孫志

上海功大建設(shè)工程檢測(cè)有限公司 上海 200444

1 工程概況

既有鐵路為全封閉電氣化復(fù)線鐵路，采用P60鋼軌，無(wú)縫線路，有碴軌道，線間距為 4.8～5.0m，路基高約 4.0m。該工程下穿鐵路路基區(qū)域，隧道左右線拱頂距地表的豎向高度分別為4.6m、5.4m，隧道外徑為6.2m。主要穿越層為砂質(zhì)粉土層、粉砂夾粉土層、砂質(zhì)粉土層和粉砂層。盾構(gòu)下穿鐵路北側(cè)為河道橋墩，盾構(gòu)邊距離橋臺(tái)直徑 0.55m 管樁中心的最小水平距離為 3.02m。

2 監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1 控制網(wǎng)

穩(wěn)定的控制網(wǎng)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。控制網(wǎng)布設(shè)首先要考慮施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、盾構(gòu)施工方案、盾構(gòu)施工影響范圍、監(jiān)測(cè)對(duì)象以及現(xiàn)場(chǎng)的通視條件。選點(diǎn)盡量避開影響基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)的穩(wěn)定性或其他不確定性因素。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，為削弱人為搬運(yùn)儀器造成的照準(zhǔn)誤差，須在下穿鐵路兩側(cè)各設(shè)置工作基點(diǎn)。在遠(yuǎn)離施工區(qū)域且周邊無(wú)施工的穩(wěn)定建構(gòu)筑物上布設(shè)3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)采用統(tǒng)一布設(shè)的原則，將基準(zhǔn)點(diǎn)與工作基點(diǎn)聯(lián)測(cè)，組建基準(zhǔn)控制網(wǎng)。

2.2 坐標(biāo)系

坐標(biāo)系統(tǒng)一般選擇建立獨(dú)立坐標(biāo)，定向方向一般與鐵路平行或盾構(gòu)推進(jìn)方向一致。其目的是：便于溝通、分析數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)采用自由設(shè)站的方式，以鐵路方向作為初始方向，建立獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)。

2.3 控制網(wǎng)穩(wěn)定性檢核

規(guī)范中要求監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)需要至少一個(gè)雨季的自然沉降穩(wěn)定后方可使用，實(shí)際生產(chǎn)中顯然無(wú)法達(dá)到，所以定期對(duì)控制網(wǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性檢核是有必要的。基準(zhǔn)網(wǎng)檢核分平面控制網(wǎng)檢核和高程控制網(wǎng)檢核，平面控制網(wǎng)利用方向法測(cè)邊測(cè)角檢核，高程控制網(wǎng)利用檢測(cè)測(cè)段高差的方法檢核。

基準(zhǔn)網(wǎng)在使用前不間斷測(cè)量3～4次，取其穩(wěn)定值數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)網(wǎng)型參數(shù)。復(fù)核頻率為每月一次，獲取各期基準(zhǔn)點(diǎn)的幾何關(guān)系進(jìn)行比較。當(dāng)校核數(shù)據(jù)異常時(shí)，依據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)及位置關(guān)系找出變動(dòng)顯著的基準(zhǔn)點(diǎn)，舍棄不穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)。

根據(jù)實(shí)際的工期和工程進(jìn)度，基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在周邊基礎(chǔ)牢固構(gòu)筑物。在初始觀測(cè)結(jié)束后，進(jìn)行多測(cè)回測(cè)量，計(jì)算邊角關(guān)系。

3 精度分析

3.1 沉降位移

沉降位移變化采用極坐標(biāo)法測(cè)量出基準(zhǔn)點(diǎn)高程與待測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程關(guān)系—全站儀自動(dòng)采集目標(biāo)（監(jiān)測(cè)小棱鏡）豎盤與水平面夾角、斜距，利用三角函數(shù)計(jì)算初始高程，以其原理如圖1所示。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)獲得基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)與儀器之間的高差，由此計(jì)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程。由不同觀測(cè)周期高程數(shù)值相減得到沉降位移變化。

