于 崢

(中鐵建大橋工程局集團第三工程有限公司,遼寧 沈陽 110000)

隨著地鐵工程建設(shè)逐漸完善,地鐵對緩解城市交通壓力作出了重要貢獻[1],但地鐵沿線附近建筑基坑施工過程對地鐵隧道的影響仍是施工過程中的重要關(guān)注點[2-4]?；邮┕χ車馏w的應(yīng)力和位移產(chǎn)生影響,進而導(dǎo)致既有的地鐵隧道產(chǎn)生變形或位移,如果不能對地鐵隧道變形進行有效控制,將對地鐵運營安全與周邊環(huán)境造成損害[5-6]。

目前已有部分學(xué)者針對地表建筑基坑對地鐵隧道的影響進行了相關(guān)研究,何忠明等[7]對深基坑開挖及支護結(jié)構(gòu)參數(shù)對地鐵隧道的影響進行了有限元分析,發(fā)現(xiàn)基坑施工對地鐵隧道水平位移與沉降影響顯著,最大位移位于隧道進基坑側(cè)中軸線中間位置,支撐剛度是影響地鐵隧道變形的主要參數(shù);王祖賢等[8]基于力法的基本原理提出了鄰近車站的地鐵隧道縱向變形響應(yīng)解析法,并且通過有限元分析驗證了該方法的可靠性,研究結(jié)果表明提出的解析模型對盾構(gòu)隧道的縱向響應(yīng)計算適用性較強;張航飛[9]通過有限元分析發(fā)現(xiàn),基坑開挖對地鐵隧道的影響與基坑底部和地鐵隧道之間的距離相關(guān),并且地鐵隧道在基坑施工過程中的水平位移與垂直位移變化基本一致。

基于此,依托杭州大會展中心赭美路下穿隧道基坑施工項目,結(jié)合實際項目中的測量數(shù)據(jù),可探尋下穿隧道基坑施工對下部地鐵隧道的影響,提出基坑施工過程中的地鐵隧道監(jiān)測技術(shù),為后續(xù)類似工程施工提供參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

杭州大會展中心項目一期赭美路下穿隧道位于會展中心一期地塊以西,線路起于規(guī)劃塘新路,止于規(guī)劃南虹路。一期用地紅線范圍內(nèi)隧道均為暗埋段,K0+387～K1+013暗埋段采用封閉矩形雙孔框架結(jié)構(gòu),長度626 m,隧道采用明挖順作法施工。赭美路隧道基坑紅線外南側(cè)、西側(cè)及北側(cè)北兩側(cè)隧道影響范圍內(nèi)為現(xiàn)狀空地。赭美路下穿隧道于里程DK0+730～DK0+750以角度74°上跨已運營杭州地鐵1號線大會展中心站至港城大道站盾構(gòu)區(qū)間,基坑底距盾構(gòu)隧道凈距為5.1～5.2 m。項目位置為赭美路下穿隧道地鐵保護區(qū)內(nèi)。

赭美路隧道地鐵保護范圍內(nèi)基坑?xùn)|側(cè)為在建杭州大會展中心項目一期工程地下室基坑,本項目基坑土方開挖前,東側(cè)地下室結(jié)構(gòu)頂板已施工完成?；幽蟼?cè)為赭美路隧道地鐵保護區(qū)范圍外基坑(距離隧道最近約82.6 m)?；游鱾?cè)為現(xiàn)狀空地,圍護樁距離用地紅線最近約3.58 m?；颖眰?cè)為赭美路隧道共建段(距離隧道最近約為87.5 m)。1號線盾構(gòu)隧道上方設(shè)有3條雨污水管線,南北兩側(cè)的雨水管線埋深約0.8 m,直徑為400 mm;中間位置的污水管埋深約3.42 m,直徑為800 mm。項目基坑南北向長約122 m,東西方向約29 m;基坑開挖面積為5 054 m2,支護結(jié)構(gòu)延長約468 m?；拥孛嫫秸蠼^對標高取5.200 m,計算開挖深度按底板墊層底部計為7.676～8.100 m。

1.2 盾構(gòu)隧道概況

地鐵1號線盾構(gòu)隧道已經(jīng)施工完成,結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為100年;結(jié)構(gòu)安全等級為一級。

區(qū)間隧道抗震設(shè)防烈度為6度,按7度采取抗震構(gòu)造措施,抗震等級為3級;結(jié)構(gòu)設(shè)計按6級人防驗算;計算直徑變形≤2%D(D為隧道外徑);管片結(jié)構(gòu)允許裂縫開展,但裂縫寬度≤0.2 mm;結(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù):施工階段≥1.05,使用階段≥1.10;盾構(gòu)區(qū)間隧道防水等級為二級;下穿河流的隧道結(jié)構(gòu),設(shè)計水位一般按1/100的洪水頻率標準進行設(shè)計,并按最高及最低水位進行驗算;地下結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足防(火)災(zāi)要求,結(jié)構(gòu)的耐火等級為一級;防水設(shè)計按要求為:在0.6 MPa外水壓力下,環(huán)縫張開6 mm,縱縫張開6 mm時不滲漏。

