大石—汉溪区间隧道结构变形监测

朱红霞,周文权 ,梁桥 ,赵春彦

(1.武汉地铁集团有限公司,湖北 武汉,430077; 2.湖南工程学院 建筑工程学院,湖南 湘潭,411104; 3.中南大学 土木工程学院,湖南 长沙,410075)

随着我国城市化进程的不断加快,以公路为主的地面交通网络迅速发展,修建里程数不断增加。同时,为缓解道路拥堵,解决交通与社会协调发展的问题,在一些经济发达的大中型城市逐步形成了以地下铁道为主的现代城市轨道交通格局[1]。由于城市用地紧张,地铁工程往往修建在公路下方,导致上部构筑物和下部隧道工程相互影响,如果处理不当将对整个交通工程的安全带来不利的影响[2–3]。 受地上和地下既有建筑物或地质条件的限制,以及地下空间综合开发利用的需要,隧道间或其他结构物与隧道之间的距离越来越近,桥梁桩基近距离穿过既有地铁隧道附近土层就是一个很典型的案例[4–5]。

本文以番禺新光快速路匝道桩基施工为背景,对桩基施工引起既有地铁结构地表沉降、地铁周围土层水平位移、地铁结构变形进行监测分析,为将来同类工程的设计、施工提供参考。

1 隧道监测概况

1.1 隧道–桩基工程概况

拟建新光快速路南大路立交南侧匝道工程位于番禺区大石礼村,其中该工程的ND,NF匝道由南大路开始,沿新光快速路两侧并行一段距离后与新光快速路既有路基相接。已建地铁三号线“大石—汉溪”区间盾构隧道由北向南从新光快速路下方穿过。ND,NF匝道由桥梁和路基组成,2条匝道各设一座桥梁,基础采用直径 1.2 m 的钻孔灌注桩,采用旋挖钻机成孔,桩长 25.0～32.0 m,桩底标高为-13.46～-20.32 m。位于地铁上方的路基基底采用厚约3.0 m抛石挤淤或浅层换填的处理方式。经核查,地铁盾构隧道结构外侧与ND匝道桥墩基础桩之间的最小水平净距离约3.88 m,为桩基施工控制的关键位置,相应范围内地铁隧道结构底与路基基底之间的最小垂直距离约8.2 m,相应范围内地铁隧道结构顶标高约-4.21 m,底标高约-10.2 m。运营中的既有地铁三号线是广州市的重要交通生命线,安全性要求高。因此,在该匝道基础工程施工期间,对地铁及周边地层进行跟踪监测,了解匝道基础工程施工阶段地铁结构及周边地层动态变化,了解基础工程施工对地铁影响程度,掌握施工过程中地铁结构所处的安全状态,对及时预测预报、安全管理及避免出现工程安全事故无疑具有重要的现实意义。

1.2 监测方案

将工程附近已有的国家二等水准测量基准点作为依托点,将道钉打入预先设计好的沉降观测点,采用精密水准仪及相应的铟瓦水准标尺进行地铁附近地表沉降观测,以获得地表沉降随桩基每一施工阶段的变化情况; 采用工程钻探机钻孔,然后安装测斜管并回填,采用GN–103型数显自动记录测斜仪,以测斜孔底为起测基准,以 0.5 m点距由下向上进行监测,获得周围地层位移随基础施工的变化情况;隧道结构变形监测时,对于收敛监测点的布设,按设计图纸中的测点布置图选点定位,布设材料选用反射膜片,采用全站仪进行观测,通过精确测定监测点的坐标再通过计算便能间接测量出水平收敛,从而获得地铁结构的实时变形。

1.3 测点布置、报警值及监测频率设置

测点布置。详细的测点布置及其编号见图1(对应里程ZJK16+292 m)和图2。

图1 隧道结构变形监测点布置横断面图

图2 沉降和水平位移监测点布置平面图

表1 监测项目报警值

报警值。对地铁结构各监测对象根据现有规范和工程经验设定各项目监测的报警值见表1。

监测频率。地铁附近地表沉降和地铁周围地层水平位移以及隧道结构变形的监测,均按表2监测频率进行。对于地铁结构变形的监测,因地铁运营密度较高,为确保监测人员安全,选择凌晨01:00—05:00地铁停运的时间进行监测。

表2 地铁隧道监测频率

2 变形监测及分析

2.1 沉降观测

各测点的监测沉降随时间变化规律如图3(a～e)所示,图中负值表示向上隆起,正值表示下沉。

图3 沉降观测点沉降随时间的变化

对于ND匝道,沉降测点1,3,5,7,9为介于竖排2桩基中间和桩基端头的测点,其沉降随时间的变化规律见图3(a),而沉降测点2,4,6,8是距离桩基最近的沉降测点,其沉降随时间的变化规律见图3(b)。对于NF匝道,沉降测点10,12,14,16,18为介于竖排2桩基中间和桩基端头的测点,其沉降随时间的变化规律见图3(c),而沉降测点11,13,15,17是距离桩基最近的沉降测点,其沉降随时间的变化见图3(d)。沉降测点19～27是纵向2匝道之间的观测点,位于新光快速路纵向中心轴线上,距离施工桩基的位置较远,最近的约有13 m,其沉降随时间的变化规律见图3(e)。

