武圓月,龔潔英
(北京城建勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,北京 100101)
北京地鐵10號線草橋站至紀(jì)家廟站區(qū)間盾構(gòu)隧道施工監(jiān)測與分析
武圓月,龔潔英
(北京城建勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,北京 100101)
北京地鐵10號線2期工程草橋站—紀(jì)家廟站區(qū)間屬盾構(gòu)法施工區(qū)間,該區(qū)間地下管線多,管徑大,覆土深,內(nèi)壓大,水文地質(zhì)、工程自身及周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)極大。對盾構(gòu)隧道施工過程中的地表、管線、建(構(gòu))筑物沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,探討了盾構(gòu)施工過程沉降槽分布形式、沉降隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律及其影響范圍和程度。結(jié)合實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了砂卵石地層盾構(gòu)通過時(shí)地表沉降變形的特點(diǎn),可供類似工程參考。
地鐵 盾構(gòu)隧道 砂卵石地層 沉降變形規(guī)律
北京地鐵10號線二期工程草橋站—紀(jì)家廟站區(qū)間,采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間出紀(jì)家廟站后,沿規(guī)劃的紀(jì)家廟二號路向東,依次穿越京九鐵路和京滬高鐵、玉泉營建材市場、東方家園建材市場,再向東北穿越北京花鄉(xiāng)花卉市場、京開高速和馬草河,在草橋南街口處略向右彎,然后一直向東到達(dá)草橋站。
區(qū)間里程為K37+572.000—K38+904.338,長度1 332.338 m。該區(qū)間地下管線非常復(fù)雜,主要集中在石榴莊路下方、京開高速兩側(cè)及張新路和紀(jì)家廟路口之間,管線多,管徑大,覆土深,內(nèi)壓大。
施工順序?yàn)?從紀(jì)家廟站盾構(gòu)始發(fā),由西向東推進(jìn),在草橋站接收。草橋站—紀(jì)家廟站區(qū)間工程位置平面示意圖如圖1所示。
圖1 草橋站—紀(jì)家廟站區(qū)間工程位置平面示意
1)區(qū)間主體結(jié)構(gòu)穿過圍巖主要為新近沉積卵石、圓礫③層、新近沉積細(xì)中砂③2層、卵石④層、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土④1層、細(xì)中砂④2層,屬Ⅵ級圍巖。由于隧道穿過的地層局部不均勻,給盾構(gòu)施工地表沉降控制帶來難度,因此應(yīng)加強(qiáng)對地表沉陷及隆起的監(jiān)測。
2)本區(qū)間左、右線在里程 K37+820—K37+850段下穿馬草河,馬草河常年有水,水深約2.0 m。河底為混凝土方磚,有淤泥,區(qū)間結(jié)構(gòu)頂板距離河底部凈距為8~9 m。盾構(gòu)施工對河底地層擾動過大,會引起隧道內(nèi)涌水。在盾構(gòu)通過河道時(shí),要加強(qiáng)對兩岸河堤的現(xiàn)場監(jiān)測。
3)本區(qū)間左右線在里程K37+900—K37+970段下穿京開高速主輔路。京開高速為城市道路骨干網(wǎng)絡(luò),交通流量大,如盾構(gòu)施工引起較大的隆起、沉降或異常沉陷,會影響正常交通。因此,盾構(gòu)通過前后要加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)測和巡視。
4)本區(qū)間在京開高速公路兩側(cè)輔路下方管線密集,管徑大,覆土深,內(nèi)壓大,對隧道施工引起的隆起和沉降敏感,監(jiān)測中應(yīng)注意加大對地下管線的監(jiān)測頻率,尤其是雨水、污水、上水管線。
