斜交上跨地铁隧道基坑施工监测技术

于 峥

(中铁建大桥工程局集团第三工程有限公司,辽宁 沈阳 110000)

随着地铁工程建设逐渐完善,地铁对缓解城市交通压力作出了重要贡献[1],但地铁沿线附近建筑基坑施工过程对地铁隧道的影响仍是施工过程中的重要关注点[2-4]。基坑施工将对周围土体的应力和位移产生影响,进而导致既有的地铁隧道产生变形或位移,如果不能对地铁隧道变形进行有效控制,将对地铁运营安全与周边环境造成损害[5-6]。

目前已有部分学者针对地表建筑基坑对地铁隧道的影响进行了相关研究,何忠明等[7]对深基坑开挖及支护结构参数对地铁隧道的影响进行了有限元分析,发现基坑施工对地铁隧道水平位移与沉降影响显著,最大位移位于隧道进基坑侧中轴线中间位置,支撑刚度是影响地铁隧道变形的主要参数;王祖贤等[8]基于力法的基本原理提出了邻近车站的地铁隧道纵向变形响应解析法,并且通过有限元分析验证了该方法的可靠性,研究结果表明提出的解析模型对盾构隧道的纵向响应计算适用性较强;张航飞[9]通过有限元分析发现,基坑开挖对地铁隧道的影响与基坑底部和地铁隧道之间的距离相关,并且地铁隧道在基坑施工过程中的水平位移与垂直位移变化基本一致。

基于此,依托杭州大会展中心赭美路下穿隧道基坑施工项目,结合实际项目中的测量数据,可探寻下穿隧道基坑施工对下部地铁隧道的影响,提出基坑施工过程中的地铁隧道监测技术,为后续类似工程施工提供参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

杭州大会展中心项目一期赭美路下穿隧道位于会展中心一期地块以西,线路起于规划塘新路,止于规划南虹路。一期用地红线范围内隧道均为暗埋段,K0+387～K1+013暗埋段采用封闭矩形双孔框架结构,长度626 m,隧道采用明挖顺作法施工。赭美路隧道基坑红线外南侧、西侧及北侧北两侧隧道影响范围内为现状空地。赭美路下穿隧道于里程DK0+730～DK0+750以角度74°上跨已运营杭州地铁1号线大会展中心站至港城大道站盾构区间,基坑底距盾构隧道净距为5.1～5.2 m。项目位置为赭美路下穿隧道地铁保护区内。

赭美路隧道地铁保护范围内基坑东侧为在建杭州大会展中心项目一期工程地下室基坑,本项目基坑土方开挖前,东侧地下室结构顶板已施工完成。基坑南侧为赭美路隧道地铁保护区范围外基坑(距离隧道最近约82.6 m)。基坑西侧为现状空地,围护桩距离用地红线最近约3.58 m。基坑北侧为赭美路隧道共建段(距离隧道最近约为87.5 m)。1号线盾构隧道上方设有3条雨污水管线,南北两侧的雨水管线埋深约0.8 m,直径为400 mm;中间位置的污水管埋深约3.42 m,直径为800 mm。项目基坑南北向长约122 m,东西方向约29 m;基坑开挖面积为5 054 m2,支护结构延长约468 m。基坑地面平整后绝对标高取5.200 m,计算开挖深度按底板垫层底部计为7.676～8.100 m。

1.2 盾构隧道概况

地铁1号线盾构隧道已经施工完成,结构设计使用年限为100年;结构安全等级为一级。

区间隧道抗震设防烈度为6度,按7度采取抗震构造措施,抗震等级为3级;结构设计按6级人防验算;计算直径变形≤2%D(D为隧道外径);管片结构允许裂缝开展,但裂缝宽度≤0.2 mm;结构抗浮安全系数:施工阶段≥1.05,使用阶段≥1.10;盾构区间隧道防水等级为二级;下穿河流的隧道结构,设计水位一般按1/100的洪水频率标准进行设计,并按最高及最低水位进行验算;地下结构应满足防(火)灾要求,结构的耐火等级为一级;防水设计按要求为:在0.6 MPa外水压力下,环缝张开6 mm,纵缝张开6 mm时不渗漏。

自盾构隧道完工至2020年10月30日,大会展中心站至港城大道站区间,右线隧道道床最大沉降为-0.4 mm,最大隆起量为0.4 mm,最大变化速率为-0.01～0.01 mm/d;左线隧道最大沉降为-1.9 mm,最大变化速率为-0.03 mm/d。右线隧道最大累计收敛为-1.1 mm,左线隧道最大累计收敛为-1.1 mm。并且在上下隧道共发现9处渗水、水迹、裂缝、露筋等缺陷情况。