自盾構(gòu)隧道完工至2020年10月30日,大會展中心站至港城大道站區(qū)間,右線隧道道床最大沉降為-0.4 mm,最大隆起量為0.4 mm,最大變化速率為-0.01～0.01 mm/d;左線隧道最大沉降為-1.9 mm,最大變化速率為-0.03 mm/d。右線隧道最大累計收斂為-1.1 mm,左線隧道最大累計收斂為-1.1 mm。并且在上下隧道共發(fā)現(xiàn)9處滲水、水跡、裂縫、露筋等缺陷情況。

2 測點布置

監(jiān)測位置為盾構(gòu)隧道杭州大會展中心站至港城大道站上下行,K44+800(750環(huán))～K44+912(655環(huán)),單線約112 m。監(jiān)測方法分為自動化監(jiān)測與人工復(fù)核監(jiān)測,其中自動化監(jiān)測包括道床沉降、道床軌道高差、道床水平位移、隧道水平收斂,人工復(fù)核監(jiān)測包括道床沉降復(fù)核與隧道水平收斂復(fù)核。

2.1 基準點布置

對于深樁點,采用港城大道站的深樁基準點SK25,高程6.072 8 m;對于人工沉降基準點,根據(jù)《杭州地鐵1號線和5號線長期運營監(jiān)測工作基點》,采用港城大道站和杭州大會展中心站內(nèi)穩(wěn)定的基準點。自動化監(jiān)測采用后視基準點,項目采用5臺儀器串聯(lián)方式合并測量,小里程端后視采用6個大棱鏡,大里程端采用偏置棱鏡,輔測站另行布設(shè)4個大棱鏡備用。

實際布設(shè)需結(jié)合現(xiàn)場情況,可在滿足測量要求的前提下進行小范圍調(diào)整。布設(shè)時可在隧道結(jié)構(gòu)上鉆取合適孔位,將棱鏡桿置于孔中,用植筋膠將孔、棱鏡桿和控制點圓棱鏡三者粘牢。在深樁點聯(lián)測或人工沉降復(fù)核時發(fā)現(xiàn)后視棱鏡所在位置豎向位移較大時,需根據(jù)聯(lián)測數(shù)據(jù)選取穩(wěn)定的位置重新布設(shè)后視棱鏡。

2.2 人工監(jiān)測測點布設(shè)

對于人工道床豎向位移監(jiān)測點,布設(shè)間距為基坑正對隧道區(qū)域,為每6 m兩斷面,外擴區(qū)域每12 m一斷面;通過在道床中間部位鉆取合適孔位,孔內(nèi)注入植筋膠后,將沉降釘敲入孔位內(nèi),并用噴漆做明顯的標記。后視棱鏡所在位置單獨布設(shè)人工沉降監(jiān)測點,用以檢驗后視棱鏡所在區(qū)域的豎向變形情況。

對于隧道收斂監(jiān)測點的布設(shè),與人工道床豎向位移監(jiān)測點相同,每個監(jiān)測斷面布設(shè)1對收斂監(jiān)測點,在隧道兩腰部采用油漆做好測量標識,在隧道管片兩腰中部一側(cè)設(shè)置“L”標志,另一側(cè)設(shè)置“·”標志;利用激光測距儀測量兩點間的距離,通過計算距離變化以求得管片收斂的數(shù)據(jù)。

若所在斷面已存在長期運營監(jiān)測測點,則必須使用長期運營監(jiān)測測點;若不存在長期運營監(jiān)測測點,則單獨布設(shè)人工沉降測點,但需異于長期運營監(jiān)測測點,人工監(jiān)測點布設(shè)與自動化監(jiān)測點布設(shè)應(yīng)對應(yīng),以保證數(shù)據(jù)復(fù)核的可對比性與準確性。

2.3 自動化監(jiān)測測點布設(shè)

自動化監(jiān)測測點布設(shè)間距與人工測點相同,監(jiān)測點采用L型小棱鏡,布設(shè)在盾構(gòu)管壁兩腰及道床兩側(cè),一個斷面共布設(shè)4個棱鏡;與全站儀在同側(cè)管壁的棱鏡布設(shè)時,棱鏡和儀器總體應(yīng)呈V形或∧形分布,并根據(jù)現(xiàn)場管道、標志和配電箱等的位置錯開棱鏡,以防出現(xiàn)小視場角的情況;道床棱鏡布設(shè)盡量避開人員行走區(qū)域,避免人員觸碰導(dǎo)致測點失準;所有監(jiān)測點布置應(yīng)滿足限界要求。

