王樂樂

(福建省水利水電勘測設(shè)計研究院，福建 福州 350000)

1 概述

近些年盾構(gòu)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于公路隧洞、城市地鐵以及其他市政公共設(shè)施等。盾構(gòu)施工引起的地面變形問題也凸顯出來[1]。2019年12月廣州地鐵11號線沙河站、2013年1月廣州地鐵荔灣區(qū)康王南路與杉木欄路段、2008年杭州蕭山區(qū)風情大道段、2008年1月廣州地鐵5號線大西盾構(gòu)區(qū)間等。

關(guān)于盾構(gòu)施工引起的變形問題研究較多。何書琴[2]在分析不同的穿河穿堤工程施工方法對河道行洪影響的基礎(chǔ)上，提出了穿河穿堤工程防洪影響評價技術(shù)審查要點。白李妍[3]分析歸納了隧道工程施工對地下管線和地面建筑物的影響。韋嬌芬[4]對廣州地鐵2號線某區(qū)間盾構(gòu)隧道施工過程的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，探討了盾構(gòu)施工過程地表沉降規(guī)律、沉降槽分布形式及其影響范圍和程度。駱建軍[5]總結(jié)了4號線黃莊站在淺埋暗挖法施工下地表及拱頂沉降產(chǎn)生的原因及沉降規(guī)律，并提出控制沉降的措施。王文通[6]以深圳地鐵區(qū)間隧道等工程施工監(jiān)測情況為基礎(chǔ)，論述了地鐵工程中量測設(shè)計內(nèi)容、項目選擇及關(guān)鍵監(jiān)測項目設(shè)計合理報警值的確定。鄭陳旻[7]對隧道塌方預(yù)警的指標進行一系列研究，選取洞周相對容許收斂量、拱頂最大容許沉降量、容許變形速率為三大預(yù)警指標。張忠苗[8]等對杭州慶春路過江段盾構(gòu)隧洞施工引起的地表沉降實測數(shù)據(jù)進行分析，采用Peck公式對橫向地表沉降曲線進行擬合，并且對大堤和其他斷面地表沉降進行了對比。趙光[9]針對南京緯三路過江通道工程，通過引入多波束河床監(jiān)測技術(shù)，對隧位河床水下地形、流速進行了實測，并結(jié)合歷史資料進行了河床沖刷階段性的預(yù)測研究。張軍[10]等以杭州地鐵2號線錢塘江過江隧洞為背景，通過數(shù)值模擬和理論計算相結(jié)合的方法，闡述河床變形引起隧洞縱向變形的機理。

現(xiàn)有研究成果主要針對盾構(gòu)引起的隧洞內(nèi)部沉降變形、地表建筑物的變形容許值或者預(yù)警值確定，而對地鐵盾構(gòu)過江施工引起河床變形的研究缺乏實測數(shù)據(jù)。盾構(gòu)過江引起的河床變形觀測困難，一旦發(fā)生河床坍塌，可能引發(fā)防洪堤損毀、江水倒灌等嚴重后果。鑒于此，本文采用實測潮位過程和數(shù)值計算方法確定河床變形預(yù)警值，在盾構(gòu)過江期間，采用水下機器人、RTK、多波束監(jiān)測系統(tǒng)對河床變形進行實時監(jiān)測，分析河床變形程度，及時向施工單位反饋變形信息，對跟蹤河床變形的發(fā)展以及隧洞的安全施工具有重要的意義。

2 流域及工程概況

閩江為福建省最大河流，全長為562 km，流域面積為6萬多km2，約占福建全省面積的一半。富屯溪、建溪、沙溪三大支流在南平延平區(qū)匯合后稱為閩江，閩江下游在淮安頭分流為南北港，在解放大橋下游北港由中洲島分為南北兩汊，南北港在羅星塔附近合流為一，之后經(jīng)瑯岐島分流分別注入東海。

