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1、1地铁盾构隧道下穿公路隧道安全监控的 研究摘要: 结合南京地铁一号线一区间盾构隧道下穿公路隧道的具体工程实践, 探讨了两种不同类型隧道互交穿越的施工监测技术, 根据影响安全的各因素, 采取可行的监测方案, 分析了盾构穿越公路隧道过程中监测数据的变化规律, 用于指导实践, 保证了隧道结构和周边环境的安全, 获得满意的结果。为同类型工程积累了经验。 关键词: 盾构隧道; 公路隧道; 下穿; 安全监控中1 工程概况南京地铁与玄武湖公路隧道为南京市政两大重点项目, 地铁一号线盾构施工隧道(左、右线) 与玄武湖公路隧道在新模范马路与中央路的丁字路口立体交叉, 公路隧道在地铁隧道的上方, 并先于地铁隧道施
2、工。两条隧道互交处的最小净距右线为 11004m , 左线为 11053m , 因此, 在盾构机穿越公路隧道下方的施工过程中, 安全监控成为确保两隧道结构安全的一项重要工作。盾构机穿越地层为粘土性地层, 有淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉土等, 土质不均, 土质较差。围岩划分为 类, 地下水主要为孔隙潜水与弱承压水, 采用土压平衡式盾构掘进。玄武湖公路隧道采用明挖顺做法施工, 围护结构采用 SMW 法工法, 主体结构为钢筋砼箱体结构, 底板为 850mm 厚钢筋砼, 垫层为 200mm 厚素砼, 并沿公路隧道纵向设抗拔桩, 主体结构仅先于地铁隧道 2 月完成施工, 并预留了极小的盾构穿越空间。2
3、安全监控方案2为保证盾构的安全通过和公路隧道的安全, 根据可能出现影响安全的因素, 选择布置适当的监控方案, 使其能客观地反映盾构通过公路隧道时的安全状况。211 监测内容及测点的布置对盾构隧道进行管片衬砌沉降和收敛监测, 同时对公路隧道进行底板隆沉、隧道净空收敛监测及围岩压力测试。其中管片变形点布置在盾构左右隧道轴线与公路隧道上行、下行隧道中线相交处的断面上; 考虑到盾构引起的地表沉降槽呈正态曲线分布2 , 盾构隧道上方沉降量大, 向两侧逐渐减小, 因此布置成如图 1 (a) 所示的公路隧道底板隆沉点; 在公路隧道上行、下行隧道内沿盾构左右线隧道轴线布设公路隧道净空收敛点; 在公路隧道与盾构
4、隧道交叉处埋设 6 个土体压力测点, 布置于垫层与土体之间。所有测点如图 1 所示。(a) (b)图 1 监测点布置图212 监测频率及预警盾构机通常的平均掘进速度为每天 12m , 在下穿公路隧道时放缓速度, 约每天 8m 。盾构机接近公路隧道 60m 前开始初测并按照规范要求的频率进行观测, 通过时每 6 小时测量一次。同时当监测值累积变化接近或超过报警值时, 加大监测频率。预警值按照 级监测管理3 来确定, 即将控制值的三分之二作为警告值, 控制值的三分之一作为基准值, 将警告值和控制值之间称为警告范围, 实测值落在此范围, 应提出警告, 需要调整施工参数、采取施工对策; 警告值和基准值
5、之间称为注意范围; 实测值落在基准值以下, 说明两隧道和围岩3是稳定的。同时利用变化速率作为辅助监测基准。213 控制措施。为减小盾构施工对玄武湖公路隧道的影响, 在施工中应尽可能地减小对周围土体的扰动和地表沉降, 关键技术是保持盾构开挖面的稳定和管片脱出盾尾后建筑空隙。盾构开挖面的稳定可以通过优化掘进参数来控制, 其重要参数有三个: 正面压力、推进速度和出土控制。在盾构还未到达公路隧道的掘进过程中, 通过地表沉降曲线进行实测反馈, 以验证选择施工参数的合理性或据以调整优化施工参数。在通过公路隧道时减小正面压力, 放慢推进速度, 加快出渣速度能达到降低地表隆起的目的; 相反, 采取提高正面压力
6、, 加快推进速度, 减少出渣量, 能起到控制沉降的目的, 这样能够保证公路隧道路面的稳定。建筑的空隙的充填则采取同步与二次注浆。在盾构掘进过程中, 尽快在脱出盾尾后环形建筑空隙中充填足量的浆液进行同步注浆。二次注浆是弥补同步注浆的不足, 减小沉降的有效辅助手段, 在盾构下穿公路隧道时, 以达到控制地表沉降的目的。盾构通过后, 根据实时监测结果及时控制固结沉降, 在管片衬砌后实施跟踪回填与固结注浆, 尤其是对拱部 120范围内进行地层的固结注浆, 最大程度地保证公路隧道和盾构隧道的稳定。同时注意盾构姿态的控制, 在盾构推进和管片拼装时确保姿态不后退、不变向、不变坡, 保持连续均衡的施工。并且在公
