地下工程对地裂缝的沉降控制分析

【文章摘要】

本文通过西安二号线穿越长安立交桥区间段，长安立交桥所处位置以及隧道开挖可能对长安立交桥的影响的分析，结合桥桩沉降的及隧道内拱顶沉降以及隧道净空收敛的监测与其数据分析，保证了长安立交桥在隧道施工过程中的安全运营，同时确保了隧道的安全生产，说明了监测在地铁施工中的重要性，并为城市地铁设计施工提供参考。

【关键词】

地铁施工；监测；桥桩沉降；拱顶沉降；净空收敛

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0 引言

西安地铁2号线多处穿越地裂缝，其中以15标段体育场～小寨区间同时下穿长安立交桥及穿越F6、F6'地裂缝，长安立交桥位于南二环与长安路交叉，交通繁忙，自1994年建成以来由于地裂缝活动造成的位错已达40cm。立交桥盖梁及梁体均产生了明显的错动变形（22cm）。受地裂缝及地面沉降影响较大，已经基本接近危桥，承受不均匀沉降变形能力很弱。继而要在隧道施工期间对长安立交桥及桥下隧道实施严格监控，使其施工期间地面沉降得以有效控制，交通照常运营，同时保证隧道内的安全施工。

1 工程概况

长安立交桥建于1994年，距今已有13年历史，长安立交桥桥面总宽51.5m（包括护栏）。桥梁跨径：上交四跨简支先张预应力空心板桥，总跨径为47.4m，基础为扩大基础，下采用1.5m厚片石混凝土处理。由于f6、f6'地裂缝的活动及人为过量开采地下水的影响，长安立交桥已经发生了不均匀沉降且变形明显，最大处梁体错台已达到22cm，基本接近危桥状态。

工程所处位置为南二环与长安路立交范围内，地面交通繁忙，通过调查分析基本不具备地面降水条件，如采取洞内水平降水则因成孔及降水作业引起的围岩扰动就很大，真空降水则不适合本工程地质条件。另外，桥梁附近施工降水时间过长将对桥梁产生沉降影响。

对于桥梁基础可能因隧道施工引起的变形，要采取地表跟踪注浆加固基础解决，并根据监测变化进行动态调控注浆。洞内主要解决掌子面前方软弱土体稳定问题，可通过大管棚+超前小导管进行超前支护，掌子面全断面深孔预注浆改良土体，加大施工监测频率，采取多种监测方式。施工过程中准备好千斤顶及脚手架，并于市政交管部门联系，一旦出现影响桥梁运营安全的沉降变形则立即断道进行抢险加固。

2 监测目的及方案

2.1 监测目的

（1）根据监测数据，分析施工引起的地表隆陷，以及地层应力重分布、地层变位对长安立交桥的影响；以采取相应的加固、防范措施，确保长安立交桥的安全及正常使用。

（2）修改工程设计

将现场测量的数据、信息及时反馈，以修改和完善设计，使设计达到优质安全、经济合理。

（3）了解暗挖隧道支护结构和周围地层的变形情况，为施工日常管理提供信息，保证施工安全。

隧道支护结构和周围土体的变形及应力状态和其稳定情况密切相关，隧道支护结构和周围土体各种破坏形式产生之前通常有大的位移、变形、受力异常等，监测数据和成果是现场施工管理和技术人员判断工程是否安全的重要依据。因此，在施工过程中，通常依据观测结果来验证施工方案的正确性，调整施工参数，必要时采取辅助工程措施，以此达到信息化施工目的。

（4）验证支护结构设计，为支护结构设计和施工方案的修订提供反馈信息。

我国当前地下工程支护结构设计基本处于半经验半理论状态，土压力多采用经典的理论公式，与现场情况有一定差异；地下结构周围土层软弱，复杂多变，结构设计的荷载常不确定，而且，荷载与支护结构变形、施工工艺有直接关系，因此，在施工中迫切需要知道现场实际的应力和变形情况，与设计值进行比较，必要时对设计方案和施工过程进行修改。施工监测是支护结构设计的重要组成部分。