根據(jù)以上方法采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在不考慮外界觀測(cè)條件因素，僅考慮全站儀的測(cè)距ms和測(cè)角誤差αm的影響，測(cè)點(diǎn)的中誤差為：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，以監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離測(cè)站點(diǎn)最遠(yuǎn)距離130m，前、后視垂直角分別約為10°、5°為例，據(jù)此估算2個(gè)測(cè)回的中誤差約為0.7mm，滿足監(jiān)測(cè)精度±1mm要求。

3.2 水平位移精度分析

根據(jù)自動(dòng)化水平位移監(jiān)測(cè)原理，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)采用的全站儀測(cè)角中誤差為±0.5″，鐵路結(jié)構(gòu)水平位移觀測(cè)點(diǎn)距離測(cè)站的最大距離約為130.0m?；诩茉O(shè)在固定強(qiáng)制對(duì)中裝置上，在不考慮外界條件情況下，觀測(cè)精度主要受測(cè)站點(diǎn)精度、測(cè)距誤差、水平角觀測(cè)誤差影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，在無(wú)外界因素影響下，取測(cè)站點(diǎn)點(diǎn)位中誤差進(jìn)行2個(gè)測(cè)回觀測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為：

4 主要施工節(jié)點(diǎn)變形監(jiān)測(cè)

盾構(gòu)下穿既有鐵路變形主要由無(wú)施工自然沉降變形、盾構(gòu)穿越變形、工后沉降等，以下是盾構(gòu)施工各階段的詳細(xì)特征[1]。

（1）盾構(gòu)掘進(jìn)前，地表受地下水位降低、水土流失產(chǎn)生的先期自然沉降，其主要表現(xiàn)為略微下沉，不參與計(jì)算施工影響。

（2）盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)入保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，開始影響地表點(diǎn)，開挖面前端地表開始變形，此時(shí)對(duì)既有鐵路影響較小。此時(shí)表現(xiàn)為盾構(gòu)開挖面前部變形，地表下沉或隆起，其主要原因在于盾構(gòu)推力與土壓力不平衡導(dǎo)致，此時(shí)需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋。

（3）盾構(gòu)掘進(jìn)鐵路路基下部，由于路基注漿加固與重力推土，需根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整盾構(gòu)參數(shù)。此時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)層土體出現(xiàn)擾動(dòng)，受上部壓力影響，應(yīng)力向四周釋放，該施工節(jié)點(diǎn)需加密觀測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率調(diào)整至0.5h/次。

（4）盾構(gòu)穿越路基后，由于路基與地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)下沉，變化較快，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

工后變化，土體蠕變至固結(jié)，沉降變化趨于緩和，降低監(jiān)測(cè)頻率。

5 建立施工模型

本次模擬數(shù)值計(jì)算地鐵盾構(gòu)隧道開挖選用Plaxis3D有限元軟件，選取既有鐵路沿線方向?yàn)閅軸，與鐵路水平垂直方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閆軸，既有鐵路上行線、下行線以及盾構(gòu)隧道上行線、下行線與橋墩橋臺(tái)位置關(guān)系如圖1所示。

模型幾何型尺寸長(zhǎng)（x軸方向）70m，寬（y軸方向）62m，土層選取到了地表以下標(biāo)高－30m。計(jì)算模型共建立單元數(shù)39781個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)62220個(gè)，平均元素大小2.769m，最小元素大小0.09364m。建立了包括巖土體、2號(hào)橋墩、3號(hào)橋臺(tái)、框架、樁體和隧道在內(nèi)的有限元計(jì)算模型。

在實(shí)際的計(jì)算過(guò)程中，樁基通過(guò)embedded樁單元模擬，并按7∶1的斜度對(duì)樁進(jìn)行了布置。考慮實(shí)際的工期安排，擬對(duì)土體堆重階段安排10天，盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)際進(jìn)度約每天掘進(jìn)7.2m，70m隧道長(zhǎng)度總共9.7天。

圖1 橋臺(tái)、框架、橋臺(tái)、路基和堆土位置模型關(guān)系圖

6 盾構(gòu)掘進(jìn)變形分析

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，選取了10個(gè)典型的工況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析，考慮了0.5%的地層損失率。先施工左線隧道，再施工右線隧道。有限元盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程模擬具有特征性的10個(gè)工況，分別為：