7、路隧道与盾构隧道互交处, 加载垫层, 沿玄武湖隧道纵向设抗拔桩。3 实测情况分析盾构左线于 2002 年 5 月 16 日至 19 日完成公路隧道段的施工。在盾构机接近公路隧道 60m 到远离公路隧道 100m 这一阶段, 连续对监测项目进行跟踪监测分析。(1) 土压力分析图 2 是盾构机左线穿越公路隧道时, 土压力的变化情况。4图 2 土压力变化曲线土压力的变化规律与盾构施工进程相对应, 土压变化规律比较明显, 主要有以下特点: 1) 右线土压力(Y4 、Y5 、Y6) 基本没有变化, 说明盾构掘进影响范围比较小, 右线上方土压力比较正常, 土体没有发生大的扰动。2) 从左线土压力(Y1 、
8、Y2 、Y3) 的变化情况来看, 盾构推进对左线上方土体有挤压作用。盾构切口前方土压略有下降(主要是泡沫影响所致), 但数值比较小; 盾构切口到达时与盾构土仓顶部压力基本一致。3) 盾尾到达时土压上升(主要受同步注浆影响), 盾尾通过后土压开始下降, 最终稳定但仍比掘进前略大。土压下降是浆液固结收缩所致, 总体上同步注浆对地层有压密作用。4) 图 2 还反映出在盾构到达后, 土压力不断增加, 平均大约增加 0106MPa , 随后又减少了大约 0104MPa 。说明盾构在推进时对周围主体产生挤压, 使压力增加, 而后产生弹性恢复, 压力减小。压力经历了减小增大减小的动态变化后, 其间使公路隧道
9、和盾构隧道的受力发生变化, 控制不好会影响两隧道的安全。(2) 公路隧道底板沉降从 4 月 25 日开始对玄武湖公路隧道底板开始跟踪监测, 到 5 月 23 日盾构已经完全穿出一段距离后, 公路隧道南北线 29 个监测点最大隆沉值为 119mm , 最小值 011mm , 未影响公路隧道的安全。为分析盾构推进对公路隧道底板影响规律, 分别绘制公路隧道方向(南线) 沉降在不同时间段内的变化曲线图, 以及典型点随时间变化的曲线图(图 3 , 图 4) 。5图 3 南线公路隧道底板各时段沉降曲线图 4 典型地表点随时间变化曲线分析图 3 、图 4 可以得到以下结论: 1) 盾构未到达公路隧道时, 地
10、表有比较大的沉降量, 最大沉降量为 116mm , 说明盾构正面对土体的推应力小于原始侧向地应力。而且其沉降量曲线与累积沉降量曲线很接近, 说明这一阶段的沉降量是通过公路隧道时主要沉降段。2) 盾构通过时, 地表有隆起的现象, 最大值仅为 017mm , 由于盾构切口到达时与盾构土仓顶部压力基本一致, 微量隆起跟强注浆量有关。同时没有出现大的隆起说明抗拔桩起到了抗拔的作用。3) 盾构通过后, 公路隧道地表有微小的沉降, 其中 S1 -1 , S2 -1 处于抗拔桩外沉降明显。4) 分析典型点沉降过程, 盾构到达前的沉降量占到总沉降量的 95 % 以上, 速率为 0108mmd。而通过时的隆起抵
11、消了通过后由于土体的固结引起的沉降。 5) 监测数据显示, 当覆土厚度不够时, 加载垫层和抗拔桩是有效的措施之一, 能很好地控制地表的隆沉。(3) 管片沉降及隧道收敛监测数据显示公路隧道的净空收敛最大变化量为 0187mm 。同时根据对地铁管片连续的跟踪监测表明, 相交处地铁隧道最大累积收敛为 1148mm , 最大累积沉降为 0170mm 。考虑到读数的误差, 可以认定在穿越玄武湖公路隧道期间, 公路隧道没有受到大的影响; 完全穿越后地铁管片的沉降以及收敛在控制范围内, 说明公路隧道已经趋于稳定, 盾构隧道安全穿越公路隧道。64 结论(1) 监测数据表明在盾构隧道穿越公路隧道期间, 盾构的各
12、种参数设置比较适当, 在推进速度较快(约 60mmmin) 的情况下, 保证了公路隧道的稳定; 同时为右线盾构隧道的再次穿越积累了经验。 (2) 地铁隧道与不同类型的隧道互交并且采用土压平衡盾构施工, 当覆土厚度不够时, 可加载垫层和设置抗拔桩。监测结果表明一些变形数值远远小于控制值。在覆土最小仅为 11004m 的状态下, 盾构机安全穿越公路隧道, 为以后同类型工程积累宝贵的经验。 (3) 在盾构推进时, 须加强周边环境的监测, 根据实际情况来调整盾构推进参数, 控制地表沉降, 保证相交隧道的安全有着重要的作用。参考文献 1 唐益群等. 上海地铁盾构施工引起地面沉降原因分析研究 2 张庆贺等. 盾构推进引起土体扰动理论分析与试验研究 3 岩土工程监测规范. 北京: 中国计划出版社, 996.
