徐興芃

(中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100086)

1 概述

電力盾構(gòu)隧道穿越既有線施工不僅需要管理施工的質(zhì)量，還需要注重對既有線的保護(hù)，以及整個施工過程的安全性[1]。在施工過程中，由于地質(zhì)條件、荷載條件、材料性質(zhì)、施工條件和外界其他因素的復(fù)雜影響，很難單純從理論上預(yù)測工程中可能遇到的問題。因此在區(qū)間隧道穿越施工期間，須周期性對周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，并根據(jù)監(jiān)測成果及時地調(diào)整施工方法和采取相應(yīng)措施[2]。本文以中電建路橋集團(tuán)在福建省所承建的第一條220kV電纜隧道工程穿越城門站既有線區(qū)間為例，采用智能安全監(jiān)測技術(shù)對既有線提前進(jìn)行安全預(yù)警和保護(hù)、施工行為判斷，保障電力隧道掘進(jìn)時與地鐵既有線始終處于安全狀態(tài)。

2 電力盾構(gòu)隧道穿越既有線安全監(jiān)測分析

2.1 電力盾構(gòu)隧道穿越既有線安全監(jiān)測的必要性

2.1.1 既有線安全監(jiān)測的必要性

《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 202—2013)、《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)、《福州城市軌道交通控制保護(hù)區(qū)管理實(shí)施細(xì)則(試行)》等對既有線監(jiān)測保護(hù)均提出了具體的要求，當(dāng)電力隧道與地鐵結(jié)構(gòu)物長距離并行且與車站附屬人行結(jié)構(gòu)多次交叉時(見圖1)，須對既有線保護(hù)區(qū)范圍開展安全監(jiān)測。

圖1 電纜隧道與既有線位置關(guān)系圖

2.1.2 電力隧道安全監(jiān)測的必要性

本電力隧道盾構(gòu)施工掘進(jìn)的部位會對周邊環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響。因此，通過及時、準(zhǔn)確的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果判斷盾構(gòu)現(xiàn)有位置、工程結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境的安全，并及時反饋施工，調(diào)整設(shè)計(jì)、施工參數(shù)，達(dá)到減少結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境變形，保證工程安全是有必要的。

該區(qū)間電纜隧道位于地鐵1號線現(xiàn)有隧道主體結(jié)構(gòu)的水平凈距最小約4.0m，下穿城門站2號出入口，接近程度為非常接近，距現(xiàn)有車站出入口最小凈距為1.77m。根據(jù)該工程的對象特點(diǎn)、工程影響風(fēng)險等級、外部工程施工作業(yè)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)安全保護(hù)要求評估,其影響等級為特級，從施工的角度認(rèn)為十分有必要開展監(jiān)測工作(見圖2)。

圖2 電纜隧道與城門站2號出入口剖面關(guān)系圖

2.2 電力盾構(gòu)隧道穿越既有線安全預(yù)警技術(shù)的監(jiān)測內(nèi)容

2.2.1 既有線的安全監(jiān)測內(nèi)容

在既有線的安全預(yù)警技術(shù)監(jiān)測中，一切都以既有線的安全為核心，根據(jù)既有線的監(jiān)測位置劃分為地鐵隧道、地鐵車站、地鐵附屬建(構(gòu))結(jié)構(gòu)，每個位置都有不同的安全監(jiān)測內(nèi)容，如地鐵隧道的水平位移、隧道拱頂沉降以及地鐵車站結(jié)構(gòu)物的位移與沉降等。

2.2.2 電力隧道的安全監(jiān)測內(nèi)容

按現(xiàn)有電力隧道掘進(jìn)過程中所監(jiān)測項(xiàng)目在作業(yè)時對本工程結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險影響的重要變化情況，應(yīng)采用如地表隆陷、隧道隆陷、鄰近建筑物的沉降及傾斜、地下管線、襯砌環(huán)變形及接縫張開量、地層有害氣體等監(jiān)測內(nèi)容，并按照規(guī)范進(jìn)行布點(diǎn)，按照監(jiān)測頻率往復(fù)測點(diǎn)。