福州市地鐵1號線穿過閩江北港，下穿閩江段，總長為400 m，過江段示意見圖1。采用德國海瑞克復(fù)合式土壓平衡Φ6 450盾構(gòu)機施工，預(yù)制鋼筋混凝土管片寬度為1.2 m，外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m，采用錯縫拼裝形式。盾構(gòu)下穿閩江北港段約330環(huán)左右，隧道坡度約為26.7‰，最小轉(zhuǎn)彎半徑R為500 m，隧道最小埋深只有8.3 m。

圖1 福州地鐵1號線過江段平面示意

閩江下游自水口水電站以下均為感潮河段。福州地鐵1號線過江軸線位于解放大橋下游約300 m處，解放大橋下游最大潮差為4.78 m(1996年)。北汊左岸臺江碼頭附近最大水深達19.0 m；中洲島側(cè)水深7.00～10.0 m；南汊水面寬約100 m，河底較平緩，河底地面高程為-1.0～-2.30 m，水深一般為5.00～6.00 m。近年來為了減緩解放大橋下游的沖刷，增多次拋石護底。閩江江底地層為全斷面砂層，且閩江南北兩岸地質(zhì)差異大，過閩江段分3個區(qū)段，分別為全斷面硬巖、軟硬交界面、江底中砂層，砂層中有卵石分布。福州地鐵1號線過江段地質(zhì)剖面示意見圖2。

圖2 福州地鐵1號線過江段地質(zhì)剖面示意

3 河床變形監(jiān)測技術(shù)

3.1 洪、潮作用下的河床變形預(yù)測

受上游來水和潮流的影響，閩江河床地形不斷地發(fā)生變化。開展閩江潮流觀測，為河床高程測量提供基礎(chǔ)資料，同時也可為數(shù)學(xué)模型提供驗證資料。通過數(shù)學(xué)模型分別計算潮流和徑流影響下，閩江河床變形量，為盾構(gòu)過江安全施工提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1) 閩江大潮觀測

在2015年3月7日12：00至3月8日14：00，對閩江下游淮安頭、解放大橋、白巖潭3個斷面進行大潮潮流測量。各斷面布設(shè)3條流速測量垂線，3條垂線采用三點法(0.2 h、0.6 h、0.8 h)測量流速流向。每整點觀測1次；流急、轉(zhuǎn)流時應(yīng)每15 min觀測1次，每次觀測應(yīng)不少于100 s。

2) 洪、潮流作用下過江段面河床沖淤量計算

采用Mike21軟件建立閩江下游二維水動力泥沙數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實測的潮位、流速和流向資料對模型進率定和驗證，計算工程所在河段在潮流和洪水作用下的沖刷過程。地鐵盾構(gòu)過江段施工期為閩江汛期，洪水工況選100年一遇洪水過程；潮流工況采用實測的大潮過程，地鐵施工初期按照6個月考慮。經(jīng)過計算，洪水工況下過江段面最大沖刷量為2.21 m，最大預(yù)計量為0.92 m；潮流作用下，過江段面最大沖刷量為1.39 m，最大預(yù)計量為0.79 m。

3.2 河床變形基準面的確定

1) 水下機器人觀測

本文采用SeaBotix公司LBV300-5多功能水下機器人對地鐵過江軸線附近的水下地形進行初步觀測。通過現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)：過江軸線附近河床分布有巨大卵石和塊石，地形復(fù)雜；江底水體流速較大、水體渾濁、含沙量高，河床在徑流和潮流作用下不斷地發(fā)生著沖淤變化。

2) 多波束測量系統(tǒng)

采用GPS-RTK技術(shù)結(jié)合多波束測深技術(shù)進行水下河床地形數(shù)據(jù)采集，測量船安裝移動站和測深儀，由中海達導(dǎo)航軟件導(dǎo)航，沿著事先布置的地鐵軸線走航測量。整個測量過程中，導(dǎo)航軟件與導(dǎo)航GPS和測深儀連接，實現(xiàn)同步定位，進行實時數(shù)據(jù)采集。