2 测点布置

监测位置为盾构隧道杭州大会展中心站至港城大道站上下行,K44+800(750环)～K44+912(655环),单线约112 m。监测方法分为自动化监测与人工复核监测,其中自动化监测包括道床沉降、道床轨道高差、道床水平位移、隧道水平收敛,人工复核监测包括道床沉降复核与隧道水平收敛复核。

2.1 基准点布置

对于深桩点,采用港城大道站的深桩基准点SK25,高程6.072 8 m;对于人工沉降基准点,根据《杭州地铁1号线和5号线长期运营监测工作基点》,采用港城大道站和杭州大会展中心站内稳定的基准点。自动化监测采用后视基准点,项目采用5台仪器串联方式合并测量,小里程端后视采用6个大棱镜,大里程端采用偏置棱镜,辅测站另行布设4个大棱镜备用。

实际布设需结合现场情况,可在满足测量要求的前提下进行小范围调整。布设时可在隧道结构上钻取合适孔位,将棱镜杆置于孔中,用植筋胶将孔、棱镜杆和控制点圆棱镜三者粘牢。在深桩点联测或人工沉降复核时发现后视棱镜所在位置竖向位移较大时,需根据联测数据选取稳定的位置重新布设后视棱镜。

2.2 人工监测测点布设

对于人工道床竖向位移监测点,布设间距为基坑正对隧道区域,为每6 m两断面,外扩区域每12 m一断面;通过在道床中间部位钻取合适孔位,孔内注入植筋胶后,将沉降钉敲入孔位内,并用喷漆做明显的标记。后视棱镜所在位置单独布设人工沉降监测点,用以检验后视棱镜所在区域的竖向变形情况。

对于隧道收敛监测点的布设,与人工道床竖向位移监测点相同,每个监测断面布设1对收敛监测点,在隧道两腰部采用油漆做好测量标识,在隧道管片两腰中部一侧设置“L”标志,另一侧设置“·”标志;利用激光测距仪测量两点间的距离,通过计算距离变化以求得管片收敛的数据。

若所在断面已存在长期运营监测测点,则必须使用长期运营监测测点;若不存在长期运营监测测点,则单独布设人工沉降测点,但需异于长期运营监测测点,人工监测点布设与自动化监测点布设应对应,以保证数据复核的可对比性与准确性。

2.3 自动化监测测点布设

自动化监测测点布设间距与人工测点相同,监测点采用L型小棱镜,布设在盾构管壁两腰及道床两侧,一个断面共布设4个棱镜;与全站仪在同侧管壁的棱镜布设时,棱镜和仪器总体应呈V形或∧形分布,并根据现场管道、标志和配电箱等的位置错开棱镜,以防出现小视场角的情况;道床棱镜布设尽量避开人员行走区域,避免人员触碰导致测点失准;所有监测点布置应满足限界要求。

3 监测方法

3.1 人工监测方法

人工沉降复核采用的测量仪器为天宝DINI03水准仪,水准路线采用上下行两段单程附合:从大会展站下行线基准点JD05(JD03)起测,同时联测JD06、JD07(JD02、JD01)。采用二等水准控制水准线路,测至监测范围后,采用中间点测量后视棱镜及监测断面处人工沉降点。最后测至港城大道站基准点JD03(JD04),同时联测JD01、JD02(JD05、JD06)。后续复核水准路线应与初始值测量时保持一致,减少路线差异对测量数据的影响。每半个月需对仪器i角进行检验校准,i角应满足国家二等水准测量要求,即<15＂。观测时应在水准路线上标定尺、站位置,以保持每期观测的一致性。

每次测量完毕后,应立即导出测量原始数据,利用仪器自带平差软件对测量原始数据平差,得到平差后的精确高程,计算同一测点后、前两次所测高程的差值即为该测点在这一段时间内高程变化量。设t1时的观测值为S1,t2时的观测值为S2,则沉降变量△S=S2-S1,沉降速率△V(t)=△S/△t,其中:△t=t2-t1。测点破坏重新布设后,为保证数据的衔接,需在所测得高程变化量上叠加原相应点位累计沉降量,同时要参考相邻断面监测点在破坏期间的沉降量加以修正。

收敛监测仪器采用徕卡D3a型激光测距仪,通过测距仪测量两点间的距离,为了减小误差,每次应测3次取平均值作为本次测量结果。计算后、前两次所测距离的差值即为该对测点在这一段时间内的净空收敛值。设t1时的观测值为L1,t2时的观测值为L2,则收敛值△L=L2-L1,收敛速率△V(t)=△L/△t,△t=t2-t1。