2.3 電力盾構(gòu)隧道穿越既有線安全預(yù)警技術(shù)的監(jiān)測頻率

電力隧道監(jiān)測范圍還要考慮通過既有線這段時間內(nèi)的監(jiān)測頻率，以推進(jìn)量10m/d、施工期10d、穩(wěn)定期100d估算(當(dāng)最近100d最大沉降速率小于0.02mm/d 時，可認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài))；監(jiān)測頻率按施工期3次/d、穩(wěn)定期1次/d計(jì)算，施工期監(jiān)測30次、穩(wěn)定期監(jiān)測100次估算，共計(jì)130次。

2.4 電力盾構(gòu)隧道穿越既有線安全預(yù)警技術(shù)的監(jiān)測報警值

電力隧道盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)時，需要對現(xiàn)有掘進(jìn)隧道、鄰近既有線以及周邊建筑物速率(累積變化量)超限時進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警。根據(jù)規(guī)范文件，對既有線、電力隧道、鄰近既有線的周邊建筑物開展監(jiān)測，其監(jiān)測報警值分別如表1～表3所示。

表1 既有線監(jiān)測報警值指標(biāo)

表2 電力隧道安全監(jiān)測報警值指標(biāo)

表3 周邊建筑物監(jiān)測報警值

3 研究方法

以往對盾構(gòu)施工穿越既有線監(jiān)測的方法只停留在數(shù)學(xué)與物理統(tǒng)計(jì)分析層面，從相關(guān)領(lǐng)域的研究來看，隧道監(jiān)測監(jiān)控作為設(shè)計(jì)和施工的連接點(diǎn)已經(jīng)被廣大學(xué)者所認(rèn)同。其研究多是從監(jiān)測項(xiàng)目的內(nèi)容上，依賴于監(jiān)測人員通過不同方式與頻次來進(jìn)行。該方法無法完整、準(zhǔn)確地表現(xiàn)出各個監(jiān)測項(xiàng)目對既有線的實(shí)時預(yù)警，無法實(shí)現(xiàn)巖土信息實(shí)時感知，也無法在把握掘進(jìn)參數(shù)的同時開展智能決策，導(dǎo)致影響盾構(gòu)掘進(jìn)效率。

目前，智能安全監(jiān)測是主流，同時，由于地質(zhì)條件等因素，特別是穿越既有線的穩(wěn)定監(jiān)測的時效性越來越受到施工方的重視，相較于一般人工監(jiān)測方法和設(shè)備監(jiān)測方法，采取盾構(gòu)掘進(jìn)時立體互動式的智能監(jiān)測控制方法是研究的主要對象。該方法通過電力隧道穿越既有線過程中盾構(gòu)設(shè)備的土壓力、推進(jìn)速度、出土量、注漿量和注漿壓力設(shè)定與地面巖土沉降關(guān)系進(jìn)行對比論證分析，正確設(shè)定穿越既有線時的影響范圍和盾構(gòu)掘進(jìn)時的施工參數(shù)，采取相應(yīng)措施減少變形，從而達(dá)到安全穿越的目的。

3.1 提前介入并做好資料搜集工作

為了保證本項(xiàng)目穿越既有線路的安全，本電力隧道施工方與既有線運(yùn)營方、施工方等在穿越施工前應(yīng)提前介入，高度統(tǒng)一思想，在穿越既有線前進(jìn)行條件核查會，協(xié)同各方踏勘現(xiàn)場，與相關(guān)產(chǎn)權(quán)(設(shè)備、設(shè)施)管理單位簽訂施工協(xié)議，并收集周邊(地上、地下)管線、設(shè)備分布情況及具體位置，與既有線運(yùn)營方共同采集，掌握監(jiān)測點(diǎn)初始值，并深入分析與研討，明確施工過程中的安全風(fēng)險和專項(xiàng)方案。

