公路隧道安全监控

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摘要:结合南京地铁一号线一区间盾构隧道下穿公路隧道的具体工程实践,探讨了两种不同类型隧道互交穿越的施工监测技术,根据影响安全的各因素,采取可行的监测方案,分析了盾构穿越公路隧道过程中监测数据的变化规律,用于指导实践,保证了隧道结构和周边环境的安全,获得满意的结果。为同类型工程积累了经验。

关键词:盾构隧道;公路隧道;下穿;安全监控中

1工程概况

南京地铁与玄武湖公路隧道为南京市政两大重点项目,地铁一号线盾构施工隧道(左、右线)与玄武湖公路隧道在新模范马路与中央路的丁字路口立体交叉,公路隧道在地铁隧道的上方,并先于地铁隧道施工。两条隧道互交处的最小净距右线为11004m,左线为11053m,因此,在盾构机穿越公路隧道下方的施工过程中,安全监控成为确保两隧道结构安全的一项重要工作。

盾构机穿越地层为粘土性地层,有淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉土等,土质不均,土质较差。围岩划分为Ⅰ类,地下水主要为孔隙潜水与弱承压水,采用土压平衡式盾构掘进。玄武湖公路隧道采用明挖顺做法施工,围护结构采用SMW法工法,主体结构为钢筋砼箱体结构,底板为850mm厚钢筋砼,垫层为200mm厚素砼,并沿公路隧道纵向设抗拔桩,主体结构仅先于地铁隧道2月完成施工,并预留了极小的盾构穿越空间。

2安全监控方案

为保证盾构的安全通过和公路隧道的安全,根据可能出现影响安全的因素,选择布置适当的监控方案,使其能客观地反映盾构通过公路隧道时的安全状况。211监测内容及测点的布置对盾构隧道进行管片衬砌沉降和收敛监测,同时对公路隧道进行底板隆沉、隧道净空收敛监测及围岩压力测试。其中管片变形点布置在盾构左右隧道轴线与公路隧道上行、下行隧道中线相交处的断面上;考虑到盾构引起的地表沉降槽呈正态曲线分布[2],盾构隧道上方沉降量大,向两侧逐渐减小,因此布置成如图1(a)所示的公路隧道底板隆沉点;在公路隧道上行、下行隧道内沿盾构左右线隧道轴线布设公路隧道净空收敛点;在公路隧道与盾构隧道交叉处埋设6个土体压力测点,布置于垫层与土体之间。

212监测频率及预警盾构机通常的平均掘进速度为每天12m,在下穿公路隧道时放缓速度,约每天8m。盾构机接近公路隧道60m前开始初测并按照规范要求的频率进行观测,通过时每6小时测量一次。同时当监测值累积变化接近或超过报警值时,加大监测频率。预警值按照Ⅲ级监测管理[3]来确定,即将控制值的三分之二作为警告值,控制值的三分之一作为基准值,将警告值和控制值之间称为警告范围,实测值落在此范围,应提出警告,需要调整施工参数、采取施工对策;警告值和基准值之间称为注意范围;实测值落在基准值以下,说明两隧道和围岩是稳定的。同时利用变化速率作为辅助监测基准。213控制措施。

为减小盾构施工对玄武湖公路隧道的影响,在施工中应尽可能地减小对周围土体的扰动和地表沉降,关键技术是保持盾构开挖面的稳定和管片脱出盾尾后建筑空隙。盾构开挖面的稳定可以通过优化掘进参数来控制,其重要参数有三个:正面压力、推进速度和出土控制。在盾构还未到达公路隧道的掘进过程中,通过地表沉降曲线进行实测反馈,以验证选择施工参数的合理性或据以调整优化施工参数。在通过公路隧道时减小正面压力,放慢推进速度,加快出渣速度能达到降低地表隆起的目的;相反,采取提高正面压力,加快推进速度,减少出渣量,能起到控制沉降的目的,这样能够保证公路隧道路面的稳定。

建筑的空隙的充填则采取同步与二次注浆。在盾构掘进过程中,尽快在脱出盾尾后环形建筑空隙中充填足量的浆液进行同步注浆。二次注浆是弥补同步注浆的不足,减小沉降的有效辅助手段,在盾构下穿公路隧道时,以达到控制地表沉降的目的。盾构通过后,根据实时监测结果及时控制固结沉降,在管片衬砌后实施跟踪回填与固结注浆,尤其是对拱部120°范围内进行地层的固结注浆,最大程度地保证公路隧道和盾构隧道的稳定。