3.2 自动化监测方法

自动化监测系统由TM50全站仪、基准点、偏置点、监测点、GPRS通讯模块、GeoMoS监测软件及现场IT设备组成。自动化监测系统采用独立坐标系,整个控制网的网型须科学,结构要合理。控制基准点一定要布设在不易产生结构变形的位置,所有基准点的布置应避开设备并满足限界要求,布置时须避开隧道内电线电缆、接触网等设施,并且工务推车等不易碰触的地方。初始观测时,首先假设一测站坐标,以平行于基坑边线方向作为北方向进行方位定向。然后依次在五个测站上用全圆观测法测量两次,得到测站、基准点、偏置点之间的角度和距离,最后通过Cosa平差软件结算得到各点的初始值坐标。项目监测区域全长约140 m,根据保护区内监测范围、通视条件及测量精度分析,工程中在上下行各布设1台全站仪进行监测,MJS加固期间增加辅测站进行加密监测。为了保证监测精度,全站仪布设时需充分考虑测站与控制点的位置关系。现场布设时可按实际情况小范围调整位置。仪器架设位置需布设固定支架,支架通过膨胀螺丝固定在管壁上,将仪器安装在支架上进行观测。

自动化监测过程首先需要测量平差点组里面的基准点和偏置点,随后从SQL数据库中获取平差点组数据并发送到“GeoMos监测自动平差助手”软件中,使用“GeoMos监测自动平差助手”软件复核导线平差,然后将平差后准确的坐标数据返还到SQL数据库中,至此,GeoMoS已经获得了监测区间中测站和偏置点的准确坐标。随后进行测站定向,将两边全站仪选择一侧任一基准点进行定向,中间全站仪选择任一相邻的偏置点进行定向。定向完成后,即可开始监测点组的测量。自动监测系统从安装调试运行开始,进行全天24 h连续监测,系统将后期监测数据与初始值进行对比,计算出每个测点的位移变量。系统经过一段时间的运行,通过GeoMoS全站仪变形监测软件生成这段时间的监测点的位移表,当监测点出现超限情况,系统会自动进行短消息或者以电子邮件形式发送报警信息。

4 监测结果

图1～图4为通过监测技术测得的施工过程中盾构隧道典型断面的道床沉降、水平位移、水平收敛和轨道高差情况。

SCJ3(730)—730环上行线沉降测点3;XCJ3(730)—730环下行线沉降测点3。

由图1可以看出,基坑施工过程对盾构隧道典型断面道床沉降影响显著,分析施工全过程的道床沉降响应情况可以看出,道床沉降随施工进程的不断推进整体波动较为明显。截至监测结束,680环下行线道床沉降最大,为5.0 mm,680环上行线道床沉降最小,为1.3 mm,由此可以看出,同一环的上下行线监测数据仍有可能相差较大,分析原因,对于盾构隧道而言,在承受顶部荷载的情况下,因侧面土压力的不同将会导致隧道顶部和底部位移情况有所不同,因此上行线与下行线道床沉降结果具有较大差异。同时由图1还可以看出在施工时间为150 d左右时,道床沉降有较为明显的突变,这是因为在该时间段有较重的施工设备进场,盾构隧道顶部荷载明显增大所导致。

由图2可以看出,基坑施工对680环上部水平位移影响最为显著,截至监测结束,680环上行线水平位移为7.0 mm,结合图1的分析结果可知,680环上行线沉降量较少,水平位移较为明显,产生该现象的原因主要是下部土体应力的变化不如上部显著,导致680环上行线在水平上有较大位移,而垂直方向则位移较小。

SWY3(730)—730环上行线水平位移测点3;XWY3(730)—730环下行线水平位移测点3。

由图3可知,基坑施工对680环截面的水平收敛影响较为明显,上行线水平收敛较大,为13.9 mm,下行线水平收敛较小,为8.8 mm,导致该现象的原因与图2中的分析结果一致,主要原因为上部土体应力变化较为显著。

SSL3(730)—730环上行线水平收敛测点3;XSL3(730)—730环下行线水平收敛测点3。

由图4可知,基坑施工对地铁隧道轨道高差影响相对较小,截至监测结束,监测的所有截面轨道高差不足1 mm。基于以上对监测结果的分析发现,施工过程对盾构隧道轨道高差影响较小,对沉降、水平位移和水平收敛影响相对显著,并且距离施工地点较近的680环受施工的影响要明显大于其他截面,应列为重点关注截面。

SGC3(730)—730环上行线轨道高差测点3;XGC3(730)—730环下行线轨道高差测点3。

5 结 论

地铁的飞速发展对缓解城市交通压力具有重要意义,地铁周边的建筑在基坑施工过程中需要考虑到对盾构隧道结构安全的影响,通过提出的整套监测技术可有效地实时监测因基坑施工对盾构隧道产生的变形情况。通过分析监测结果发现,距离施工现场较近的680环处的各项监测位移均为最大,道床沉降为5.0 mm,水平位移为7.0 mm,水平收敛为13.9 mm,可见基坑施工对盾构隧道道床沉降、水平位移和水平收敛的影响均较为显著。对轨道高差影响则相对较小,总体不超过1 mm。通过监测技术实时监测隧道变形情况,调整施工进度与流程是极为必要的,可有效保障施工过程中的盾构隧道结构安全。