3) 確定河床變形參考基準面

影響河床高程測量精度的誤差包括[11]：船只動靜吃水誤差、潮位觀測誤差、換能器吃水誤差、聲速誤差、密度梯度差、量化水深誤差以及波浪等偶然誤差等?；谟绊懞哟驳匦蔚倪@些因素，采用監(jiān)測期前移及數(shù)理統(tǒng)計方法：即在過江段盾構(gòu)施工前一個月，每天對平潮期的河床地形進行連續(xù)測量，結(jié)合水下機器人觀測結(jié)果對高程值進行分析，排除高程異常點，采用網(wǎng)格地形法確定施工前盾構(gòu)穿江區(qū)域河床地形，作為變形參考基準面(見圖3所示)。由于南汊右岸鋼結(jié)構(gòu)平臺以及北汊左岸游艇碼頭的影響，河床監(jiān)測的范圍為13+213到13+490。

圖3 監(jiān)測期前移和數(shù)理統(tǒng)計方法確定的河床變形參考基準面

4 盾構(gòu)施工過程中的河床變形監(jiān)測及預(yù)警

盾構(gòu)施工過程中，每天先對河床進行1次完整掃描。然后根據(jù)施工進度安排，對盾構(gòu)機所處的河床斷面進行加密測量，與基準面對比分析得到盾構(gòu)掘進過程中河床的實時變形情況。統(tǒng)計盾構(gòu)施工面附近河床的最大變形，得到盾構(gòu)掘進到不同位置時河床的最大變形量。盾構(gòu)施工到不同位置時河床的的最大沉降量統(tǒng)計結(jié)果見表1，典型日的河床測量結(jié)果見圖4。

表1 掘進過程中盾構(gòu)機附近河床的最大沉降量

圖4 典型日的河床測量結(jié)果示意

盾構(gòu)掘進到不同位置時的河床變形，與數(shù)模計算的洪水和潮流作用下的沖刷深度進行對比，分析河床的變形情況，及時向施工單位反饋變形信息。

由于河床地質(zhì)不均勻，盾構(gòu)機刀盤前方砂層中分布有卵石。刀盤的擾動以及巨大的水壓力使得螺旋機閘門被石塊卡住而無法關(guān)閉，大量的泥沙、石塊通過閘門縫隙涌入隧道，盾構(gòu)土壓力由0.29 MPa降低到0.12 MPa，造成河床突然沉降。11月17日13+339樁號附近河床高程突降最大達到1.6 m，河床變形異常，超過潮流持續(xù)作用下的最大沖刷深度為0.79 m。11月21日的河床變形量最大達3.5 m，超過100年一遇洪水沖刷深度，及時向盾構(gòu)施工單位報告。施工單位結(jié)合河床監(jiān)測數(shù)據(jù)采用悶推、壓注聚氨酯等方法，控制了險情的發(fā)展；采用膨潤土漿液及高分子聚合物對掌子面渣土進行了改良；調(diào)整了盾構(gòu)機的掘進速度和總推力等參數(shù)。后期對該區(qū)域進行重點加密觀測，跟蹤河床變形的發(fā)展情況。11月21日之后，該區(qū)域河床基本穩(wěn)定，變形量未繼續(xù)擴大。福州地鐵1號線盾構(gòu)掘進到不同位置時盾構(gòu)機附近河床最大沉變形量見圖5。

圖5 盾構(gòu)掘進到不同位置時河床最大沉變形量示意

5 結(jié)語

福州市地鐵1號線下穿閩江北港，隧道盾構(gòu)施工面臨潮差變幅大、隧洞埋深淺、河床地質(zhì)復(fù)雜、靠近重要商業(yè)區(qū)等風險，失事后果嚴重，盾構(gòu)施工過程中有必要開展河床變形監(jiān)測，掌握河床的實時變形情況。

采用水下機器人、GPS-RTK結(jié)合多波束測深技術(shù)進行水下地形數(shù)據(jù)采集，與數(shù)模計算的洪、潮作用下河床變形預(yù)警值對比，分析河床的實時變形情況。從實施效果上來看，該檢測方法是可行的、有效的，其可以跟蹤施工過程中河床變形的發(fā)展情況，為盾構(gòu)安全施工以及事故調(diào)查提供參考依據(jù)。