城轨交通隧道穿越海底风化段施工支护结构变形监测分析

赵 军

（华设设计集团股份有限公司，江苏南京 210014）

1 引言

随着国民经济的快速增长，城市轨道交通已成为人们日常出行的重要交通工具，其周边环境复杂，建设难度大，并且要求不影响地面及周边建筑物的安全。为此，城市轨道交通建设运营过程中需要做好全方位的安全监测工作。基于此，城市轨道交通监测技术和方法也在不断发展、创新，旨在通过不同手段及时获取有效、可靠的监测数据，为城市轨道交通的安全建设和运营保驾护航。李新文等[1]分析验证了三维激光扫描技术在隧道收敛监测中的精度与可靠性；陈伟等[2]对隧道自动化变形监测技术进行了研究；唐民[3]对大断面黄土隧道变形规律及预留变形量进行了研究；田洪雷[4]利用三角高程测量对隧道拱顶进行监测。本文以某城市轨道交通矿山法过海隧道为背景，对其下穿不同地层时围岩变形规律进行试验分析。

2 工程概况

某城市轨道交通3号线某区间穿越海底隧道，区间结构最小覆土12.5 m，最大覆土40 m。区间右线全长 4  908.717  m，其中土压平衡盾构段长 869.858  m，矿 山 法 施 工 段 长 2  596.531  m， 泥 水 平 衡 盾 构 段 长1  421.928  m；左线全长 4  918.809  m，其中土压平衡盾构段长 871.019  m，矿山法施工段长 2  610.172  m，泥水平衡盾构段长 1  417.218  m。矿山法隧道结构为复合式衬砌结构，采用拱形断面，设置仰拱，隧洞宽度6.0 m（不计衬砌宽度）。矿山法段区间线路情况如图1所示。

图1 矿山法段线路情况示意图

勘察资料显示，海域段发育有高角度破碎或节理裂隙密集带。由于节理裂隙的导水作用，加剧了节理裂隙密集带及其附近岩体的风化作用，形成风化深槽。物探揭示有F1、F2、F3、F4、f1、f2、f3、f4等8个风化深槽，其中f1、f2、f3、f4风化深槽与线位大角度相交，风化深槽内发育花岗闪长岩全强风化带。

场区地表水主要为海水。根据地下水含水层所处平面位置及性质，场区地下水可分为陆域地下水和海域地下水2段。分布于陆域范围内地层中的地下水，据其赋存形式分为松散岩类孔隙水、风化残积孔隙裂隙水、基岩裂隙水3种。海域地下水据其赋存形式分为松散岩类孔隙水、风化残积孔隙裂隙水及基岩裂隙水3种。

风化槽段施工方法主要采用上中下三台阶预留核心土法，本文以矿山法始发段区域的F4风化槽段及非风化槽段的隧道初期支护结构为对象，进行监测数据分析。

3 隧道初期支护结构变形监测分析

3.1 监测项目及测点布设

矿山法隧道初期支护结构监测项目包括拱顶沉降和净空收敛2项，如图2所示，在格栅钢架立完和喷射混凝土后随即进行测点布设。测点由钢筋加工而成，埋入钢筋采用Φ20  mm的螺纹钢筋，采用冲击电锤或风钻钻孔，用水泥或锚固剂与围岩锚固稳定。埋入钢筋外端头与Φ6  mm加工成的三角形钩焊接，三角形框上焊接3  mm厚钢板，在钢板上粘贴反光片组成监控量测点。

图2 拱顶沉降及净空收敛测点示意图

隧道监测断面根据围岩级别确定：Ⅴ级围岩（风化槽段）5 m设置1个断面，Ⅳ级围岩段10 m设置1个断面，Ⅲ级围岩15 m设置1个断面。监测断面及测点点布置示意图如图3所示。

图3 监测断面及测点布置示意图

3.2 监测方法及控制指标

监测方法采用全站仪自由设站非接触监控量测方法进行测量，在利用相对坐标系的基础上，为提高

观测精度，每个测点测3个测回，取3次测量平均值作为本次测值，将其与初始值或上次测值相比较，从而求算出每次净空收敛和拱顶沉降的累计或本次变化量。

依据 GB 50911-2013《城市轨道交通工程监测技术规范》、区间施工设计图纸等相关文件要求，各监测项目控制值如表1所示。

表1 监测控制值表

3.3 初期支护结构变形分析

3.3.1 风化槽段

以左线隧道为研究对象，对隧道开挖过程中F4风化槽段初期支护结构的拱顶沉降及净空收敛变形情况进行分析。左线隧道净空收敛变化曲线如图4、图5所示，左线隧道拱顶沉降变化曲线如图6所示。