5)區(qū)間下穿玉泉營和東方家園建材市場,連續(xù)穿越市場范圍約240 m。建材市場多為1~3層,基礎(chǔ)抗傾斜、抗裂能力差,建材市場為大空間框架結(jié)構(gòu)建筑,對差異沉降敏感。營業(yè)場地周邊人員和車輛密集,給監(jiān)測工作增加了難度。因此,在盾構(gòu)機(jī)通過建材城施工過程中,監(jiān)控量測工作是本工程的重點(diǎn)。
1)在盾構(gòu)施工期間,對盾構(gòu)區(qū)間周邊環(huán)境和工程自身關(guān)鍵部位實(shí)施監(jiān)測,掌握周邊環(huán)境和工程自身是否處于安全狀態(tài),驗(yàn)證施工方的監(jiān)測數(shù)據(jù),為建設(shè)單位、監(jiān)理、設(shè)計(jì)、施工單位提供參考數(shù)據(jù)。
2)通過現(xiàn)場監(jiān)測和安全狀態(tài)預(yù)警,較全面地掌握工程施工安全控制程度,為信息管理平臺提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對施工過程實(shí)施全面監(jiān)控和有效控制管理。
現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容包括地表沉降、管線沉降、建(構(gòu))筑物沉降等。監(jiān)測頻率:掘進(jìn)面距監(jiān)測斷面前后的距離L≤20 m時(shí),1次/d;20<L≤50 m時(shí),1次/2 d;L>50 m時(shí),1次/7 d。經(jīng)數(shù)據(jù)分析確認(rèn)達(dá)到基本穩(wěn)定后,1 次/月。
草橋—紀(jì)家廟區(qū)間地表沉降最終累計(jì)值范圍為+1.2~-50.4 mm,其中累計(jì)沉降值最大點(diǎn)為DB-42-02(-50.4 mm),該測點(diǎn)位于鎮(zhèn)國寺北街 K37+620處。區(qū)間盾構(gòu)從紀(jì)家廟始發(fā),到草橋站接收,共有11個(gè)道路及地表沉降監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)變形值超過預(yù)警值(21.0 mm),2個(gè)地表測點(diǎn)累計(jì)變形值超過報(bào)警值(25.5 mm),達(dá)到黃色監(jiān)測預(yù)警等級;1個(gè)地表測點(diǎn)累計(jì)變形值超過控制值(30.0 mm),達(dá)到橙色監(jiān)測預(yù)警等級。
1)2011年12月12日開始對馬草河西側(cè)地表斷面沉降測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測,至14日,盾構(gòu)區(qū)間右線掘進(jìn)至地表監(jiān)測點(diǎn)受影響區(qū)域,測點(diǎn)DB-34-02和DB-34-04發(fā)生沉降,沉降量較小。從15日至18日,盾構(gòu)右線掘進(jìn)出地表測點(diǎn)影響區(qū)域,右線中間上方測點(diǎn)DB-34-02連續(xù)發(fā)生沉降,此階段沉降量為-5.6 mm,約占總沉降量的39%;左線中間上方測點(diǎn)DB-34-04發(fā)生沉降,沉降勻速發(fā)展,此階段沉降量為 -2.3 mm,約占總沉降量的21%。18日以后,左線盾構(gòu)掘進(jìn)施工遠(yuǎn)離上方地表測點(diǎn)影響區(qū)域,測點(diǎn)沉降趨于平緩。至2012年2月21日,盾構(gòu)區(qū)間左線掘進(jìn)至地表測點(diǎn)影響區(qū)域,測點(diǎn)DB-34-02和DB-34-04發(fā)生沉降,沉降量較小。從2012年2月22日至24日,盾構(gòu)左線掘進(jìn)出地表測點(diǎn)影響區(qū)域,左線中間上方測點(diǎn)DB-34-04連續(xù)發(fā)生沉降,此階段沉降量為 -6.6 mm,約占總沉降量的59%。盾構(gòu)右線上方測點(diǎn)DB-34-02受左線盾構(gòu)施工影響,繼續(xù)發(fā)生沉降,此階段沉降量為 -9.3 mm,約占總沉降量的65%。2月24日以后,左線盾構(gòu)掘進(jìn)遠(yuǎn)離地表測點(diǎn)影響區(qū)域,測點(diǎn)沉降趨于平緩。馬草河西側(cè)地表測點(diǎn)沉降時(shí)程曲線如圖2所示。
