地铁盾构隧道施工对周边环境影响的监测

1 工程概况

广州地铁三号线珠-客区间盾构工程利安花园段通过正在施工的利安花园三期工地,盾构施工前该工地基坑土方开挖已经完成,正在进行工程桩施工。地铁盾构隧道将从工程桩中间穿过,两者最近距离1.7~1.8m。利安花园三期基坑用搅拌桩、旋喷桩止水,采用锚喷支护。该地段工程地质条件差,存在较厚的淤泥层和砂层。

盾构施工前利安花园三期周边较大范围内地面有明显沉降,该区域建筑大部分为多层建筑,其基础采用静压桩(桩长12~18m)或采用锤击灌注桩(持力层为强风化层),还有部分建筑物基础形式不明。

由于地质和设计原因,该地段地铁隧道顶部部分需在砂层中成孔,成孔过程中流沙和降水均可能会对周边环境造成影响:①引起周边地面、建筑物沉降;②引起周边土体、工程桩位移;③引起周边水位下降,导致淤泥层固结压缩,引起周边地面、建筑物沉降;④隧道穿过止水幕墙时由于对止水幕墙及周边土体的扰动而引起止水幕墙的变形可能拉裂幕墙,造成基坑漏水,从而导致周边地面、建筑物沉降。基于上述考虑,在采取相关加固措施以保证周边已有构筑物安全的同时,应进行严密的监测,以确保周边构筑物的安全。

2 监测目的及监测内容

为了及时准确地掌握三号线珠-客区间盾构工程利安花园段施工时周边环境和建筑物的沉降、基坑变形以及对利安花园已成桩的影响,保证利安花园基坑及其前期的建筑物、艺苑小区和果园场小区的建筑物及其周边环境的安全,及时发现可能存在的危险并采取相应措施,将地铁施工对周边的不利影响减至最小,施工中以周边建筑物及地面(管线)沉降测量、周边水位测量、基坑止水幕墙顶部位移和沉降测量、工程桩顶部水平位移测量为主要观测项目,并在隧道和止水幕墙交叉位置、隧道和建筑物距离较近的位置进行土体深层变形测量,以便根据监测成果及时反馈信息指导施工,为信息化施工管理提供可靠依据。

具体监测项目及内容如表1。

3 监测方法和测点布置

测点布置以对周边建筑物沉降、利安花园三期基坑止水幕墙变形有较全面的了解为原则,同时,突出影响构筑物结构安全的重点项目和重点部位,如地铁隧道较近建筑物和隧道与止水幕墙交叉位置增加水位测孔和土体变形测孔等。

具体情况如下述。

3.1 周边建筑物、地面(管线)沉降测量

沉降监测根据二等水准测量技术要求,按照先控制后加密的原则进行作业。选用进口精密水准仪配合铟钢尺测量,仪器标称精度为±0.4mm/km。

测量过程中采用相同的观测网形,选定使用仪器和观测人员,并尽可能选择最佳观测时段,在基本相同的环境和条件下进行观测。

由于场区面积较大,为减少测量误差,共埋设6个测量基准点:在利安花园小区埋设3个测量基准点,其中2个为深埋式基准点;在艺苑小区和果园小区,埋设3个深埋式基准点。所有深埋式基准点均钻孔至岩层,然后在其顶部设置护罩。水准测量在水准基点稳定后进行观测。

本项目监测以建筑物结构沉降测量为主,同时测量周边地面沉降,共布置165个测点。每栋楼根据距离地铁隧道的远近、基础形式的不同布置2~12个结构沉降测点和1~4个地面沉降测点;在利安花园三期基坑南侧管线位置布置8个地面沉降测点;在隧道与止水幕墙交叉的2个位置各布置6~8个地面沉降测点。

3.2 周边水位测量

地下水位测量通过钻孔埋设水位测管,测孔穿过砂层,到达岩层面,深度约18m。采用声响式水位计观测,通过每次监测的水面标高来计算地下水位在一段时间内的累计变化量和平均变化率,从而判断地下水位的变化对既有建筑物或构筑物的影响。水位测量共布置19个测孔:在基坑止水幕墙的周边布置水位测孔,测量止水幕墙后的水位变化,测孔间距为20~40m;在距隧道较近的建筑物附近布置水位测孔,测量该位置的水位变化;在果园小区布置2个水位测量剖面,按距离隧道边3m、10m、20m的距离布置测孔,测量水位变化梯度。

3.3 基坑止水幕墙顶部位移和沉降测量

水平位移观测使用精密全站仪配合棱镜,采用极坐标法施测。监测工作基点在基坑四周布置,同时在远处稳固的地方布置基准点,测量工作基点的变化情况。采用二等水平位移监测标准进行测量,变形点的点位中误差≤3mm。测点采用强制对中,以减少对中误差。

其沉降测量方法与周边建筑物、地面(管线)的沉降测量方法相同。

在基坑止水幕墙顶部位移和沉降测量中共布置了21个测点。在基坑止水幕墙的顶部布置测点,测点间距15~30m。

基坑周边各项监测点布置见图1。

3.4 工程桩顶部水平位移测量

工程桩顶部水平位移测量方法与基坑止水幕墙顶部位移测量方法相同。

工程桩顶部水平位移测量共布置20个测点。在隧道两边82根工程桩中选择20根桩,在桩顶布置水平位移测点。

3.5 土体深层变形测量

土体深层变形测量(测斜)选用精密测斜仪观测。用测斜仪观测不同深度土体侧向位移时,首先将带有十字定向导槽的专用测斜管钻孔预埋在土体中,在隧道开挖前测量初值。其过程如下:将仪器探头沿十字定向导槽放至测管底,从底至顶每0.5m测一次数值;隧道开挖过程中测量值与初值比较的差值既是每0.5m由于开挖引起的位移量,从底至顶每0.5m的位移量累计即是不同深度的位移量(测管底埋入不动层,认为管底不动)。土体深层变形测量共埋设10个测斜测孔,测孔深度为20m。在隧道与止水幕墙交叉的2个位置各布置3个测斜测孔,测量土体深层变形;在距隧道较近的建筑物附近各布置1个测斜测孔,测量土体深层变形。

