。在施工单位按要求严格控制盾构土压并及时二次补浆之后，沉降速率降低到警戒值以内，测点沉降处于平缓稳定状态。

图9 玉泉营建材市场东侧建筑物监测结果

4.4 京开高速挡墙监控及沉降规律

2011年12月10日开始对京开高速主辅路及挡墙监测点进行监测，至12月12日，盾构右线掘进至京开高速挡墙监测点影响区域，在12月12日—13日盾构下穿时，区间上方京开高速东侧挡墙沉降监测点JCJ-14-04发生沉降，沉降累计值从 －1.0 mm变化至－2.7 mm，沉降量为 －1.7 mm，约占总沉降量的24%，此测点在盾构区间右线上方，盾构机穿越时影响较小，12月13日后右线施工远离测点影响区域，测点沉降趋于平缓。至2012年2月10日，盾构左线掘进至京开高速挡墙测点影响区域，右线测点也受到一定影响。在2012年2月13日—15日左线盾构下穿时，区间上方东侧挡墙沉降测点JCJ-14-08发生沉降，沉降累计值从 －3.1 mm变化至 －5.4 mm，沉降量为 －2.3 mm，约占总沉降量的48%。盾构左右线下穿京开高速对挡墙中间测点产生的影响大致相当，盾构右线上方靠右侧测点受右线施工影响较大，受左线施工影响相对较小。从测点断面图可知，右线中线上方靠右侧测点下沉趋势较明显，其两侧测点下沉趋势相对缓慢，见图10。

图10 京开高速东侧挡墙监测结果

5 结论

通过对北京地铁10号线二期草桥站—纪家庙站区间盾构隧道在砂卵石地层施工过程的地面沉降监测数据的定量统计分析，基本上掌握了盾构施工过程中地表、管线、建(构)筑物沉降规律，包括沉降槽分布形式、沉降随时间发展规律、沉降影响范围等。结论如下:

1)草桥站—纪家庙站盾构区间完工后建(构)筑物沉降最终累计值在 +2.0～－39.2 mm，地下管线沉降最终累计值在 －0.2～－61.2 mm，道路及地表沉降最终累计值在 +1.2～－50.4 mm，工后100 d平均沉降速率为 －0.01 mm/d，监测数据处于稳定状态，达停测标准。沉降测点累计变形值超过预警值14个、超过报警值8个、超过控制值12个。

2)根据《建筑物变形测量规范》(JGJ8—2007)，沉降速率小于0.01～0.04 mm/d时可认为进入基本稳定阶段。为了判断各监测对象的稳定性，2011年6月16日至2012年4月23日对各监测项目的平均变形速率进行统计，至统计时段结束时，变形速率均达到稳定状态。

3)监测点横断面沉降槽曲线受先行隧道通过影响，后行隧道沉降曲线左右往往并不对称，地表最大沉降量向先行隧道一侧偏移，隧道中线上方下沉趋势比较明显，其两侧测点下沉趋势相对缓慢，地面沉降槽宽度一般在20～30 m。

4)盾构机头前后的沉降量分布可用沉降测点时程曲线拟合。在土压式掘进情况下，机头前方约5 m处开始产生沉降，机头前方5 m至盾尾是沉降的主要发展区域，沉降量约占总沉降量的80%以上，机头通过10～15 m后沉降基本趋于稳定。

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U455．43

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．09．11

1003-1995(2013)09-0034-05

2012-12-09;

2013-06-25

武圆月(1982— )，男，山西山阴人，工程师。

(责任审编 李付军)