宋曉宇，劉 濤，梁青槐

(北京交通大學，北京 100044)

1 工程概況

團城湖至第九水廠輸水工程是南水北調北京段配套工程的重要組成部分，一期工程第4標段(樁號4+183—8+066)始于龍背村，最終與關西莊泵站相接，在樁號4+960處下穿地鐵13號線清河高架橋，交角為83°。輸水隧道中心線距13號線高架橋的橋墩凈距分別為8.0 m、11.5 m，隧道結構與最近的樁的距離分別為5.27 m和8.76 m，隧道和高架橋的位置關系如圖1所示。13號線在該處為鋼筋混凝土箱型連續(xù)梁結構，梁長72.0 m，穿越工程兩側的22#橋墩和23#橋墩樁長分別為29.5 m和27.0 m，橋基為鉆孔灌注樁，基底在穿越區(qū)域的側下方。輸水隧洞采用盾構法施工，圓形斷面，盾構設備選用日本IHI制造的外徑6.14 m土壓平衡盾構機。外層襯砌承受外部荷載，為厚0.30 m拼裝預制鋼筋混凝土管片;內層襯砌承受內部水壓，為厚0.35 m現澆混凝土結構。輸水隧洞建成后內徑為4.70 m，外徑為6.00 m。隧道穿越段基本上為直線，隧道埋深10 m，穿越段長30 m。輸水隧道沿地面以下30 m深度范圍內土層主要為人工堆積層和第四紀沉積層，所在土層從上到下依次為雜填土、粉質黏土、細砂、礫砂、粉土、細砂和礫砂，隧道大部分在粉質黏土層和細砂層中，且主要在粉質黏土層中。

2 施工進度及監(jiān)測情況

圖1 輸水隧道與地鐵13號線位置(單位:高程為m，長度為 cm)

盾構機于2007年10月10日掘進到地鐵13號線清河高架橋附近，10月10日21時開始下穿施工，控制掘進速度為55～60 mm/min，10月11日凌晨3時完成穿越。穿越完成之后以平均每天30環(huán)(36 m)的速度進行掘進施工。根據穿越工程施工進度及工后變形發(fā)展情況，第三方監(jiān)測于2007年9月14日開始，到2008年10月14日結束。

盾構隧道下穿地鐵13號線清河高架橋的監(jiān)測對象為下穿影響范圍的高架線路及地表，具體監(jiān)測項目包括拱頂對應地表、21#～24#橋墩豎向位移、道床裂縫、軌道結構沉降、軌道結構幾何形位和無縫線路鋼軌位移。根據工程特點，在施工過程中采用自動和人工監(jiān)測兩種監(jiān)測手段。本文重點就穿越過程中上部地表沉降和橋墩豎向位移進行分析。

拱頂對應地表沉降和21#～24#橋墩豎向位移監(jiān)測采用精密水準測量方法?？刂凭W采用一等水準測量精度要求施測，觀測點采用二等水準測量精度要求施測，監(jiān)測精度為0.3 mm。下穿施工期間及施工結束后24 h內每2 h進行一次，之后每天觀測一次，再后根據變形的穩(wěn)定情況對監(jiān)測頻率進行調整。施工監(jiān)測按三級控制指標進行管理，分別為控制值、報警值和預警值。具體監(jiān)測項目的監(jiān)測精度和控制指標如表1所示。

拱頂對應地表沉降測點布置于盾構隧洞拱頂對應地表上，從拱頂中心對應地表位置向兩側15 m范圍內每5 m布設一地表測點，15～25 m范圍內每10 m布設一地表測點。布設3排地表測點，排間距為5 m，共布設27個地表測點，測點布置如圖2所示。

圖2 拱頂對應地表沉降監(jiān)測點布置

21#～24#橋墩豎向位移測點布設于橋墩的墩臺上，每個橋墩2個測點，共布設8個橋墩沉降監(jiān)測點，測點布置如圖3所示。

圖3 21#～24#橋墩豎向位移監(jiān)測點布置

3 監(jiān)測數據分析

3.1 拱頂對應地表沉降分析

拱頂對應地表第一、二、三排測點的沉降時程曲線分別如圖4、圖5和圖6所示，地表土體變形控制在(-0.4 mm，1.4 mm)，遠小于監(jiān)測預警值(±4.1 mm)，工法改進優(yōu)化和防護加固控制起到了較好的作用。