提前介入可以有效提高與既有線運(yùn)營方建立應(yīng)急聯(lián)動機(jī)制。同時，可以將既有線車站的監(jiān)測情況向電力隧道施工方做好詳細(xì)交底。施工方還可以提前對盾構(gòu)機(jī)開展檢查和選型，建立施工進(jìn)度及盾構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)等相關(guān)情況臺賬，有效明確既有線運(yùn)營時段的風(fēng)險清單，降低了過站時進(jìn)出人員的安全風(fēng)險。根據(jù)資料及現(xiàn)場搜集調(diào)查，現(xiàn)有隧道沿線及周邊建筑物情況見表4。

表4 隧道沿線周邊建筑物及管線情況

3.2 科學(xué)布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)

大多數(shù)盾構(gòu)施工方法在對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)時，主要以人工垂直方向上的隧道拱頂下沉監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)為主，精密水準(zhǔn)儀測地表沉降、管線沉降為輔的方式布設(shè)，其數(shù)據(jù)誤差大、數(shù)據(jù)間斷不連續(xù)、信息處理速度低，難以做到實(shí)時發(fā)現(xiàn)安全隱患。電力盾構(gòu)隧道為了保證盾構(gòu)機(jī)沿隧道設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)，提高盾構(gòu)施工的精度，保證施工質(zhì)量，盾構(gòu)的運(yùn)行采用地下監(jiān)測與地上監(jiān)測系統(tǒng)。

根據(jù)本項(xiàng)目的情況，同時依據(jù)上述電力隧道監(jiān)測及既有線監(jiān)測的安全風(fēng)險控制報警值的原則，在距離既有線50m的范圍內(nèi)布設(shè)地表沉降(含管線)點(diǎn)，建筑物沉降觀測點(diǎn)，保證盾構(gòu)掘進(jìn)沿中線每5m(即4環(huán))設(shè)1組沉降觀測點(diǎn)監(jiān)測斷面，每50m(即41環(huán))設(shè)1組隧道凈空收斂監(jiān)測斷面，沉降觀測點(diǎn)每斷面設(shè)置在拱頂(0°)及拱底(180°)位置，隧道凈空收斂監(jiān)測斷面設(shè)置在拱腰(90°和270°)處進(jìn)行布設(shè)(見圖3)。

圖3 隧道內(nèi)監(jiān)測斷面布置圖

盾構(gòu)機(jī)頭推進(jìn)測量采用先進(jìn)的盾構(gòu)自動導(dǎo)向系統(tǒng)，主要包括高偏、平偏、方位角、俯仰角、滾動角和切口里程六個參數(shù)。盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測量為自動導(dǎo)向測量，測量頻率根據(jù)其導(dǎo)向系統(tǒng)的精度確定，誤差一般控制在3mm以內(nèi)。該方法以自動導(dǎo)向系統(tǒng)為主，同時采用人工測量的方法對自動導(dǎo)向系統(tǒng)的正確性和穩(wěn)定性進(jìn)行檢核(見圖4)。

圖4 盾構(gòu)姿態(tài)測量系統(tǒng)示意圖

這種多點(diǎn)布設(shè)方法有利于隨時監(jiān)控盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)以及軸線偏差，并將偏差數(shù)據(jù)及時反饋到盾構(gòu)機(jī)的中心控制系統(tǒng)，由中心控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過對反饋數(shù)據(jù)與掘進(jìn)前已輸入隧道軸線控制數(shù)據(jù)的分析比較，將這些數(shù)據(jù)及盾構(gòu)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)反映到盾構(gòu)操作臺，供盾構(gòu)操作手參考。同時，可將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳輸給地面的電腦監(jiān)視器，這些數(shù)據(jù)包括反映盾構(gòu)姿態(tài)、軸線的數(shù)據(jù)和盾構(gòu)設(shè)備狀態(tài)的參數(shù)，有利于在穿越既有線過程中提前預(yù)警，保障穿越時的施工安全。