4 监测频率

从工程实际情况出发,测量分为两部分,一部分是所有测点定期普遍测量,一部分是对盾构机刀盘位置前后的测点进行加密观测。观测周期、次数:

(1)各监测项目测初值2次。

(2)地铁隧道施工前期阶段(1个月),7天测量一次。

(3)地铁隧道施工阶段(3个月),所有测点3天测量1次;盾构机刀盘通过利安花园三期基坑时对其位置附近(盾构机前后50m、隧道左右边线15m范围内)的测点1天测量2次。

(4)地铁隧道施工后(3个月),第一个月7天测量1次;第二个月15天测量1次;第三个月测量1次。

5 监测资料分析

5.1 周边建筑物、地面(管线)沉降测量

周边的新中国造船厂、利安花园、果园小区、艺苑小区建筑物沉降监测点及其范围内的地面点在地铁隧道施工期间均没有较大沉降,处于稳定状态,特别是果园小区内加固注浆线以东的地面点沉降量较小,说明地铁隧道施工对周边建筑影响较小;地铁隧道经过位置上方的地面监测点在盾构机通过时出现较大沉降,其中最大累计沉降量为154.4mm,说明地铁隧道施工对隧道经过位置上方的地面影响较大。由于监测方及时反馈资料,通知施工方注意,进行加固注浆,通过采取措施使其逐渐趋于稳定,没有造成太大影响。盾构隧道工程通过淤泥层和砂层时对地面影响较大,在以后类似地质条件段施工中需要加强注意。

5.2 周边水位测量

在地铁盾构机通过基坑止水幕墙前,基坑止水幕墙周边布置的水位测孔出现较大变化,而周边建筑物附近布置的水位测孔变化较小,通过进行加密监测后分析,认为是由于利安花园三期基坑施工降水的影响,说明地下水的聚散与消散与地下应力变化有密切关系。在地铁盾构机快要通过基坑止水幕墙时,利安花园三期基坑施工降水井已填,所有水位测孔在地铁盾构机通过利安花园三期基坑过程中变化均较小,没有异常出现。

通过对所有水位观测资料的分析,说明地铁盾构工程由于开挖面较小和及时注浆加固对周边水位影响较小。

5.3 基坑止水幕墙顶部位移和沉降测量

地铁盾构隧道通过利安花园三期基坑是本项目监测的重点,在基坑止水幕墙顶部共布置21个位移和沉降测点。在地铁盾构机通过利安花园三期基坑过程中,其中大部分观测点的水平位移小于20mm,位移大于20mm的有三个点,具体情况见表2。

表2中位移较大的点位均为地铁隧道和利安花园三期基坑止水幕墙交叉位置处,而且在盾构隧道施工经过时出现较大位移,盾构隧道施工之后这些点位逐渐趋向稳定。

基坑止水幕墙顶部沉降监测点沉降位移较大的点也出现在地铁隧道和利安花园三期基坑止水幕墙交叉位置处,其中最大累计沉降量为-32.5mm,说明地铁隧道施工对隧道经过位置上方的基坑止水幕墙影响较大。

对所有基坑止水幕墙顶部水平位移和沉降位移观测资料进行分析的结果表明,地铁盾构工程通过地面既基坑下部过程中对基坑止水幕墙影响较大,尤其是地铁隧道和基坑止水幕墙交叉位置处位移量超过警戒值。在施工过程中要采取有效的控制措施使地铁盾构工程施工对地面即有工程的影响达到最小,以免造成基坑坍塌等不良后果。

5.4 工程桩顶部水平位移测量

由于基坑工程施工的影响,利安花园三期基坑内工程桩顶部平面位移监测工作仅在盾构施工进入基坑后才开展了一个月左右,监测期间位移量较小。后来因为基坑内工程桩顶受到施工影响,埋设的平面监测点位遭破坏,停止了对工程桩的监测。

5.5 土体深层变形测量

本项目共布设10个测孔,大部分测孔位移量小于10mm,土体主要位移范围为4~10m,最大位移位于6.0m处,位移量为13.25mm。在整个施工期间,土体均向开挖侧位移,且开挖过程中位移速率较大,开挖完成后变形逐渐缓和,并趋于稳定,位移变化在安全范围内,未出现异常。

6 结 论

在广州地铁三号线珠-客区间盾构隧道施工中,通过第三方监测,掌握了利安花园三期基坑及其前期的建筑物、艺苑小区和果园场小区的建筑物及其周边环境在地铁盾构隧道施工过程中的动态变化,及时地进行了预测和信息反馈,用监测成果调整设计并指导施工,达到了信息化施工的目的,为以后的工程作了技术储备。

在地铁隧道经过淤泥层和砂层等不良地质条件时,需要采取严密的监测措施,尤其是要进行第三方监测,通过第三方与施工方监测成果的比较分析,及时掌握施工对周边环境的影响,才能达到大型地下工程安全施工的目的。