圖4 拱頂對應地表沉降時程曲線

圖5 拱頂對應地表沉降時程曲線

圖6 拱頂對應地表沉降時程曲線

由于總的變形量相對監(jiān)測精度較小，故測量誤差會導致變形曲線波動較大，但總體趨勢仍有一定的規(guī)律性。綜合拱頂對應地表三排測點沉降時程曲線的大致趨勢，可以按照盾構到達13號線高架橋影響區(qū)域的位置關系分為6個階段。

1)盾構未到達階段(9月28日到10月2日)。拱頂對應地表從9月28日開始監(jiān)測，到10月2日離下穿施工還有8 d，盾構機距離高架橋約290 m處時，三排測點沉降量分別達到(-0.1 mm，0.3 mm)、(0.2 mm，0.5 mm)、(0，0.4 mm)。這一階段盾構還未到達高架橋影響區(qū)域，拱頂對應地表沉降曲線相對平穩(wěn)，三排測點沉降曲線分別在(±0.3 mm)、(-0.1 mm，0.5 mm)和(-0.2 mm，0.4 mm)小幅波動。

2)盾構到達前階段(10月2日到10月3日)。10月3日離下穿施工還有1周，盾構機前進到距離高架橋約250 m，三排測點沉降量分別達到(-0.4 mm，0)、(-0.3 mm，0.1 mm)和(-0.4 mm，0.1 mm)。這一階段盾構開始進入高架橋影響區(qū)域，下穿施工造成土體輕微擾動，地表土體下沉相對未達到階段波動速度要快，尤其是最接近盾構機的第三排測點，但下沉量比較小。

3)盾構到達階段(10月 3日到 10月 7日)。10月7日離下穿施工還有3 d，盾構機距離高架橋約110 m，三排測點地表隆起分別達到(0.6 mm，1.2 mm)、(0.5 mm，1.4 mm)和(0.5 mm，1.3 mm)。這一階段盾構逼近高架橋影響區(qū)域，土體擾動進一步加劇，但盾構對土體的擠壓起到主導作用，拱頂對應地表隆起增長很快，隆起速度達到0.4 mm/d。

4)盾構下穿階段(10月7日到10月11日)。10月10日晚盾構下穿高架橋，11日凌晨完成穿越。這一階段拱頂對應地表隆起量小幅波動。盾構到達高架橋，土體擾動繼續(xù)加劇，但輸水隧道兩側雙排旋噴樁以及其他防護加固措施起到了有效的作用，抵消了盾構擠壓的部分影響，這一階段地表隆起分別在(0.6 mm，1.2 mm)、(0.5 mm，1.4 mm)和(0.5 mm，1.3 mm)波動。

5)盾構離開階段(10月11日到10月18日)。10月18日下穿施工完成已經1周，盾構距離高架橋約250 m，三排測點隆起量已經減小到(0，0.5 mm)、(0，0.7 mm)和(0.2 mm，0.7 mm)。這一階段土體開始以較慢的速度向下產生位移。盾構離開高架橋不遠，仍會造成土體擾動，而盾構推過后土體損失，新建隧道和周邊土體暫時未到達平衡狀態(tài)，地表下沉速度較快。

6)后續(xù)穩(wěn)定階段(10月18日到12月9日)。這一階段拱頂對應地表沉降逐漸趨于穩(wěn)定。盾構已遠離高架橋，而新建隧道和周邊土體逐步達到平衡狀態(tài)，地表變位逐步穩(wěn)定。

3.2 橋墩豎向位移分析

隧道兩側的22#～23#橋墩豎向位移時程曲線如圖7所示，監(jiān)測期間橋墩豎向位移控制在(-1 mm，1.1 mm)，小于監(jiān)測預警值(±2.0 mm)，控制措施效果明顯。

綜合22#～23#橋墩豎向位移時程曲線的大致趨勢，可以按照盾構到達13號線高架橋影響區(qū)域的位置關系分為5個階段:

1)盾構未到達階段(9月14日到9月 28日)。9月14日開始監(jiān)測，9月28日距下穿施工還有12 d，盾構機距離高架橋約440 m，橋墩豎向位移達到(-0.2 mm，0.1 mm)。這一階段盾構還未到達高架橋影響區(qū)域，橋墩豎向位移曲線相對平穩(wěn)，變形在(-0.6 mm，0.2 mm)小幅波動。