从图3(a～e)可看出:

(1)对于最终稳定沉降值,测点1,3,5,7,9和10,12,14,16,18这10个沉降点(以下称第1类沉降点)差别较小,最终稳定沉降大致介于-1.0～-1.7 mm之间; 测点2,4,6,8和11,13,15,17这8个测点(以下称第2类沉降点),除了测点2之外,沉降差别也比较小,最终稳定沉降大致介于-2.8～-3.5 mm之间,沉降点2的稳定沉降值大约为-6.8 mm,这主要是因为距离沉降点2最近的桩基位于路基的防护边坡上,在桩基施工中,边坡被挖除导致了卸载,从而引起了较大的地表隆起; 测点 19～27(以下称第 3类沉降点)在整个施工过程中的沉降值极小,几乎没有沉降,这主要是因为这些测点距离施工桩基较远,桩基施工几乎对其不产生影响的缘故。除沉降点2外,总体看来,第2类沉降点的沉降要大于第1类的,第3类沉降点的沉降最小。

(2)第1类和第2类沉降点均是在旋挖成孔时产生较大的隆起,之后随着混凝土的灌注渐渐下沉直至稳定,但稳定值仍是向上隆起。

(3)各测点在桩基施工中的沉降值均未达到报警值,施工安全。

2.2 土层位移观测

各测斜管观测的土层位移随时间的变化规律如图4(a～h)所示,负值表示土层向地铁方向偏移,正值表示向民宅方向偏移。从图4可以看出:

(1)在桩基施工过程当中,每个测斜管对应的土层位移在地铁和民宅方向摇摆,偏移方向摇摆不定,对某一具体位置,偏向地铁或民宅的程度也不相同,这跟桩基成孔和灌注混凝土的施工过程有关,也与地面荷载和降雨等天气因素有关,综合因素比较复杂。

(2)总体来看,土层水平位移从底部到地表逐渐增加,呈现非线性增加的规律。

(3)1#测斜管在桩基施工完成后较长的时间内,土层水平偏移仍呈现左右摇摆的趋势,其原因可能是此处路基护坡挖出卸载引起的,也与降雨密切相关,同时此位置处于公路旁边,车辆的频繁运行也是一个重要的原因。而其他测斜管在临近桩基施工完成后便呈现向一个方向偏移并且位移也呈现稳定的趋势。

(4)3#测斜管处的土层水平位移在3月15日突然出现向地铁方向急剧偏移的趋势,偏移量突然增大,这可能跟当时的地面荷载以及混凝土灌注的速度有关。

(5)各测点在桩基施工中的沉降值均未达到报警值,施工安全。

图4 测斜管土体水平位移随时间的变化

2.3 隧道结构变形观测

各测点(图1)累积隧道结构变形随时间的变化规律如图5所示。

从图5可以看出,测点1、5之间和测点2、4之间的累积变形基本上呈现相同的变化规律,并且变形值很小,最大为0.97 mm,说明桩基施工对地铁结构变形的影响很小。隧道结构累积变形指隧道水平2监控点距离与初始值的差值,正值表示向隧道外扩张,负值表示向隧道内收敛。

测点 3用来监测隧道的隆沉,桩基施工后,监测到隧道结构上隆了0.5 mm,上隆量很小,这也反映出桩基施工对地铁结构变形的影响较小。

图5 隧道结构变形随时间的变化

3 结论

通过对大石—汉溪区间地铁隧道结构地面沉降变形、地层周围土体水平位移和地铁结构(里程ZJK16+292 m)变形观测,并对测量数据进行分析,得到以下结论:

(1)地铁隧道的地面沉降在公路匝道桩基施工过程中存在波动,离桩基越远的地方沉降越小,但最终都能趋于稳定,其中第1类和第2类沉降点均是在旋挖成孔时产生较大的隆起,之后随着混凝土的灌注渐渐下沉直至稳定,但稳定值仍是向上隆起。

(2)在桩基施工过程当中,每个测斜管对应的土层位移在地铁和民宅方向摇摆,偏移方向摇摆不定,对某一具体位置,偏向地铁或民宅的程度也不相同,这跟桩基成孔和灌注混凝土的施工过程有关,也与地面荷载和降雨等天气因素有关,总体来看,土层水平位移从底部到地表逐渐增加,呈现非线性增加的规律。

(3)地铁结构累积变形基本上呈现相同的变化规律,并且变形值很小,最大值为0.97 mm,说明桩基施工对地铁结构变形的影响很小。

[1]王庆国,孙玉永.旋喷桩加固对控制盾构下穿铁路变形数值分析[J].地下空间与工程学报,2008,4(5):860–864.

[2]于宁,朱合华.盾构隧道施工地表变形分析与三维有限元模拟[J].岩土力学,2004,25(8):1 330–1 334.

[3]王建秀,田普卓,付慧仙,等.基于地层损失的盾构隧道地面沉降控制[J].地下空间与工程学报,2012,8(3):569–576.

[4]孟光,张建新,伍廷亮.地铁荷载作用下隧道土体变形的数值模拟[J].天津城市建设学院学报,2012,18(2):103–107.

[5]胡海波.地铁隧道穿越既有桥梁及地裂缝带施工的现场监测与数值模拟研究[D].长沙:中南大学,2009.