上海地铁施工问题及监测

上海地铁隧道建设中的主要岩土工程问题及其监测方法 王驰 0080109050 1 前言 随着我国城市建设的发展，为彻底解决城市交通拥挤的状况，我国率先在北京、天津、 上海、广州 4 大城市进行了地铁建设。上海作为一个国际化的大城市，规划和建设了新的 地下铁道，越江隧道。以往城市建设的交通工程一般都位于地面，对勘测设计施工的要求 也不高，而地铁工程的特点是建于地下，这就对设计施工提出了更高的要求,传统的作业方 法已不能满足铁工程高速、优质、准确的要求。在上海地铁的建造过程中发现了很多具有 典型性质问题，这些问题在软土地铁施工中具有一定的可重复性。应当引起我们的重视。 上海地铁隧道建设中遇到的主要岩土工程问题有一下几个：一、盾构法施工引起土体 变形和地面沉降，会导致四周一定范围内建筑物和管线的损伤，这是在市区采用盾构法施 工的最大风险。特别是一些设备不精良的国产盾构，地表变形更为严重。二、为了控制地 面沉降，上海地铁隧道建设过程中采用了同步注浆技术，采用的是惰性浆液，但是在对使 用惰性浆液的隧道后期复测过程中，发现隧道轴线发生了偏移，主要是产生了上浮，影响 了隧道工程质量。三：上海市地面以下 20m 范围内大多为淤质粘土、亚粘土，地下水位又 高，容易发生渗水现象，影响使用年限，应当尽可能避免。 2 地面沉降的监测与控制 盾构施工中地面沉降问题始终是普遍关注的问题，但是至今没有一个完美的解决办法 和预测体系。盾构施工有其特殊性，想要控制十分困难。如东京某地铁隧道最大沉降达 18.2cm；挪威一隧道竟达到了 60.9cm。 2.1 地面沉降的原因 盾构隧道施工中引起的地面沉降主要有两个原因，一是所谓的地层损失，即隧道施工中实 际开挖的土体体积与竣工隧道体积之差；另外一个是被扰动土体的固结，即隧道推进与压 浆过程中对隧道外地层形成超静孔隙水压力，该压力随时间消散过程中土体的排水固结可 能要维持很久，其固结量占总沉降量的 1/3 以上。影响地层损失的因素很多，如土体位移， 盾构机后退、盾构纠偏、盾构机外壳对土体的摩擦和剪切等等。其中起决定性作用的是由 于盾构推进对土体产生的压力 F 与天然状态下土体侧向压力 P 不平衡而造成，当 FP 时， 地层损失为负值，造成地面隆起；反之造成地面沉降。 2.2 监测方法 地表沉降的监测一般仍然采用在隧道沿线布线布沉降观测点的方法，只是与其他工程 相比，隧道沿线布点的密度以及观测所需要的精度都有很大的提高，要求更为严格。 以穿越沪宁铁路线的 3.1 标隧道为例，它位于上海中山北路交通路立交桥下，隧道中 心线与铁路线斜交。根据铁道部门的要求，决定地面沉降的监控范围前后各加 20m 左右， 共唱约 108m，隧道顶面距离地面约 7.3m。铁路两侧围墙内共设观测断面 6 道，观测点 54 个；围墙外观测断面间距从 10m 缩短为 4m 和 5m，东西两侧各设 5 道，观测点 50 个；是 想 24 小时观测，围墙内每半个小时观测一次，采用精密水准仪，测量精度达千分之一毫米， 电脑存储打印，围墙外用普通水准仪，每小时观测一次。在 11 天内共测得沉降数据近 30000 个。从这个工程实例可以看出，地铁隧道引起的地面沉降观测是一个浩大而精密的 工程，十分耗费人力物力，也进一步说明了地下工程中施工监测的重要性。 2.3 控制方法 应该从沉降产生的原因入手，修改施工参数，找到最佳的施工方案。具体可以从下面 三个方面入手：一、掘进土压力值的设定。