圖2 馬草河西側(cè)地表測點(diǎn)沉降時(shí)程曲線
2)盾構(gòu)左右線對地表沉降測點(diǎn)產(chǎn)生的影響大致相當(dāng),盾構(gòu)左線上方測點(diǎn)受施工的影響較大,受右線施工的影響較小。監(jiān)測斷面圖顯示,盾構(gòu)脫出時(shí)上方中間測點(diǎn)下沉趨勢比較明顯,其兩側(cè)測點(diǎn)下沉趨勢相對緩慢,見圖3。
圖3 馬草河西側(cè)監(jiān)測斷面DB-34沉降監(jiān)測結(jié)果
3)草橋—紀(jì)家廟區(qū)間左線鎮(zhèn)國寺北街道路地表沉降監(jiān)測點(diǎn)DB-42-02于2012年3月9日盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至影響區(qū)域,其后受盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)對地層的干擾,盾構(gòu)機(jī)脫出該影響區(qū)域后該地表測點(diǎn)連續(xù)發(fā)生沉降,累計(jì)沉降值從 -0.1 mm變化至 -48.8 mm,沉降量為 -48.7 mm,約占總沉降量的97%,沉降累計(jì)變形值和速率均超過控制值,達(dá)到紅色監(jiān)測預(yù)警等級,導(dǎo)致最終沉降累計(jì)變形值為 -50.4 mm,超過控制值(30 mm)。出現(xiàn)紅色預(yù)警的主要原因是施工盾構(gòu)機(jī)盾尾刷的損壞,導(dǎo)致盾尾有漏漿現(xiàn)象,注漿不足,使盾構(gòu)機(jī)脫出時(shí)引起上方道路地表監(jiān)測點(diǎn)沉降速率突然增大且累計(jì)值超過控制值,預(yù)警時(shí)盾構(gòu)機(jī)機(jī)尾到達(dá)監(jiān)測點(diǎn)下方區(qū)域。第三方監(jiān)測單位及時(shí)發(fā)布了紅色監(jiān)測預(yù)警通知,施工單位組織了紅色監(jiān)測預(yù)警響應(yīng)會,經(jīng)參會各方研究后,施工單位及時(shí)采取堵漿措施,并修復(fù)盾尾刷,進(jìn)行同步注漿和二次注漿,減少地層擾動,加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)測和地面巡視,掌握地表沉降變化情況,至3月13日以后,沉降速率降低警戒值內(nèi),監(jiān)測數(shù)據(jù)基本處于穩(wěn)定狀態(tài),見圖4。
圖4 盾構(gòu)區(qū)間左線正上方地表沉降測點(diǎn)DB-42-02沉降時(shí)程曲線
草橋—紀(jì)家廟區(qū)間地下管線沉降最終累計(jì)值在-0.2~-61.2 mm,其中累計(jì)變形沉降值最大點(diǎn)為φ400污水管線GXC-18-05(-61.2 mm),該測點(diǎn)位于鎮(zhèn)國寺北街K37+603.6處。草紀(jì)區(qū)間盾構(gòu)從紀(jì)家廟始發(fā)到草橋站接收,其中有包括DN100上水、DN400污水和電力管線的6個(gè)地下管線監(jiān)測點(diǎn)沉降超過控制值,達(dá)到橙色監(jiān)測預(yù)警,1個(gè)φ600雨水管線監(jiān)測點(diǎn)達(dá)到黃色監(jiān)測預(yù)警;1個(gè)φ600雨水管線測點(diǎn)超過預(yù)警值。
