河床变形监测技术在盾构过江施工中的应用

王乐乐

(福建省水利水电勘测设计研究院，福建 福州 350000)

1 概述

近些年盾构技术被广泛应用于公路隧洞、城市地铁以及其他市政公共设施等。盾构施工引起的地面变形问题也凸显出来[1]。2019年12月广州地铁11号线沙河站、2013年1月广州地铁荔湾区康王南路与杉木栏路段、2008年杭州萧山区风情大道段、2008年1月广州地铁5号线大西盾构区间等。

关于盾构施工引起的变形问题研究较多。何书琴[2]在分析不同的穿河穿堤工程施工方法对河道行洪影响的基础上，提出了穿河穿堤工程防洪影响评价技术审查要点。白李妍[3]分析归纳了隧道工程施工对地下管线和地面建筑物的影响。韦娇芬[4]对广州地铁2号线某区间盾构隧道施工过程的地面沉降监测数据进行分析，探讨了盾构施工过程地表沉降规律、沉降槽分布形式及其影响范围和程度。骆建军[5]总结了4号线黄庄站在浅埋暗挖法施工下地表及拱顶沉降产生的原因及沉降规律，并提出控制沉降的措施。王文通[6]以深圳地铁区间隧道等工程施工监测情况为基础，论述了地铁工程中量测设计内容、项目选择及关键监测项目设计合理报警值的确定。郑陈旻[7]对隧道塌方预警的指标进行一系列研究，选取洞周相对容许收敛量、拱顶最大容许沉降量、容许变形速率为三大预警指标。张忠苗[8]等对杭州庆春路过江段盾构隧洞施工引起的地表沉降实测数据进行分析，采用Peck公式对横向地表沉降曲线进行拟合，并且对大堤和其他断面地表沉降进行了对比。赵光[9]针对南京纬三路过江通道工程，通过引入多波束河床监测技术，对隧位河床水下地形、流速进行了实测，并结合历史资料进行了河床冲刷阶段性的预测研究。张军[10]等以杭州地铁2号线钱塘江过江隧洞为背景，通过数值模拟和理论计算相结合的方法，阐述河床变形引起隧洞纵向变形的机理。

现有研究成果主要针对盾构引起的隧洞内部沉降变形、地表建筑物的变形容许值或者预警值确定，而对地铁盾构过江施工引起河床变形的研究缺乏实测数据。盾构过江引起的河床变形观测困难，一旦发生河床坍塌，可能引发防洪堤损毁、江水倒灌等严重后果。鉴于此，本文采用实测潮位过程和数值计算方法确定河床变形预警值，在盾构过江期间，采用水下机器人、RTK、多波束监测系统对河床变形进行实时监测，分析河床变形程度，及时向施工单位反馈变形信息，对跟踪河床变形的发展以及隧洞的安全施工具有重要的意义。

2 流域及工程概况

闽江为福建省最大河流，全长为562 km，流域面积为6万多km2，约占福建全省面积的一半。富屯溪、建溪、沙溪三大支流在南平延平区汇合后称为闽江，闽江下游在淮安头分流为南北港，在解放大桥下游北港由中洲岛分为南北两汊，南北港在罗星塔附近合流为一，之后经琅岐岛分流分别注入东海。

福州市地铁1号线穿过闽江北港，下穿闽江段，总长为400 m，过江段示意见图1。采用德国海瑞克复合式土压平衡Φ6 450盾构机施工，预制钢筋混凝土管片宽度为1.2 m，外径为6.2 m，内径为5.5 m，采用错缝拼装形式。盾构下穿闽江北港段约330环左右，隧道坡度约为26.7‰，最小转弯半径R为500 m，隧道最小埋深只有8.3 m。

图1 福州地铁1号线过江段平面示意

闽江下游自水口水电站以下均为感潮河段。福州地铁1号线过江轴线位于解放大桥下游约300 m处，解放大桥下游最大潮差为4.78 m(1996年)。北汊左岸台江码头附近最大水深达19.0 m；中洲岛侧水深7.00～10.0 m；南汊水面宽约100 m，河底较平缓，河底地面高程为-1.0～-2.30 m，水深一般为5.00～6.00 m。近年来为了减缓解放大桥下游的冲刷，增多次抛石护底。闽江江底地层为全断面砂层，且闽江南北两岸地质差异大，过闽江段分3个区段，分别为全断面硬岩、软硬交界面、江底中砂层，砂层中有卵石分布。福州地铁1号线过江段地质剖面示意见图2。

图2 福州地铁1号线过江段地质剖面示意

3 河床变形监测技术

3.1 洪、潮作用下的河床变形预测

受上游来水和潮流的影响，闽江河床地形不断地发生变化。开展闽江潮流观测，为河床高程测量提供基础资料，同时也可为数学模型提供验证资料。通过数学模型分别计算潮流和径流影响下，闽江河床变形量，为盾构过江安全施工提供监测数据。