（5）积累资料，以提高地下工程的设计和施工水平。

支护结构的土压力分布受支护方式、支护结构刚度、施工过程和被支护土类的影响，并直接与支护结构及土体的位移有关，常很复杂，现行设计分析理论尚未达到成熟的阶段，积累完整准确的地下工程开挖与支护监测结果，对于总结工程经验，完善设计分析理论是很有价值的。

2.2 监测方案

2.2.1 桥桩下沉监测

监测目的

地下工程开挖过程中，地层中的应力扰动区延伸至地表，围岩力学形态的变化在很大程度上反映于地表沉降，如附近有建筑物，则地表沉降有可能引起房屋的不均匀下沉，对房屋造成破坏。且地表沉降可以反映隧道开挖过程中围岩变形的全过程。因此必须对地表沉降情况及受影响房屋、管线情况进行严格的监测和控制。桥桩监测点分布示意图见图1。

图1 桥桩监测点分布示意图

监测仪器

莱卡NA2精密水准仪，铟钢尺。

监测实施方法

（1）测点埋设

桥桩上埋设监测点，先在墙（桩）上钻孔，然后将螺栓或螺纹钢预埋件放入，孔与测点四周空隙用水泥砂浆填实，如图2所示。

图2 桥桩监测点示意图

桥桩沉降控制值及检测频率

长安立交桥桥桩沉降控制值为：横桥向同一盖梁两个承台不均匀沉降位移差控制值小于5mm（满足于桥面不返修）。桥梁承台基础的允许沉降数值为20mm。

各监测项目通常的观测频率为：在长安立交各项施工期间，每天观测1～2次；半个月后到一个月内，每2天观测一次；一到三个月每周测读1-2次；三个月后，每月测读1-3次；遇有突发性事件则加强量测，一般每1-2小时监测一次。（拱顶下沉与净空收敛监测频率与此相同。）

2.2.2拱顶下沉

监测目的

拱顶下沉量测值是反映隧道安全和稳定的重要数据，是围岩和支护系统力学形态变化的最直接、最明显的的反映，易于实现量测信息的反馈。

图3 拱顶沉降及净空收敛监测断面图

图4 隧道内监测点布置图（1-1断面）

监测仪器

苏光DSZ-2型精密水准仪及钢挂尺。

监测实施方法

（1）测点埋设

根据设计图纸要求，拱顶测点埋设时，应在掌子面开挖出碴完毕后，拱架架立时，将预埋件焊接至拱顶，待该环砼喷射完毕牢固后，将预埋件上砼清除干净后，即可进行量测。

拱顶测点布设原则为10米布设一测点，与地表沉降布设在同一断面上，特殊情况测点可适当加密。

（2）量测方法

拱顶下沉量测主要采用精密水准仪，量测各测点与基准点之间的相对高程差，本次所测高差与上次所测高差相比较，差值即为本次沉降值，本次所测高差与初始高差相较，差值即为累计沉降值。

（3）数据分析与处理

监测数据的填写、处理与地表沉降相同。如果拱顶下沉超限，可采取以下方法控制拱顶的下沉：改良拱顶岩体或土体的稳定性；改善开挖方法以减小开挖对拱顶围岩的扰动；加强支护等等，或采取以上几种方法进行综合处理。