1)2011年6月16日開始對DN100上水管線測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測,至7月7日,盾構(gòu)右線掘進(jìn)至上水管線測點(diǎn)影響區(qū)域,左線上方左側(cè)測點(diǎn)GXC-02-04發(fā)生沉降,沉降量較小。從7月15日至16日盾構(gòu)右線掘進(jìn)出污水管線影響區(qū)域,GXC-02-04受右線盾構(gòu)掘進(jìn)影響沉降量相對較小。從7月28日至8月6日盾構(gòu)左線下穿污水管線,GXC-02-04發(fā)生連續(xù)沉降,沉降累計(jì)值從-0.6 mm變化至 -18.3 mm,沉降量為 -17.7 mm,約占總沉降量的93%。沉降較大的原因主要是盾構(gòu)推進(jìn)時(shí),盾構(gòu)外殼與土層之間形成剪切滑動面,剪切應(yīng)力引起地面變形,管片脫出盾構(gòu)機(jī)盾尾時(shí)發(fā)生突然沉降,另外盾構(gòu)機(jī)對周圍土體的撓動也是原因之一。8月6日之后,左線盾構(gòu)施工遠(yuǎn)離上水管線影響區(qū)域,測點(diǎn)沉降趨于平緩,見圖5。
2)盾構(gòu)左右線下穿上水管線對左右線中間測點(diǎn)產(chǎn)生的影響大致相當(dāng)。盾構(gòu)左線上方測點(diǎn)受左線施工影響較大,受右線施工的影響較小。從測點(diǎn)沉降斷面(圖6)可見,盾構(gòu)中線上方測點(diǎn)下沉趨勢比較明顯,其兩側(cè)測點(diǎn)下沉趨勢相對緩慢。盾構(gòu)機(jī)盾尾脫出時(shí)監(jiān)測點(diǎn)下沉速率偏大,之后施工單位控制盾構(gòu)土壓并及時(shí)二次補(bǔ)漿,沉降速率降低到警戒值內(nèi),測點(diǎn)沉降處于平緩穩(wěn)定狀態(tài)。
圖5 盾構(gòu)區(qū)間DN100上水管線測點(diǎn)GXC-02-04沉降時(shí)程曲線
圖6 盾構(gòu)區(qū)間DN100上水管線02斷面沉降曲線
3)2012年3月8日開始對鎮(zhèn)國寺北街φ400污水管線測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測,至3月10日,盾構(gòu)左線掘進(jìn)至污水管線測點(diǎn)影響區(qū)域,區(qū)間正上方測點(diǎn)GXC-18-05發(fā)生較小沉降,沉降量為 -0.3 mm。3月10日至13日盾構(gòu)左線掘進(jìn)出污水管線影響區(qū)域,GXC-18-05發(fā)生沉降,沉降累計(jì)值從 -0.3 mm變化至 -58.8 mm,沉降量為 -58.5 mm,約占總沉降量的95.6%。由于施工單位盾構(gòu)機(jī)盾尾刷的損壞,累計(jì)值超過控制值,達(dá)到紅色監(jiān)測預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。施工單位組織了紅色監(jiān)測預(yù)警響應(yīng)會,經(jīng)參會各方研究后,采取堵漿、修復(fù)盾尾刷、同步注漿和二次注漿等措施。之后沉降速率降低在警戒值內(nèi),監(jiān)測數(shù)據(jù)基本處于穩(wěn)定狀態(tài),見圖7。
圖7 盾構(gòu)區(qū)間左線上方φ400污水管線監(jiān)測點(diǎn)沉降時(shí)程曲線
草橋—紀(jì)家廟區(qū)間建筑物沉降最終累計(jì)值在+2.0~-39.2 mm,其中累計(jì)沉降值最大點(diǎn)為JCJ-09-11(-39.2 mm),該測點(diǎn)位于玉泉營建材市場西側(cè)。草紀(jì)盾構(gòu)區(qū)間建筑物沉降測點(diǎn)共有5個(gè)累計(jì)值達(dá)到黃色監(jiān)測預(yù)警等級,5個(gè)累計(jì)值達(dá)到橙色監(jiān)測預(yù)警等級;1個(gè)累計(jì)值超過預(yù)警值。