（1）从图4、图5可见，随着隧道的开挖推进，初期支护变形随之增大，各收敛点的变化趋势基本一致，收敛值的大小各有差异。由于隧道处于F4风化深槽段地质段，围岩强度和完整性较差，属于破碎、散体状强风化花岗闪长岩，所以各测点的累计变化量均超过了设计控制指标，其中图5中测点LJKJ-6最大净空收敛值达到了-139.42  mm，远超控制值，但施工预留了200  mm的预变形量，因此仍可保证隧道净空间距满足设计要求。

图5 左线隧道净空收敛变化曲线（测点LJKJ-6~LJKJ-10）

（2）图4中测点LJKJ-3曲线中可以明显看出其突变情况：2017年11月7日累计净空收敛变形为-7.85  mm，11月9日时达到-19.58  mm，11月10日突变为-38.3  mm，11月11日继续增加至 -52.32  mm，4 天的变化量为 -44.47  mm，变化速率达到了-11.12 mm /天，为此，采取相应的措施后，隧道净空收敛变化量后期的发展趋于稳定。

图4 左线隧道净空收敛变化曲线（测点LJKJ-1~LJK-5）

（3）从图6可见，随着隧道开挖，初期支护变形随之增大。其中，测点LGDC-6最大拱顶沉降值达到了-77.22 mm，分析原因主要是：该处地层条件稳定性较差，且初期支护仰拱未能及时封闭成环，上覆土层对支护结构产生的压力较大，加之右线管棚加固施工，对左线也有一定的影响。

图6 左线隧道拱顶沉降变化曲线（测点LGDC-1~ LGDC-6）

为此，需采取相应的应对措施，如及时停止开挖，按方案要求闭合初期支护仰拱，保留相应的安全步距，同时停止右线的管棚加固施工，直至各测点拱顶沉降值逐渐趋于稳定。

3.3.2 非风化槽段

为进行对比分析，以围岩等级较好的非风化槽段（Ⅲ级围岩区段）为研究区域，其对应的左线隧道净空收敛累计值随时间变化的曲线图如图7所示，左线隧道拱顶沉降累计量变化曲线如图8所示。

图8 左线隧道拱顶沉降累计量变化曲线（LJKJ-41~ LJKJ-48）

（1）从图7可见，相对于围岩较差的风化槽段，随着围岩等级增加，隧道开挖初期支护变形随之减小，初期支护结构净空收敛累计量有显著的降低，最大值点为测点LJKJ-42，对应的变化量为-12.36 mm，略超控制值，其余各测点基本稳定在控制值范围之内，且无较大突变现象，说明随着围岩等级提高，初期支护结构变形量显著减小，稳定性提高。

图7 左线隧道净空收敛变化曲线（测点LJKJ-41~ LJKJ-48）

（2）从图8拱顶沉降累计变化曲线可见，同净空收敛变化相似，各测点拱顶沉降累计值均在控制值范围内，且变化曲线较为平缓，未出现突变等情况。

3.3.3 风化槽段与非风化槽段对比

以上试验分析表明，风化槽段的初期支护结构变形较大，隧道变形容易突增，累计变化量和变化速率均较大，不同断面的最大值也存在一定的差异性，施工过程中存在一定的安全风险；非风化槽段的初期支护结构变形量有显著减小，监测数据基本位于控制值范围内，并且不同断面的曲线发展变化情况相似，初期支护结构稳定性较高。

4 初期支护结构变形控制措施

风化深槽段施工风险较大，为确保施工安全，需采取必要的措施减小初期支护结构变形，在施工过程中，主要采取的控制措施如下：

（1）初期支护及时闭合或及时施作临时初期支护仰拱；

（2）隧道内净空收敛较大，需采取加横向支撑的方式进行稳固；

（3）左、右线同时施工，右线注浆须严格按方案进行施工，采取左、右线错开注浆，同时，必须注意对左线初期支护的影响；

（4）注浆过程中须适当减小注浆压力，若各数据仍持续异常增长，须采取间歇方式进行注浆。

5 结论与建议

（1）隧道穿越风化深槽段初期支护结构变形较大，该区段范围内拱顶沉降和净空收敛累计变化量均远远超过设计给定的控制值，施工过程中需做好变形预防及控制措施，减小施工风险和隧道侵限量，密切关注监测数据变化情况。

（2）相比于风化槽段的初期支护结构变形较大，非风化槽段的初期支护结构变形量有了显著减小，监测数据基本位于控制值范围内，初期支护结构稳定性有所提高。

（3）穿越风化槽段的施工过程中，初期支护仰拱应及时封闭成环，减少围岩变形。

（4）不同围岩等级，初期支护结构变形差异明显，穿越风化深槽段施工过程中应注意严格控制循环开挖进尺，保留安全步距，确保隧道在安全状态下稳步推进。