圖7 22#-23#橋墩豎向位移監(jiān)測點沉降時程曲線

2)盾構到達前階段(9月28日到10月3日)。這一階段橋墩快速下沉，10月3日橋墩豎向位移達到(-1.0 mm，-0.2 mm)。橋墩比地表提前進入前期到達前下沉階段，且下沉量相對較大，主要是因為承受列車動荷載的橋樁更容易感應到土體擾動，土體的輕微擾動致使橋梁樁周阻力減小，樁底分擔的支撐力增加，橋墩開始下沉。

3)盾構到達階段(10月3日到10月7日)。10月3日起橋墩快速上抬，10月7日橋墩豎向位移達到(0.6 mm，0.9 mm)。這一階段盾構到達高架橋影響區(qū)域，土體擾動進一步加劇，但盾構對土體的擠壓起到主導作用，帶動橋墩快速產生向上位移，橋墩豎向位移迅速由負轉正，隆起速度達到0.45 mm/d。

4)盾構下穿階段(10月7日到10月11日)。這一階段橋墩豎向位移小幅波動。盾構到達高架橋，土體擾動繼續(xù)加劇，但輸水隧道兩側雙排旋噴樁以及其他防護加固措施起到了有效的作用，抵消了盾構擠壓的部分影響，橋墩豎向位移在(0.3 mm，1.1 mm)波動。

5)盾構離開階段(10月11日到10月13日)。10月13日下穿施工完成已2 d，盾構遠離高架橋約70 m，橋墩豎向位移減小到(0.1 mm，0.5 mm)。這一階段橋墩產生向下位移，速度較快。盾構離開高架橋，盾構支撐作用消失，土體擾動起主要作用，樁周阻力繼續(xù)減小，橋墩產生向下位移。

6)后續(xù)穩(wěn)定階段(10月13日到12月9日)。這一階段橋墩豎向位移曲線逐步達到穩(wěn)定。橋墩豎向位移比地表提前進入后續(xù)穩(wěn)定階段，主要是因為土體擾動雖然依舊存在，但橋墩樁受力主要由樁阻力承擔，樁周阻力的減小不會使橋樁繼續(xù)下沉。橋墩豎向位移提前達到穩(wěn)定。

4 結論

1)暗涵下穿地鐵13號線清河高架橋期間，拱頂對應土體和橋墩豎向位移經歷了“未到達時穩(wěn)定、到達前下沉、盾構到達時快速隆起、下穿時小幅波動、下穿后緩慢下沉、后續(xù)穩(wěn)定”6個變形階段。

2)橋墩和地表土體有一定的連動作用，橋墩一般會隨著土體產生相應的位移，但不完全一致。前期橋墩比地表對土體擾動更敏感，輕微擾動就會產生向下位移。但橋墩也能更快地克服土體擾動，下穿后迅速達到平衡狀態(tài)，地表土體達到穩(wěn)定需要一個較長的過程。

3)下穿前14 d橋墩開始以較快的速度下沉，下穿前7 d幾乎達到最大，而土體沉降相對較小。下穿前7 d土體和橋墩開始迅速產生向上位移，2～3 d內隆起幾乎達到最大，然后一致持續(xù)到下穿完成。因此下穿前14 d(約400 m)就要開始關注橋梁結構的沉降情況，下穿前7 d(距離高架線約200 m)就要關注周邊土體和橋梁結構的隆起情況，并做好相應的防護作用。

4)輸水隧道兩側雙排旋噴樁的隔離防護作用極大地減少了下穿施工對土體和橋梁結構的影響，施工過程中及時地補注漿液減緩了盾構穿過后土體的下沉速度。穿越工程必須做到主動控制(優(yōu)化施工方法)和被動控制(防護加固)相結合。

［1］中華人民共和國建設部.GB 50157—2003 地鐵設計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［2］北京地鐵運營有限公司.北京地鐵工務維修規(guī)則(試行)［S］.北京:北京地鐵運營有限公司，2006.

［3］張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構隧道［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］陳亮，黃宏偉，王如路.近距離上部穿越對既有隧道沉降的影響分析［J］.土木工程學報，2006:83-87.

［5］潘海澤，蔣冰玉，石嶸，等.盾構施工地面沉降監(jiān)測技術在天津地區(qū)的應用研究［J］.鐵道建筑，2010(3):49-52.