1)2011年11月4日開始對玉泉營建材市場西側(cè)建筑物測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測,至11月11日,盾構(gòu)左線掘進(jìn)至建筑物測點(diǎn)影響區(qū)域,11月11日至14日,JCJ-09-11連續(xù)發(fā)生沉降,沉降累計(jì)值從 -0.5 mm變化至-37.4 mm,沉降量為 -36.9 mm,約占總沉降量的94.1%。此測點(diǎn)在盾構(gòu)區(qū)間左線上方,受左線盾構(gòu)機(jī)穿越影響較大,受右線盾構(gòu)機(jī)穿越影響相對較小。盾構(gòu)機(jī)盾尾脫出時(shí),盾構(gòu)機(jī)左右線中線上方測點(diǎn)下沉趨勢比較明顯,其兩側(cè)測點(diǎn)下沉趨勢相對緩慢。11月15日后,左線施工遠(yuǎn)離玉泉營建材市場西側(cè)測點(diǎn)影響區(qū)域,沉降速率降低到警戒值內(nèi),測點(diǎn)沉降處于平緩穩(wěn)定狀態(tài),見圖8。
圖8 玉泉營建材市場西側(cè)建筑物監(jiān)測結(jié)果
2)2011年11月12日開始對玉泉營建材市場東側(cè)建筑物監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測,至11月18日,盾構(gòu)右線掘進(jìn)至建筑物監(jiān)測點(diǎn)影響區(qū)域,從11月19日至21日盾構(gòu)下穿時(shí),區(qū)間上方玉泉營建材市場東側(cè)建筑物沉降測點(diǎn)JCJ-10-04連續(xù)發(fā)生沉降,如圖9(a)所示。沉降累計(jì)值從 -0.4 mm變化至 -17.0 mm,沉降量為-16.6 mm,約占總沉降量的86.5%,此測點(diǎn)在盾構(gòu)區(qū)間右線上方,受右線盾構(gòu)機(jī)穿越影響較大,受左線盾構(gòu)機(jī)穿越影響相對較小,11月22日后右線施工遠(yuǎn)離測點(diǎn)影響區(qū)域,測點(diǎn)沉降趨于平緩。至11月27日,盾構(gòu)左線掘進(jìn)至建筑物測點(diǎn)影響區(qū)域,右線測點(diǎn)也受到一定影響。在11月27日—12月1日左線盾構(gòu)下穿時(shí),區(qū)間上方玉泉營建材市場建筑物東側(cè)的沉降測點(diǎn)JCJ-10-09連續(xù)發(fā)生沉降,沉降累計(jì)值從 -3.4 mm變化至 -19.9 mm,沉降量為 -16.5 mm,約占總沉降量的65%。盾構(gòu)左右線下穿玉泉營建材市場建筑物中間測點(diǎn)產(chǎn)生的影響大致相當(dāng),盾構(gòu)左線上方測點(diǎn)受左線施工影響較大,受右線施工的影響相對較小。從監(jiān)測斷面圖圖9(b)可知,中線上方測點(diǎn)下沉趨勢較明顯,其兩側(cè)測點(diǎn)下沉趨勢相對緩慢。因施工方盾構(gòu)土壓控制不嚴(yán)和同步注漿不及時(shí),導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)盾尾脫出時(shí)監(jiān)測點(diǎn)下沉速率偏大。在施工單位按要求嚴(yán)格控制盾構(gòu)土壓并及時(shí)二次補(bǔ)漿之后,沉降速率降低到警戒值以內(nèi),測點(diǎn)沉降處于平緩穩(wěn)定狀態(tài)。
圖9 玉泉營建材市場東側(cè)建筑物監(jiān)測結(jié)果
2011年12月10日開始對京開高速主輔路及擋墻監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測,至12月12日,盾構(gòu)右線掘進(jìn)至京開高速擋墻監(jiān)測點(diǎn)影響區(qū)域,在12月12日—13日盾構(gòu)下穿時(shí),區(qū)間上方京開高速東側(cè)擋墻沉降監(jiān)測點(diǎn)JCJ-14-04發(fā)生沉降,沉降累計(jì)值從 -1.0 mm變化至-2.7 mm,沉降量為 -1.7 mm,約占總沉降量的24%,此測點(diǎn)在盾構(gòu)區(qū)間右線上方,盾構(gòu)機(jī)穿越時(shí)影響較小,12月13日后右線施工遠(yuǎn)離測點(diǎn)影響區(qū)域,測點(diǎn)沉降趨于平緩。