上面所举的例子中日方选取的掘进压力值偏小， 不适用于淤泥质粘土条件。应加大掘进压力，使得盾构机前端先行隆起，以弥补盾尾过后 产生的沉降，否则盾尾后沉降将更大；二、注浆量的设定。同样在上述例子中，日方提出 的注浆量是不够的，这是因为上海地区的地质特点所决定的，隧道穿越的介质属于淤泥质 粘土，孔隙比很大，压注的泥浆有一部分进入周围的土层中了。这也与在坚硬的土层中进 行盾构是不一样的；第三：注浆时间的选择。注浆时间过晚的话土体极有可能由于未及时 注浆而坍塌造成地面较大的沉降。 总之，地铁隧道施工引起的地表沉降是地铁施工中的普遍问题，也是最难以避免的问 题之一，应当从原因出发，认真做好监测工作，尽可能减少过大沉降的发生。 3 轴线偏差监测及控制 在上海地铁盾构法施工隧道掘进过程中，凡使用惰性浆液的都明显地出现隧道轴线的 复测与设计轴线不符，轴线向上浮动。想要得到具体上浮量，会涉及到到了隧道中心坐标 的测量方法。 3.1 中心坐标测量方法 隧道中心坐标的测量方法，其难度并不很高,但较复杂。如图 1（a）所示是隧道瓦形环 衬砌洞壁，环中心在洞壁上没有明显标志，所以测量方法通常是测定一个圆周上若干点的 坐标，然后按最小二乘拟合的方法计算环的椭圆度和环中心坐标。观测时，仪器是安置在 地下导线点上,以特制的棱镜安放在洞壁圆周各点上,每点测定 3 维坐标。拟合计算是按一般 的闭合曲线方程进行的。 图 1 在上海地铁 2 号线中,提出一种简便的方法,经过实际使用,其效果很好(与采用上面方法 结果的差异均在10 mm 以内) 。具体为： 1.环片中心平面位置确定。中心点的确定方法是将一根 5 m 长的精制铝合金尺横在隧 道环两侧,并借助以水准器使标杆置于水平位置,这时标杆中央的标志就是环片的中央,如图 6(b),再用全站仪瞄准其中心位置,从而测得坐标。 2.环片中心标高确定。用一根 5 m 长的塔尺,置于环片的上、下的中央(最大读数处) 位 置上,用水准尺的水平丝读取上、下尺的读数,将读数相加便得到竖径。通过将各环的底部高 程加上竖径一半,算得各环的高程。 3.2 控制措施 上海地铁隧道施工由于采用惰性浆液而产生轴向偏差已成为土压力平衡盾构施工隧道 的一个技术难题。盾构施工中一些指标如仓内压力、掘进速度、出土量、千斤顶推力以及 隧道所在位置的地质条件等都对隧道轴线偏差有影响。但主要的影响因素为注浆压力、注 浆方式、注浆量和浆液性质。在注浆压力相同的条件下，注浆量和浆液性质则是隧道轴线 发生偏差的主要原因。 为了减小注浆所引起的轴线变形，可以采用以下几种方法：（1）可以改惰性浆液为活 性浆液：惰性浆液和活性浆液相比较，具有施工方便，注浆管不易堵塞的优点。但由于惰 性浆液在固结过程中比重变化及浆液水分的析出而产生的隧道曲线上浮和后期地表有一定 的沉降，则是软土地区使用惰性浆液的盾构法施工隧道的一个技术难题。 （2 惰性浆液的配 合比必须以实验室数据为基础，并进行固结后的强度指标试验，最后才能确定惰性浆液的 最佳设计配合比。 （3）在施工过程中必须严格按照浆液设计配合比例，保证浆液质量。特 别是对水量的控制，避免发生浆液固结后析出水层厚度加大，以控制隧道轴线上浮以及后 期的地表沉降。 （4）在注浆压力相等的条件下，严格控制注浆量，可保证隧道轴线的偏离 值和地面沉降值在允许误差范围内。 