同时注意盾构姿态的控制,在盾构推进和管片拼装时确保姿态不后退、不变向、不变坡,保持连续均衡的施工。并且在公路隧道与盾构隧道互交处,加载垫层,沿玄武湖隧道纵向设抗拔桩。

3实测情况分析

盾构左线于2002年5月16日至19日完成公路隧道段的施工。在盾构机接近公路隧道60m到远离公路隧道100m这一阶段,连续对监测项目进行跟踪监测分析。

(1)土压力分析图2是盾构机左线穿越公路隧道时,土压力的变化情况。

土压力变化曲线土压力的变化规律与盾构施工进程相对应,土压变化规律比较明显,主要有以下特点:1)右线土压力(Y4、Y5、Y6)基本没有变化,说明盾构掘进影响范围比较小,右线上方土压力比较正常,土体没有发生大的扰动。

2)从左线土压力(Y1、Y2、Y3)的变化情况来看,盾构推进对左线上方土体有挤压作用。盾构切口前方土压略有下降(主要是泡沫影响所致),但数值比较小;盾构切口到达时与盾构土仓顶部压力基本一致。

3)盾尾到达时土压上升(主要受同步注浆影响),盾尾通过后土压开始下降,最终稳定但仍比掘进前略大。土压下降是浆液固结收缩所致,总体上同步注浆对地层有压密作用。

4)还反映出在盾构到达后,土压力不断增加,平均大约增加0106MPa,随后又减少了大约0104MPa。说明盾构在推进时对周围主体产生挤压,使压力增加,而后产生弹性恢复,压力减小。压力经历了减小—增大—减小的动态变化后,其间使公路隧道和盾构隧道的受力发生变化,控制不好会影响两隧道的安全。

(2)公路隧道底板沉降

从4月25日开始对玄武湖公路隧道底板开始跟踪监测,到5月23日盾构已经完全穿出一段距离后,公路隧道南北线29个监测点最大隆沉值为119mm,最小值011mm,未影响公路隧道的安全。为分析盾构推进对公路隧道底板影响规律,分别绘制公路隧道方向(南线)沉降在不同时间段内的变化曲线图,以及典型点随时间变化的曲线图

1)盾构未到达公路隧道时,地表有比较大的沉降量,最大沉降量为116mm,说明盾构正面对土体的推应力小于原始侧向地应力。而且其沉降量曲线与累积沉降量曲线很接近,说明这一阶段的沉降量是通过公路隧道时主要沉降段。

2)盾构通过时,地表有隆起的现象,最大值仅为017mm,由于盾构切口到达时与盾构土仓顶部压力基本一致,微量隆起跟强注浆量有关。同时没有出现大的隆起说明抗拔桩起到了抗拔的作用。

3)盾构通过后,公路隧道地表有微小的沉降,其中S1-1,S2-1处于抗拔桩外沉降明显。

4)分析典型点沉降过程,盾构到达前的沉降量占到总沉降量的95%以上,速率为0108mmΠd。而通过时的隆起抵消了通过后由于土体的固结引起的沉降。

5)监测数据显示,当覆土厚度不够时,加载垫层和抗拔桩是有效的措施之一,能很好地控制地表的隆沉。

(3)管片沉降及隧道收敛

监测数据显示公路隧道的净空收敛最大变化量为0187mm。同时根据对地铁管片连续的跟踪监测表明,相交处地铁隧道最大累积收敛为1148mm,最大累积沉降为0170mm。考虑到读数的误差,可以认定在穿越玄武湖公路隧道期间,公路隧道没有受到大的影响;完全穿越后地铁管片的沉降以及收敛在控制范围内,说明公路隧道已经趋于稳定,盾构隧道安全穿越公路隧道。

4结论

(1)监测数据表明在盾构隧道穿越公路隧道期间,盾构的各种参数设置比较适当,在推进速度较快(约60mmΠmin)的情况下,保证了公路隧道的稳定;同时为右线盾构隧道的再次穿越积累了经验。

(2)地铁隧道与不同类型的隧道互交并且采用土压平衡盾构施工,当覆土厚度不够时,可加载垫层和设置抗拔桩。监测结果表明一些变形数值远远小于控制值。在覆土最小仅为11004m的状态下,盾构机安全穿越公路隧道,为以后同类型工程积累宝贵的经验。

(3)在盾构推进时,须加强周边环境的监测,根据实际情况来调整盾构推进参数,控制地表沉降,保证相交隧道的安全有着重要的作用。

参考文献

[1]唐益群等.上海地铁盾构施工引起地面沉降原因分析研究

[2]张庆贺等.盾构推进引起土体扰动理论分析与试验研究

[3]岩土工程监测规范.北京:中国计划出版社,996.