至2012年2月10日,盾構(gòu)左線掘進(jìn)至京開高速擋墻測點(diǎn)影響區(qū)域,右線測點(diǎn)也受到一定影響。在2012年2月13日—15日左線盾構(gòu)下穿時(shí),區(qū)間上方東側(cè)擋墻沉降測點(diǎn)JCJ-14-08發(fā)生沉降,沉降累計(jì)值從 -3.1 mm變化至 -5.4 mm,沉降量為 -2.3 mm,約占總沉降量的48%。盾構(gòu)左右線下穿京開高速對擋墻中間測點(diǎn)產(chǎn)生的影響大致相當(dāng),盾構(gòu)右線上方靠右側(cè)測點(diǎn)受右線施工影響較大,受左線施工影響相對較小。從測點(diǎn)斷面圖可知,右線中線上方靠右側(cè)測點(diǎn)下沉趨勢較明顯,其兩側(cè)測點(diǎn)下沉趨勢相對緩慢,見圖10。
圖10 京開高速東側(cè)擋墻監(jiān)測結(jié)果
通過對北京地鐵10號線二期草橋站—紀(jì)家廟站區(qū)間盾構(gòu)隧道在砂卵石地層施工過程的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的定量統(tǒng)計(jì)分析,基本上掌握了盾構(gòu)施工過程中地表、管線、建(構(gòu))筑物沉降規(guī)律,包括沉降槽分布形式、沉降隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律、沉降影響范圍等。結(jié)論如下:
1)草橋站—紀(jì)家廟站盾構(gòu)區(qū)間完工后建(構(gòu))筑物沉降最終累計(jì)值在 +2.0~-39.2 mm,地下管線沉降最終累計(jì)值在 -0.2~-61.2 mm,道路及地表沉降最終累計(jì)值在 +1.2~-50.4 mm,工后100 d平均沉降速率為 -0.01 mm/d,監(jiān)測數(shù)據(jù)處于穩(wěn)定狀態(tài),達(dá)停測標(biāo)準(zhǔn)。沉降測點(diǎn)累計(jì)變形值超過預(yù)警值14個(gè)、超過報(bào)警值8個(gè)、超過控制值12個(gè)。
2)根據(jù)《建筑物變形測量規(guī)范》(JGJ8—2007),沉降速率小于0.01~0.04 mm/d時(shí)可認(rèn)為進(jìn)入基本穩(wěn)定階段。為了判斷各監(jiān)測對象的穩(wěn)定性,2011年6月16日至2012年4月23日對各監(jiān)測項(xiàng)目的平均變形速率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),至統(tǒng)計(jì)時(shí)段結(jié)束時(shí),變形速率均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
3)監(jiān)測點(diǎn)橫斷面沉降槽曲線受先行隧道通過影響,后行隧道沉降曲線左右往往并不對稱,地表最大沉降量向先行隧道一側(cè)偏移,隧道中線上方下沉趨勢比較明顯,其兩側(cè)測點(diǎn)下沉趨勢相對緩慢,地面沉降槽寬度一般在20~30 m。
4)盾構(gòu)機(jī)頭前后的沉降量分布可用沉降測點(diǎn)時(shí)程曲線擬合。在土壓式掘進(jìn)情況下,機(jī)頭前方約5 m處開始產(chǎn)生沉降,機(jī)頭前方5 m至盾尾是沉降的主要發(fā)展區(qū)域,沉降量約占總沉降量的80%以上,機(jī)頭通過10~15 m后沉降基本趨于穩(wěn)定。
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U455.43
A
10.3969/j.issn.1003-1995.2013.09.11
1003-1995(2013)09-0034-05
2012-12-09;
2013-06-25
武圓月(1982— ),男,山西山陰人,工程師。
(責(zé)任審編 李付軍)