3 監(jiān)測方法

3.1 人工監(jiān)測方法

人工沉降復(fù)核采用的測量儀器為天寶DINI03水準儀,水準路線采用上下行兩段單程附合:從大會展站下行線基準點JD05(JD03)起測,同時聯(lián)測JD06、JD07(JD02、JD01)。采用二等水準控制水準線路,測至監(jiān)測范圍后,采用中間點測量后視棱鏡及監(jiān)測斷面處人工沉降點。最后測至港城大道站基準點JD03(JD04),同時聯(lián)測JD01、JD02(JD05、JD06)。后續(xù)復(fù)核水準路線應(yīng)與初始值測量時保持一致,減少路線差異對測量數(shù)據(jù)的影響。每半個月需對儀器i角進行檢驗校準,i角應(yīng)滿足國家二等水準測量要求,即<15＂。觀測時應(yīng)在水準路線上標定尺、站位置,以保持每期觀測的一致性。

每次測量完畢后,應(yīng)立即導(dǎo)出測量原始數(shù)據(jù),利用儀器自帶平差軟件對測量原始數(shù)據(jù)平差,得到平差后的精確高程,計算同一測點后、前兩次所測高程的差值即為該測點在這一段時間內(nèi)高程變化量。設(shè)t1時的觀測值為S1,t2時的觀測值為S2,則沉降變量△S=S2-S1,沉降速率△V(t)=△S/△t,其中:△t=t2-t1。測點破壞重新布設(shè)后,為保證數(shù)據(jù)的銜接,需在所測得高程變化量上疊加原相應(yīng)點位累計沉降量,同時要參考相鄰斷面監(jiān)測點在破壞期間的沉降量加以修正。

收斂監(jiān)測儀器采用徠卡D3a型激光測距儀,通過測距儀測量兩點間的距離,為了減小誤差,每次應(yīng)測3次取平均值作為本次測量結(jié)果。計算后、前兩次所測距離的差值即為該對測點在這一段時間內(nèi)的凈空收斂值。設(shè)t1時的觀測值為L1,t2時的觀測值為L2,則收斂值△L=L2-L1,收斂速率△V(t)=△L/△t,△t=t2-t1。

3.2 自動化監(jiān)測方法

自動化監(jiān)測系統(tǒng)由TM50全站儀、基準點、偏置點、監(jiān)測點、GPRS通訊模塊、GeoMoS監(jiān)測軟件及現(xiàn)場IT設(shè)備組成。自動化監(jiān)測系統(tǒng)采用獨立坐標系,整個控制網(wǎng)的網(wǎng)型須科學(xué),結(jié)構(gòu)要合理?？刂苹鶞庶c一定要布設(shè)在不易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形的位置,所有基準點的布置應(yīng)避開設(shè)備并滿足限界要求,布置時須避開隧道內(nèi)電線電纜、接觸網(wǎng)等設(shè)施,并且工務(wù)推車等不易碰觸的地方。初始觀測時,首先假設(shè)一測站坐標,以平行于基坑邊線方向作為北方向進行方位定向。然后依次在五個測站上用全圓觀測法測量兩次,得到測站、基準點、偏置點之間的角度和距離,最后通過Cosa平差軟件結(jié)算得到各點的初始值坐標。項目監(jiān)測區(qū)域全長約140 m,根據(jù)保護區(qū)內(nèi)監(jiān)測范圍、通視條件及測量精度分析,工程中在上下行各布設(shè)1臺全站儀進行監(jiān)測,MJS加固期間增加輔測站進行加密監(jiān)測。為了保證監(jiān)測精度,全站儀布設(shè)時需充分考慮測站與控制點的位置關(guān)系?，F(xiàn)場布設(shè)時可按實際情況小范圍調(diào)整位置。儀器架設(shè)位置需布設(shè)固定支架,支架通過膨脹螺絲固定在管壁上,將儀器安裝在支架上進行觀測。