4 防水问题 国内外采用盾构法已建成大量隧道，逐步形成了较成熟的结构设计计算理论与工程实 践体系，但是在隧道及地下工程的防水方面的认识则相对落后。地铁隧道不可避免地要经 过含水量较高的地层(如上海地铁所处地层大多为饱和含水淤泥质软粘土层) ，所以必将受 到地下水的侵害。如果没有可靠的防水、堵漏措施，地下水就会侵人隧道，影响其内部结 构与附属设备，乃至危害到地铁的运营和降低隧道使用寿命。如 1968 年建成的上海市第一 条黄浦 江越江隧道，就曾一度因为渗漏严重而停止使用。 盾构隧道渗漏水的位置主要是管片的接缝、管片自身小裂缝、注浆孔和手孔等。其中 以管片接缝处为防水重点。 4.1 隧道的防水技术 （1）管片结构的自防水：结构自防水是首选的防水措施，主要方法是通过采用防水混 凝土及严密的施工工艺来保证管片制作质量，以达到防水效果。防水混凝土分为普通防水 混凝土、外加剂防水混凝土和膨胀水泥防水混凝土三类。地铁结构物一般用普通防水混凝 土，而盾构隧道衬砌由预制管片拼装而成，多用外加剂防水混凝土，抗渗标号可达 512 以 上。一般说来，混凝土抗渗性随标号增高而增高，标号越高，水泥用量越多，水化热增高， 收缩量加大，反而更易出现裂缝，所以应合理选定混凝土的抗渗标号。 （2）管片外防水涂层：管片外防水涂层需根据管片材质而定，凡有较，深裂纹的管片 一般都要增加外防水涂层。对钢筋混凝土管片而言，一般要求涂层应能在盾尾密封钢丝刷 与钢板的挤压摩擦下仍保持完好，当管片弧面的裂缝宽度达 0.3mm 时，仍能抗 0.6MPa 的 水压，长期不渗漏，涂层应具有防迷流的功能，其体积电阻率、表面电阻率要高，涂层应 具有良好的抗化学腐蚀、抗微生物侵蚀能力和足够的耐久性。 （3）管片接缝防水：管片接缝防水包括弹性密封垫防水嵌缝防水和向接缝内注人聚氨 醋药液等。下面将介绍可靠性最高的弹性密封垫防水的各种要求。 4.2 渗漏水的治理方法 根据不同部位渗漏水的不同形式，采用下列具体处理措施: (1) 环纵缝的线漏、滴漏以及二腰渗漏水处宜采用注浆堵漏，即在渗漏严重处先打一 小孔，插人塑料细管引排渗漏水，同时插人另一注浆管向外压注聚氨脂浆材料封堵渗水通 道，当确认不渗漏水时剪断注浆管(对有多处渗漏水点的情况，应先上后下，最后封堵两腰) 。 在埋管处用快凝水泥封缝，周围纵环采用工字型水膨胀腻子条加封氯丁胶乳砂浆作整环嵌 缝处理。对于已做工字条嵌缝但仍有渗漏的环缝，在注浆堵水后，宜取工字条，涂刷界面 剂，再用快凝水泥封缝。 （2）裂缝为 0.15mm 以下的潮湿裂缝或微裂缝，可采用无机水性高渗透密封剂作涂刷 封闭处理 (3)对 0.20mm 以上的微裂缝也应注浆，采用聚合物砂浆类，用氯丁胶乳、卤偏乳液、 丙烯酸乳液等涂抹封闭。 (4)对于集中渗漏区段，可利用回填注浆孔钻穿管片，注人超细早强水泥和有溶性聚氨 醋浆液。管片打穿时，考虑到注浆孔涌泥问题，配以橡塞密封装置。 (5)区间混凝土管片存在的边、角缺损部位，可采用高强、快凝、粘接良好的修补材料 如 NC 聚合物快速修补剂。 5 结论 上海地铁隧道建设过程中主要存在三类大的问题：隧道周边地表沉降，隧道轴线上浮 以及隧道渗水问题。总体来说，应该加强施工现场的监测，提高监测精度。隧道建设是十 分复杂的过程，通过控制掘进速度，掘进压力，注浆时间，注浆方式，浆液类型等可以减 小这些问题对于隧道质量的影响 参考文献： 1唐益群，叶为民，张庆贺，上海地铁盾构法施工隧道中几个问题研究( 一)J 。地下空间， 1993 2 唐益群，叶为民，