（4）围岩位移控制基准

洞内允许位移控制基准见下表

表2洞周允许相对位移值

围岩类别 隧道埋深（m）

H

Ⅲ 0.15%～0.5%

Ⅱ 0.2%～0.8%

注：1、水平相对收敛值系指实测收敛与两测点间距离之比，本工程水平收敛值取0.5%B（B为隧道跨度）；

2、硬质围岩的隧道取表中较小值，软质围岩的隧道取表中较大值；

3、本表所列数值可在施工过程中通过实测和资料积累作适当修正；

4、拱顶下沉允许值一般按本表数值的0.5～1.0倍采用。本工程拱顶下沉最大允许值采用50mm。

2.2.3 结构净空收敛

监测目的

隧道开挖后，周边点的位移是围岩和支护力学形态变化的最直接、最明显的反映，净空的变化（收缩和扩张）是围岩变形最明显的体现。

监测仪器

钢尺收敛仪

监测实施方法

（1）测点埋设

根据设计图纸要求，收敛测线埋设时，应在掌子面开挖出碴完毕后，拱架架立时，将预埋件焊接至拱腰，应尽量使两预埋件位于同一轴线上。待该环砼喷射完毕牢固后，将预埋件上砼清除干净后，即可进行量测。测线布设原则同拱顶测点，且同拱顶测点布设在同一断面。

（2）收敛量测方法

1）初次量测在钢尺上选择一个适当孔位，将钢尺套在尺架的固定螺杆上。孔位的选择应能使得钢尺张紧时支架与百分表（或数显表）顶端接触且读数在0～25mm的范围内。拧紧钢尺压紧螺帽，并记下钢尺孔位读数。

2）再次量测，按前次钢尺孔位，将钢尺固定在支架的螺杆上，按上述相同程序操作，测得观测值Rn。按下式计算净空变化值：

Un=Rn-Rn-1

式中：

Un-第n次量测的净空变形值

Rn-第n次量测时的观测值

Rn-1-第n-1次量测时的观测值

（3）数据的分析与处理：

首先作出时间-位移及距离-位移散点图，对各量测断面内的测线进行回归分析，并用收敛量测结果判断隧道的稳定性。如果收敛值过大，应改善周围岩体或土体的稳定性，改变开挖方法，尽量减小开挖对周围岩（土）体的扰动；加强支护等等，以确保收敛值在规范允许的范围内。

3 监测数据分析及信息反馈

取得各种监测资料后，需及时进行处理，排除仪器、读数等操作过程中的失误，剔除和识别各种粗大、偶然和系统误差，避免漏测和错测，保证监测数据的可靠性和完整性，采用计算机进行监控量测资料的整理和初步定性分析工作。

3.1 长安立交桥桩沉降数据分析

因长安立交桥于南二环相交，上为南北向长安路，下为东西向南二环，根据受力情况取JQ2监测点进行分析。

JQ2各点变形规律分析：

JQ2-4：前期变化不稳定，但保持在4～5mm之间，7月20日以后变形稳定在5mm左右。

JQ2-7：前期变化同JQ2-4监测点基本吻合，两个点处于同一桥桩承台上，两点沉降差未超过5mm，变形处于安全范围内。

JQ2-8：变形曲线于7月25日后渐趋稳定，最大变形稳定在7mm左右。

JQ2-11：变形曲线于JQ2-8曲线基本并行，与JQ2-8监测点沉降差基本保持在3～5mm，变形稳定在安全范围内。

4 结论

本工程中监测在隧道施工过程中，对长安立交桥的安全及隧道施工预警起到了积极的作用。对长安立交桥基沉降进行了监测分析，及时的提出预警，使施工方对长安立交桥作出了特殊处理，从而保证了隧道的安全施工和长安立交桥的使用安全。

地铁隧道开挖施工过程中对地面既有建筑的监测和隧道内监测对隧道安全施工起到不可替代的作用。本文监测方案成功解决了地铁隧道开挖对地面既有桥梁的安全问题，可广泛应用于城市地下空间施工的安全监测，有广阔的发展前景。

【参考文献】

[1]坪井直道.化学注浆法的实际应用 [M].北京：煤炭工业出版社，1980

[2]王云龙.二重管垂直注浆在基坑周边止水帷幕中的应用 [J].《科技信息（学术研究）》2008.（14）

【作者简介】

赵永清，男，本科，助教，现在宁夏建设职业技术学院任教。