3.3 動態(tài)信息傳遞

在實(shí)際的盾構(gòu)穿越中，還利用安全監(jiān)測數(shù)據(jù)同步地面監(jiān)測信息的自動化分析，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)自身的推力、推進(jìn)速度、出土量以及千斤頂?shù)木幗M等之間的關(guān)系，保持推進(jìn)坡度相對平穩(wěn)，控制一次糾偏量，減少對土體的擾動。同時，穿越中的每一次監(jiān)測數(shù)據(jù)都及時匯報給施工技術(shù)部門，以便于施工技術(shù)人員及時了解施工現(xiàn)狀和相應(yīng)區(qū)域地面變形情況，確定新的施工參數(shù)和注漿量等信息和指令，并傳遞給盾構(gòu)推進(jìn)面，使推進(jìn)施工面及時作相應(yīng)調(diào)整，最后再監(jiān)測確定效果，如此反復(fù)循環(huán)、驗(yàn)證、完善，確保隧道施工安全與質(zhì)量。

4 安全監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢

4.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視性

當(dāng)監(jiān)測范圍內(nèi)的監(jiān)測對象出現(xiàn)了預(yù)警值，可以在施工現(xiàn)場的大屏幕內(nèi)讀取相應(yīng)計(jì)算的數(shù)值，組織現(xiàn)場監(jiān)測人員或技術(shù)顧問結(jié)合現(xiàn)場具體情況進(jìn)行綜合深入分析，對現(xiàn)場施工的安全做出提前判斷，提出結(jié)論性意見，并向施工方發(fā)出警告，令其減緩或停止施工進(jìn)度，同時繼續(xù)密切注意周邊情況的變化，增加觀測頻次。同時組織各方召開會議分析監(jiān)測異常原因采取對應(yīng)措施，待監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定時再繼續(xù)作業(yè)。

現(xiàn)場安全預(yù)警可視化信息是在穿越既有線施工過程的安全風(fēng)險狀況的直接體現(xiàn)，實(shí)施監(jiān)測的同時進(jìn)行可視化巡視。與人工監(jiān)測同監(jiān)測頻率，能夠避免監(jiān)測、巡視脫離的弊端，有效消除安全風(fēng)險管控的盲區(qū)。本項(xiàng)目盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險云智能系統(tǒng)平臺，可成功對盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)及臨近既有線和建筑物進(jìn)行異常感知、連續(xù)追蹤及智能預(yù)判預(yù)置，異常信息感知速度1s以內(nèi)，異常事件響應(yīng)速度10s以內(nèi)，預(yù)判準(zhǔn)確度達(dá)到90%以上，有利于對監(jiān)測數(shù)據(jù)的全面分析。特別是每日現(xiàn)場巡視工作完成之后，整理現(xiàn)場巡視時所記錄的資料(書面記錄、影像資料)后，再結(jié)合重點(diǎn)巡視監(jiān)測數(shù)據(jù)(累計(jì)變形量、變形速率雙控指標(biāo)、變形較大的區(qū)域)，為監(jiān)測預(yù)警分析提供基礎(chǔ)資料。同時根據(jù)監(jiān)測情況對既有地鐵穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行綜合判斷，及時通知報告相關(guān)各方，提出建議并督促現(xiàn)場采取有效防范措施。

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的指導(dǎo)性

在電力隧道掘進(jìn)過程中，還可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)穿越既有線設(shè)定合理土壓力，保持開挖面穩(wěn)定。依據(jù)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，控制同步注漿量，及時實(shí)施二次補(bǔ)漿，以“勻速、均衡、連續(xù)”的原則安全穿越既有線風(fēng)險點(diǎn)。

①當(dāng)監(jiān)測范圍內(nèi)的變形等出現(xiàn)了預(yù)警值，盾構(gòu)操作室可以直接調(diào)整掘進(jìn)的技術(shù)參數(shù)，如土壓、注漿量、推速、軸線等，以免造成地層與盾構(gòu)機(jī)的沉降與隆起。

②監(jiān)測提前預(yù)警時，可以有效控制注漿的位置及壓力。由圖5可見，2021年4月2日當(dāng)天，累計(jì)隆起值最高約為-1.7mm，經(jīng)過未來幾天盾構(gòu)注漿量參數(shù)的預(yù)判調(diào)整，隆起的趨勢逐級減緩，使得盾構(gòu)在穿越既有站廳的時間、空間范圍內(nèi)，其沉降、隆起數(shù)值控制在合理區(qū)間內(nèi)。若未提前獲取監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)，則無法準(zhǔn)確獲取偏差信息，無法控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)，導(dǎo)致注漿壓力過大。注漿壓力過大一方面會對地層的擾動較大，容易造成地表隆起，另一方面也會使得盾構(gòu)向注漿位置反方向移動，不利于盾構(gòu)的軸線控制。所以，監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)的提前獲取既有利于注漿壓力的控制，還有利于配合調(diào)整盾構(gòu)千斤頂?shù)木幗M及分區(qū)油壓的控制。而推進(jìn)時的及時注漿和對千斤頂選擇的正確與否，直接關(guān)系到盾構(gòu)軸線的軌跡安全。

