穿越河堤的城市轨道交通盾构施工安全监测技术

付小明，余志奇，刘涛

(武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430015)

1 引 言

盾构法修建地铁隧道具有对环境影响小、施工安全快速等优点，已成为城市地铁建设的主要施工方法之一。然后由于城市空间的局限性，盾构隧道掘进过程中不可避免地与河流、堤防、道路及建筑物等发生冲突，隧道掘进后，河堤较大的工后不均匀沉降会引起盾构隧道的纵向变形，严重危及隧道的安全运行。需要在盾构施工时对冲突部位进行安全监测，并分析变形特征，认识规律，进而控制穿堤施工风险。

本文以某城市轨道交通盾构施工穿越河堤为依托，对盾构施工时河堤变形(沉降和位移)进行数值计算，研究河堤的变形特征。

2 工程概况

2.1 工程简介

某城市轨道交通是武汉市第三条实现上天入地的地铁，设计运行速度达到 100 km/h，通车后将是武汉市运行速度最快的轨道交通线路。城市轨道交通穿越的河堤为1级堤防，穿越段距地面和堤顶高程约 13 m～20 m，施工期正处于汛期，由于盾构法施工[1]将不可避免地扰动土体，破坏原有的平衡状态，而向新的平衡状态转化，引起地面变形、地层变化以及水体介质运移分布情况变化，可能危及地面堤防建筑物及其附属设施的安全。如出现岸坡隆起、塌陷[2]等异常变形，从而导致堤防建筑物挡水安全性[3]的降低。需对城市轨道交通下穿河堤段堤防布置相应安全监测仪器开展安全监测工作，对大堤等建筑物整体状态进行全过程的持续观测，采集河堤等建筑物的变形、渗流及水位变化等各效应量，采取相应的技术分析手段对观测资料进行及时分析处理，及时对堤防等建筑物的安全状态作出评价[4]。

隧道走向与河堤夹角约82°，穿越河堤段隧道长约 43 m。隧道采用复合式土压平衡盾构施工穿越河堤，管片外径 6.2 m，管片厚度 0.35 m。穿越河堤段隧道埋置较深，隧道顶与河堤顶(29.82 m)高差约20 m，隧道顶与河堤坡脚(22.82 m)高差约13 m，区间隧道与河堤相互关系如图1所示。

图1 区间隧道与河堤相互关系示意图

2.2 地质概况

河堤隧道洞身主要穿越淤泥质黏质土(3-4)、残积土(10-4)、铁质泥岩(16)，土石可挖性分级软土为Ⅰ级、局部为Ⅱ级，铁质泥岩为Ⅳ级，隧道穿越土体上部为软土，下部为软质岩，隧道部分洞身穿越淤泥质土，该地层具有软硬不均、透水性强、施工难度大等特点，而淤泥质土部分地段极易导致掌子面失去稳定性，造成塌方，并对同步注浆造成很多困难，洞顶1倍洞径范围内主要为淤泥质土(3-4)，洞顶稳定性差；隧道底板为泥灰岩，局部为灰岩，地基满足强度与变形要求。隧道围岩主要为Ⅰ和Ⅳ类，局部为Ⅱ类。

3 观测堤段监测设计

根据河堤实际情况及施工过程以及汛期水情特点，盾构穿越堤防前后，应加强对堤防结构的监测，实时掌握堤防的沉降变形情况，并根据监测实时调整优化盾构掘进参数。及时发现异常现象和可能危及堤防安全的不良因素，并根据其稳定性和安全评价结果研究是否采取抢险或加固措施，以确保堤防在该城市轨道交通施工期、运用期的安全。

城市轨道交通穿越河堤段隧道埋置很深，隧道顶与河堤顶高差约 20 m，隧道顶与河堤坡脚高差约 13 m。穿越处左右线隧洞间距为 15.2 m。为全面了解穿堤段堤防的安全状况，于穿越段左、右侧轴线两侧约 10 m的范围内共布置5个监测断面，即在左、右线中心轴线堤顶布置1个监测断面，并以其为中心，分别在左、右线轴线布设2个监测断面，然后在左、右线隧道外侧 10 m处布设断面，各断面分别计为0-0、L1-1、R1-1、L2-2和R2-2，监测断面平面布置如图2所示。

图2 河堤监测平面布置图

3.1 水平位移监测

水平位移监测采用测斜管进行监测，在0-0、L1-1、R1-1、L2-2和R2-2断面堤顶各布设1个测斜管，共计5个测斜管。各断面测斜管埋设参数如表1所示。

断面L1-1和R1-1测斜管最大深度按高于隧洞顶部 2 m～3 m控制，其他断面按低于隧道底部 2 m～3 m控制，采用活动测斜仪监测穿越段大堤堤身内各土层的水平位移[5]。

测斜管埋设参数 表1

3.2 垂直位移监测

(1)表面垂直位移监测

为了解穿堤后河堤的垂直位移变化情况，在0-0、L1-1、R1-1、L2-2和R2-2断面各布设5个垂直位移测点，即堤防迎水坡坡脚表面、坡腰表面、堤顶表面、背水坡坡腰表面和坡脚表面处各布置1个垂直位移测点，共计25个垂直位移测点，在工程影响范围以外安全、稳定的位置布设2个垂直位移基点。表面垂直位移[6]采用精密水准方法进行监测，呈矩阵式布设。