自動化監(jiān)測過程首先需要測量平差點組里面的基準點和偏置點,隨后從SQL數(shù)據(jù)庫中獲取平差點組數(shù)據(jù)并發(fā)送到“GeoMos監(jiān)測自動平差助手”軟件中,使用“GeoMos監(jiān)測自動平差助手”軟件復(fù)核導(dǎo)線平差,然后將平差后準確的坐標數(shù)據(jù)返還到SQL數(shù)據(jù)庫中,至此,GeoMoS已經(jīng)獲得了監(jiān)測區(qū)間中測站和偏置點的準確坐標。隨后進行測站定向,將兩邊全站儀選擇一側(cè)任一基準點進行定向,中間全站儀選擇任一相鄰的偏置點進行定向。定向完成后,即可開始監(jiān)測點組的測量。自動監(jiān)測系統(tǒng)從安裝調(diào)試運行開始,進行全天24 h連續(xù)監(jiān)測,系統(tǒng)將后期監(jiān)測數(shù)據(jù)與初始值進行對比,計算出每個測點的位移變量。系統(tǒng)經(jīng)過一段時間的運行,通過GeoMoS全站儀變形監(jiān)測軟件生成這段時間的監(jiān)測點的位移表,當(dāng)監(jiān)測點出現(xiàn)超限情況,系統(tǒng)會自動進行短消息或者以電子郵件形式發(fā)送報警信息。

4 監(jiān)測結(jié)果

圖1～圖4為通過監(jiān)測技術(shù)測得的施工過程中盾構(gòu)隧道典型斷面的道床沉降、水平位移、水平收斂和軌道高差情況。

SCJ3(730)—730環(huán)上行線沉降測點3;XCJ3(730)—730環(huán)下行線沉降測點3。

由圖1可以看出,基坑施工過程對盾構(gòu)隧道典型斷面道床沉降影響顯著,分析施工全過程的道床沉降響應(yīng)情況可以看出,道床沉降隨施工進程的不斷推進整體波動較為明顯。截至監(jiān)測結(jié)束,680環(huán)下行線道床沉降最大,為5.0 mm,680環(huán)上行線道床沉降最小,為1.3 mm,由此可以看出,同一環(huán)的上下行線監(jiān)測數(shù)據(jù)仍有可能相差較大,分析原因,對于盾構(gòu)隧道而言,在承受頂部荷載的情況下,因側(cè)面土壓力的不同將會導(dǎo)致隧道頂部和底部位移情況有所不同,因此上行線與下行線道床沉降結(jié)果具有較大差異。同時由圖1還可以看出在施工時間為150 d左右時,道床沉降有較為明顯的突變,這是因為在該時間段有較重的施工設(shè)備進場,盾構(gòu)隧道頂部荷載明顯增大所導(dǎo)致。

由圖2可以看出,基坑施工對680環(huán)上部水平位移影響最為顯著,截至監(jiān)測結(jié)束,680環(huán)上行線水平位移為7.0 mm,結(jié)合圖1的分析結(jié)果可知,680環(huán)上行線沉降量較少,水平位移較為明顯,產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要是下部土體應(yīng)力的變化不如上部顯著,導(dǎo)致680環(huán)上行線在水平上有較大位移,而垂直方向則位移較小。

SWY3(730)—730環(huán)上行線水平位移測點3;XWY3(730)—730環(huán)下行線水平位移測點3。

由圖3可知,基坑施工對680環(huán)截面的水平收斂影響較為明顯,上行線水平收斂較大,為13.9 mm,下行線水平收斂較小,為8.8 mm,導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因與圖2中的分析結(jié)果一致,主要原因為上部土體應(yīng)力變化較為顯著。

SSL3(730)—730環(huán)上行線水平收斂測點3;XSL3(730)—730環(huán)下行線水平收斂測點3。

由圖4可知,基坑施工對地鐵隧道軌道高差影響相對較小,截至監(jiān)測結(jié)束,監(jiān)測的所有截面軌道高差不足1 mm。基于以上對監(jiān)測結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn),施工過程對盾構(gòu)隧道軌道高差影響較小,對沉降、水平位移和水平收斂影響相對顯著,并且距離施工地點較近的680環(huán)受施工的影響要明顯大于其他截面,應(yīng)列為重點關(guān)注截面。

SGC3(730)—730環(huán)上行線軌道高差測點3;XGC3(730)—730環(huán)下行線軌道高差測點3。

5 結(jié) 論

地鐵的飛速發(fā)展對緩解城市交通壓力具有重要意義,地鐵周邊的建筑在基坑施工過程中需要考慮到對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全的影響,通過提出的整套監(jiān)測技術(shù)可有效地實時監(jiān)測因基坑施工對盾構(gòu)隧道產(chǎn)生的變形情況。通過分析監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn),距離施工現(xiàn)場較近的680環(huán)處的各項監(jiān)測位移均為最大,道床沉降為5.0 mm,水平位移為7.0 mm,水平收斂為13.9 mm,可見基坑施工對盾構(gòu)隧道道床沉降、水平位移和水平收斂的影響均較為顯著。對軌道高差影響則相對較小,總體不超過1 mm。通過監(jiān)測技術(shù)實時監(jiān)測隧道變形情況,調(diào)整施工進度與流程是極為必要的,可有效保障施工過程中的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全。