工況1：入場(chǎng)線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)至普鐵路基西側(cè)坡腳位置；

工況2：入場(chǎng)線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)至上行線股道中心位置；

工況3：入場(chǎng)線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)至下行線股道中心位置；

工況4：入場(chǎng)線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)至普鐵路基東側(cè)坡腳位置；

工況5：入場(chǎng)線盾構(gòu)隧道貫通；

工況6：出場(chǎng)線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)至普鐵路基西側(cè)坡腳位置；

工況7：出場(chǎng)線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)至滬昆上行線股道中心位置；

工況8：出場(chǎng)線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)至滬昆下行線股道中心位置；

工況9：出場(chǎng)線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)至普鐵路基東側(cè)坡腳位置；

工況10：出場(chǎng)線盾構(gòu)隧道貫通；

6.1 模擬盾構(gòu)掘進(jìn)總體沉降分析

在掘進(jìn)開挖至既有鐵路路基注漿加固區(qū)前，地鐵盾構(gòu)隧道周圍總的沉降值為6mm；穿越注漿加固區(qū)后，由于地鐵盾構(gòu)隧道掘進(jìn)所引起的位移最大變化值約為15mm。

6.2 模擬盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)路基沉降的影響分析

不同工況下路基表面沿鐵路縱向方向位移曲線（圖2）可以發(fā)現(xiàn)路基中部表面沉降量最大值位置隨著盾構(gòu)隧道的開挖不斷往入場(chǎng)線隧道開挖上方移動(dòng)，且路基總體沉降量逐漸增大，盾構(gòu)掘進(jìn)施工完成后路基總的沉降量最大值約15.7mm，沿鐵路縱向方向每10m最大沉降量差值小于6mm。

不同工況下2號(hào)橋墩、框架和3號(hào)橋臺(tái)沿 y 軸方向水平位移曲線（圖3），可以發(fā)現(xiàn)水平位移具有較為明顯的階段性，在盾構(gòu)隧道開挖后先減小，后隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸變大，其中側(cè)向位移增長(zhǎng)速率比較明顯的階段是隧道開挖至路基中心附近位置處，2號(hào)橋墩總的水平位移為 0.62mm，3號(hào)橋臺(tái)水平位移值最大為0.81mm。

圖2 不同工況下路基表面沿鐵路縱向方向位移曲線

圖3 2號(hào)橋墩、框架和3號(hào)橋臺(tái)沿鐵路縱向方向水平位移曲線

6.3 盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)際變形

盾構(gòu)施工在掘進(jìn)至既有鐵路路基注漿加固區(qū)前，地鐵盾構(gòu)隧道開挖面點(diǎn)先隆起3.4～8.6mm，掘進(jìn)后盾尾沉降值為5.4～9.2mm，過(guò)程變化最大量為17.8mm；盾構(gòu)施工進(jìn)入注漿加固區(qū)后，鐵路路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)隆起最大值1.2mm；在盾構(gòu)掘進(jìn)至脫離鐵路保護(hù)區(qū)范圍，最終沉降最大變化值約為1.4mm，過(guò)程變化最大量為2.6mm。

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)由于埋設(shè)較淺，變化方向基本與土體運(yùn)動(dòng)方向相反變化；2號(hào)橋墩監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移為1.2mm，3號(hào)橋臺(tái)水平位移為3.1mm。在盾構(gòu)離開路基后，變化趨于收斂。

7 結(jié)束語(yǔ)

利用三維數(shù)值分析軟件 Plaxis3D 對(duì)盾構(gòu)下穿既有鐵路變形影響展開了工況分析。在添加框架支撐和注漿預(yù)加固等條件下，可發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程，實(shí)測(cè)變化與預(yù)測(cè)變化基本一致[2]，但路基沉降值較模擬?。蛔兓较虼嬖诓糠植町?，水平變化值較模擬數(shù)據(jù)整體偏大。

8 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是本項(xiàng)目盾構(gòu)下穿既有鐵路監(jiān)控技術(shù)的主要手段，監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)基本滿足現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)控要求，能夠基本反應(yīng)模擬數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，對(duì)盾構(gòu)施工控制起到指示作用。