1) 闽江大潮观测

在2015年3月7日12：00至3月8日14：00，对闽江下游淮安头、解放大桥、白岩潭3个断面进行大潮潮流测量。各断面布设3条流速测量垂线，3条垂线采用三点法(0.2 h、0.6 h、0.8 h)测量流速流向。每整点观测1次；流急、转流时应每15 min观测1次，每次观测应不少于100 s。

2) 洪、潮流作用下过江段面河床冲淤量计算

采用Mike21软件建立闽江下游二维水动力泥沙数学模型，根据实测的潮位、流速和流向资料对模型进率定和验证，计算工程所在河段在潮流和洪水作用下的冲刷过程。地铁盾构过江段施工期为闽江汛期，洪水工况选100年一遇洪水过程；潮流工况采用实测的大潮过程，地铁施工初期按照6个月考虑。经过计算，洪水工况下过江段面最大冲刷量为2.21 m，最大预计量为0.92 m；潮流作用下，过江段面最大冲刷量为1.39 m，最大预计量为0.79 m。

3.2 河床变形基准面的确定

1) 水下机器人观测

本文采用SeaBotix公司LBV300-5多功能水下机器人对地铁过江轴线附近的水下地形进行初步观测。通过现场观测发现：过江轴线附近河床分布有巨大卵石和块石，地形复杂；江底水体流速较大、水体浑浊、含沙量高，河床在径流和潮流作用下不断地发生着冲淤变化。

2) 多波束测量系统

采用GPS-RTK技术结合多波束测深技术进行水下河床地形数据采集，测量船安装移动站和测深仪，由中海达导航软件导航，沿着事先布置的地铁轴线走航测量。整个测量过程中，导航软件与导航GPS和测深仪连接，实现同步定位，进行实时数据采集。

3) 确定河床变形参考基准面

影响河床高程测量精度的误差包括[11]：船只动静吃水误差、潮位观测误差、换能器吃水误差、声速误差、密度梯度差、量化水深误差以及波浪等偶然误差等。基于影响河床地形的这些因素，采用监测期前移及数理统计方法：即在过江段盾构施工前一个月，每天对平潮期的河床地形进行连续测量，结合水下机器人观测结果对高程值进行分析，排除高程异常点，采用网格地形法确定施工前盾构穿江区域河床地形，作为变形参考基准面(见图3所示)。由于南汊右岸钢结构平台以及北汊左岸游艇码头的影响，河床监测的范围为13+213到13+490。

图3 监测期前移和数理统计方法确定的河床变形参考基准面

4 盾构施工过程中的河床变形监测及预警

盾构施工过程中，每天先对河床进行1次完整扫描。然后根据施工进度安排，对盾构机所处的河床断面进行加密测量，与基准面对比分析得到盾构掘进过程中河床的实时变形情况。统计盾构施工面附近河床的最大变形，得到盾构掘进到不同位置时河床的最大变形量。盾构施工到不同位置时河床的的最大沉降量统计结果见表1，典型日的河床测量结果见图4。

表1 掘进过程中盾构机附近河床的最大沉降量

图4 典型日的河床测量结果示意

盾构掘进到不同位置时的河床变形，与数模计算的洪水和潮流作用下的冲刷深度进行对比，分析河床的变形情况，及时向施工单位反馈变形信息。

由于河床地质不均匀，盾构机刀盘前方砂层中分布有卵石。刀盘的扰动以及巨大的水压力使得螺旋机闸门被石块卡住而无法关闭，大量的泥沙、石块通过闸门缝隙涌入隧道，盾构土压力由0.29 MPa降低到0.12 MPa，造成河床突然沉降。11月17日13+339桩号附近河床高程突降最大达到1.6 m，河床变形异常，超过潮流持续作用下的最大冲刷深度为0.79 m。11月21日的河床变形量最大达3.5 m，超过100年一遇洪水冲刷深度，及时向盾构施工单位报告。施工单位结合河床监测数据采用闷推、压注聚氨酯等方法，控制了险情的发展；采用膨润土浆液及高分子聚合物对掌子面渣土进行了改良；调整了盾构机的掘进速度和总推力等参数。后期对该区域进行重点加密观测，跟踪河床变形的发展情况。11月21日之后，该区域河床基本稳定，变形量未继续扩大。福州地铁1号线盾构掘进到不同位置时盾构机附近河床最大沉变形量见图5。

图5 盾构掘进到不同位置时河床最大沉变形量示意

5 结语

福州市地铁1号线下穿闽江北港，隧道盾构施工面临潮差变幅大、隧洞埋深浅、河床地质复杂、靠近重要商业区等风险，失事后果严重，盾构施工过程中有必要开展河床变形监测，掌握河床的实时变形情况。

采用水下机器人、GPS-RTK结合多波束测深技术进行水下地形数据采集，与数模计算的洪、潮作用下河床变形预警值对比，分析河床的实时变形情况。从实施效果上来看，该检测方法是可行的、有效的，其可以跟踪施工过程中河床变形的发展情况，为盾构安全施工以及事故调查提供参考依据。