圖5 一定時間范圍內(nèi)穿越城門站地鐵區(qū)間豎向位移的曲線圖

③監(jiān)測數(shù)據(jù)合理載入盾構(gòu)風(fēng)險分析系統(tǒng)，還可以提前使用盾構(gòu)的鉸接裝置。當(dāng)盾構(gòu)偏離隧洞設(shè)計(jì)軸線較多、進(jìn)行小半徑曲線施工，盾構(gòu)姿態(tài)極差，或通過調(diào)整千斤頂?shù)木幗M與選擇及分區(qū)油壓控制都較難以達(dá)到目的時，可通過開啟盾構(gòu)鉸接裝置，根據(jù)盾構(gòu)的偏離程度計(jì)算盾構(gòu)中折每一步的轉(zhuǎn)折角度?？上乳_啟盾構(gòu)的仿形刀進(jìn)行超挖施工，然后根據(jù)計(jì)算調(diào)整盾構(gòu)的中折裝置，再輔以千斤頂編組及分區(qū)油壓控制，進(jìn)行掘進(jìn)施工，推進(jìn)時根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)的測量數(shù)據(jù)隨時調(diào)整中折角度，直到盾構(gòu)回到設(shè)計(jì)軸線上來。

④在既有線段工程施工時，建立嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)受力、變形、沉降的預(yù)警監(jiān)測體系，對施工過程進(jìn)行全面的監(jiān)控，在發(fā)生既有結(jié)構(gòu)沉降速率超限時，有利于分析造成既有結(jié)構(gòu)沉降速率超限的原因和采取相應(yīng)的控制措施，如既有線機(jī)構(gòu)開裂、剝落，包括裂縫寬度、深度、數(shù)量、走向、剝落體大小、發(fā)生位置、發(fā)展趨勢等[3]。

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)的新穎性

在穿越既有線的前提下，優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，使得安全風(fēng)險得到提前預(yù)警和智能控制是該監(jiān)測數(shù)據(jù)最具新穎性的地方。其能在淺埋復(fù)雜地層中，對地質(zhì)信息精細(xì)探測及關(guān)鍵參數(shù)提取，有效地確定盾構(gòu)掘進(jìn)控制參數(shù)及典型地層關(guān)鍵監(jiān)測參量，優(yōu)化地質(zhì)條件下盾構(gòu)高效掘進(jìn)參數(shù)，提高盾構(gòu)始發(fā)和掘進(jìn)效率。同時建立的盾構(gòu)掘進(jìn)在線監(jiān)控系統(tǒng)及風(fēng)險智能控制平臺，能提高盾構(gòu)施工安全水平和施工效率。

5 結(jié)束語

隧道穿越既有線施工監(jiān)測是盾構(gòu)工程的重要環(huán)節(jié)，特別是鄰近既有線的隧道變形和施工風(fēng)險控制尤為關(guān)鍵。因此，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)判和分析則是信息化施工提供反饋信息的重要手段。本文結(jié)合福州電力隧道施工過程監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)、盾構(gòu)數(shù)字監(jiān)測、數(shù)值模擬平臺進(jìn)行風(fēng)險分析，根據(jù)變形監(jiān)測的控制值來提前判斷盾構(gòu)隧道的變化，實(shí)時感知、傳輸與智能化控制、優(yōu)化控制盾構(gòu)施工參數(shù)，有效控制盾構(gòu)姿態(tài)，指導(dǎo)盾構(gòu)工程安全高效掘進(jìn)，驗(yàn)證了預(yù)警可視化功能。