按规范要求，本工程应采用二等变形测量等级可以满足监测需要，变形点的高程中误差 ±0.5 mm，相邻变形点高差中误差 ±0.3 mm。

(2)深部垂直位移监测

在0-0、L2-2和R2-2断面背水坡坡腰与堤顶之间处布设多点位移计，监测大堤深部垂直位移，多点位移计采用5点式多点位移计，底部埋设至隧道底岩体内，各传感器间距一般为 3 m～7 m。地铁运行期间采用动态监测方法监测地铁通行时穿越段大堤各土层的垂直位移[7]。深部垂直位移监测孔共计3孔，传感器共计15支，各传感器埋设参数如表2所示。

多点位移计各传感器埋设参数 表2

监测布置典型断面(0-0断面)图，如图3所示。

图3监测布置典型断面(0-0断面)图

3.3 监测控制标准

沉降控制为盾构掘进引起的其前方上部土体隆起或下沉量控制值不大于 +10 mm和 -30 mm。监测实施工程中，应通过两个监测断面之间的空间对比分析，隧洞顶部断面的地下水位时序分析确认有无异常渗水情况发生。一旦发生异常渗水情况，应立即启动报警[9]，并立即采取应急措施，如监测到大堤沉降过大时，可采取地面灌浆，隧道内部二次注浆等措施。

4 观测成果分析

盾构施工前期只需对监测点施测3次，取得各监测点的初始测量值，城市轨道交通6月底右线穿越河堤，8月初左线穿越河堤。选取水平位移和垂直位移的监测数据进行分析，并对堤防安全性作出评价。

4.1 水平位移监测

CX0测孔位于0-0’堤顶，为主要监测断面的测孔，对河堤深部位移监测起到重要作用测孔之一。6月28日～6月30日右线盾构穿越河堤，在孔深 23.0 m处累计位移相对较大，为盾构隧道的中心位置，稳定后最大相对水平位移为 13.01 mm，8月1日～8月3日左线盾构穿越河堤，深度 20 m～27 m的曲线向左线这边偏移，穿越完成稳定后最大相对水平位移为 8.56 mm，左右线隧道中心0-0断面深层水平位移在右线穿越时，深度 20 m～27m的曲线向右线方向偏移，左线穿越时，受到左线土体扰动的影响，会向左线有一定幅度的偏移，最终趋于稳定。图4中偏向右线方向为正值，偏向左线方向为负值。

图4 CX0累计位移曲线

4.2 垂直位移监测

DB1-3、DB2-3、DB3-3、DB4-3、DB5-3分别位于河堤堤顶L2-2、L1-1、O-O、R2-2、R1-1断面的地表沉降监测点，对河堤垂直位移监测起到重要作用的监测点之一。6月28日～6月30日右线盾构穿越河堤，DB3-3、DB4-3、DB5-3累计沉降相对较大，稳定后最大累计沉降量为右线中线DB4-3监测点，累计沉降量为 26.3 mm，8月1日～8月3日左线盾构穿越河堤，左线中线处监测点累计沉降量变化较大，同时两条隧道的中心位置的监测点DB3-3也有一定幅度的变化，穿越完成稳定后最大累计沉降量为DB3-3监测点，累计沉降量为 36.4 mm，盾构推进时，盾构中心上方河堤地表沉降最大，向两侧递减，6月底右线穿越，右线中心上方DB4-3沉降量最大，远离隧道中心，累计沉降较小。8月初左线穿越，左线中心上方DB2-3沉降量最大，远离隧道中心的DB4-3和DB5-3趋于稳定，而隧道左右线的中心位置DB3-3因同时受到左线和右线盾构穿越的影响，表现出累计沉降量最大。8月中旬之后变形已趋于稳定，未见异常变化。图5中地表沉降记为正值，地表隆起记为负值。

图5 堤顶地表沉降点监测曲线

图6 0-0断面多点位移计监测曲线

在0-0断面背水坡坡腰与堤顶之间处布设多点位移计，监测大堤深部垂直位移，多点位移计采用5点式多点位移计，M0-01埋设至隧道底岩体内，之上M0-02、M0-03、M0-04、M0-05各传感器间距一般为 6 m～8 m。因受盾构隧道左右线穿越影响，变形主要区域在 20 m～27 m，变形曲线呈2个凹变形，盾构穿越地层为3-4淤泥质土，表明上部黏土整体可能受到盾构穿越产生变形，浅部而呈倾倒、下座变形，但在穿越深度以下受到周围岩体约束作用而扰动较小。深部垂直位移监测数据显示，扰动主要集中在盾构穿越上下 5 m范围内。图6中深部沉降记为正值，隆起记为负值。

结合以上分析可以看出：

在盾尾离开监测断面之前，地表位移相对较小，盾尾脱离后，沉降速度和沉降量徒增，在盾尾脱离3天后，地表稍有回弹，然后沉降速度出现转折，沉降速度明显变慢，之后沉降速度递减。一般认为，管片脱离盾尾初期，由于建筑空隙引起地层损失，会产生比较大的沉降；之后的沉降主要由扰动土体固结引起。

5 结论及建议

通过对盾构施工过程中穿越河堤的水平位移和沉降监测的分析研究得到如下结论：

(1)同一横向沉降观测断面，累计沉降量从隧道轴向位置向两侧逐渐减小，因左右线穿越时间相差一个月，所以两隧道中线O-O’断面累计沉降量最大，根据沉降分布曲线，受盾构机掘进施工影响，隧道轴线两侧 20 m范围内的堤基土体均受到相当程度的扰动。

(2)堤基土体深层水平位移最大值发生在隧道轴线高程附近，土体深层水平位移受盾尾注浆影响较大，而盾构机头掘进过程中，土体深层水平位移量较小。

(3)盾构推进的同时进行同步注浆和二次注浆加固地层，并可根据监测情况采用地面跟踪注浆。