超大直徑泥水平衡盾構(gòu)始發(fā)施工風險監(jiān)控技術(shù)研究

魏林春，張露根，侯永茂

(上海隧道工程股份有限公司，上海 200082)

0 引言

隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，地下空間的開發(fā)利用已成為我國城市現(xiàn)代化發(fā)展的必然選擇。各類地下工程的大規(guī)模興建可能帶來一系列工程安全問題。隨著我國和諧社會建設(shè)步伐的逐漸加快，隧道工程的施工安全問題成為工程的重中之重。盾構(gòu)始發(fā)與到達施工作為盾構(gòu)法隧道施工中的一道關(guān)鍵工序，是風險事故高發(fā)階段，且事故后果相對比較嚴重。

鑒于盾構(gòu)始發(fā)與到達階段出現(xiàn)施工風險的高概率性和風險后果的嚴重性，各國學者和工程技術(shù)人員提出了許多降低風險的方法和措施，歸納地鐵安全事故的類型及特點，分析盾構(gòu)隧道施工的優(yōu)點和不足之處，論述盾構(gòu)隧道施工風險研究的必要性［1－2］。如基于模糊層次分析隧道工程的風險狀態(tài)［3］、始發(fā)與到達土體的地基加固方法［4－6］，防止土體坍塌的止水裝置方法［7－9］，控制地表沉降措施［10－11］等。然而對于盾構(gòu)始發(fā)與到達施工中的風險預警和風險控制方法缺少深入研究，開展和布置較多的是監(jiān)測系統(tǒng)，僅實現(xiàn)監(jiān)測功能，而不能“控制”，對盾構(gòu)施工的幫助不大，因此需要一套系統(tǒng)的安全風險管理技術(shù)實現(xiàn)盾構(gòu)的始發(fā)與到達安全施工。

本文以上海長江西路隧道工程盾構(gòu)始發(fā)施工為例，介紹了盾構(gòu)始發(fā)與到達施工風險實時監(jiān)控技術(shù)，結(jié)合原位監(jiān)測、工況實時記錄、專家系統(tǒng)對工程中盾構(gòu)始發(fā)各關(guān)鍵工序進行實時監(jiān)控，評估各工序可能存在的潛在風險，并提出解決方案?，F(xiàn)場應用效果顯示，該技術(shù)能夠有效控制盾構(gòu)始發(fā)中可能存在的風險，保證盾構(gòu)始發(fā)的安全。

1 工程概況

上海市長江西路越江隧道工程采用直徑15.43 m的泥水平衡盾構(gòu)施工，工程起于浦西郝橋港以東，止于浦東港城路雙江路交叉口，按北線、南線分別布置，為2條全線貫通的主線線路。北線線路總長為2 860 m，其中圓隧道盾構(gòu)段1 545.69 m，如圖1所示。

圖1 長江西路越江隧道線路總平面圖Fig.1 General plan layout of river-crossing tunnel at Changjiang West road

經(jīng)勘察，沿線場地埋深80.45 m范圍內(nèi)土層由第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)沉積地層組成。根據(jù)野外鉆探鑒別及室內(nèi)土工試驗成果，結(jié)合靜力觸探及標貫試驗成果，按其成因類型、土層結(jié)構(gòu)及其性狀特征可劃分為10個層位，地層特性詳見表1。

表1 地層特性表Table 1 Soil characteristics

本工程始發(fā)段場地淺部土層中的地下水類型為潛水，穩(wěn)定水位埋深為 0.90～2.43 m(絕對標高為1.45 ～3.44 m)，平均埋深為1.50 m(平均標高為2.81 m)。據(jù)實測，本工程⑦層和⑨1層為承壓含水層，⑦層承壓含水層水位埋深為 6.33～8.15 m(絕對標高為－1.82～－3.63 m);⑨1層承壓含水層水位埋深為13.25 m(絕對標高為 －8.72 m)。

2 盾構(gòu)始發(fā)風險監(jiān)控技術(shù)

盾構(gòu)的始發(fā)階段是盾構(gòu)法隧道施工的風險高發(fā)階段，盾構(gòu)的始發(fā)從施工層面來說，主要是對于盾構(gòu)始發(fā)施工過程風險的辨識、評估、預控、應急處理、報警值的設(shè)定等內(nèi)容?？梢姡軜?gòu)始發(fā)風險監(jiān)控技術(shù)關(guān)鍵點在于監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集以及跟蹤記錄、分析并提出針對性的控制措施。

2.1 監(jiān)測點布置

結(jié)合長江西路隧道工程現(xiàn)場情況和監(jiān)測目的，需要在地表設(shè)置沉降點，并在盾構(gòu)掘進軸線上方及盾構(gòu)掘進斷面兩側(cè)10 m范圍內(nèi)設(shè)置土壓力、孔隙水壓力及土體測斜監(jiān)測孔，監(jiān)測斷面位于地下連續(xù)墻2.5 m外，測點布置如圖2所示。

圖2 加固區(qū)測段測點剖面布置圖(單位:mm)Fig.2 Layout of monitoring points(mm)

2.2 實時監(jiān)控系統(tǒng)

通過現(xiàn)場監(jiān)測點數(shù)據(jù)的采集，可以全過程記錄盾構(gòu)始發(fā)過程中土體的響應。工程的實時監(jiān)控系統(tǒng)則通過對采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場施工工況等各種復雜因素進行綜合性分析，自動判斷目前工程中的風險狀態(tài)，并提出針對性控制措施。本監(jiān)控系統(tǒng)軟件具有以下特色與功能。

1)實現(xiàn)加固土體穩(wěn)定指標(地表沉降、土壓力、孔隙水壓力、分層沉降、水平位移、水位等)的自動采集、實時監(jiān)測。

2)可根據(jù)工程實際施工數(shù)據(jù)，結(jié)合工程數(shù)據(jù)庫及算法，尋找可能發(fā)生的風險，進行風險評估，并采取有效的風險控制措施，降低風險發(fā)生的概率，提高工程的安全性。

3)知識庫提高功能，設(shè)計柔性的可拓展和可更新的規(guī)則庫和模型庫，使系統(tǒng)具有學習和適應能力，不斷提高監(jiān)測、評估和控制能力。

4)可根據(jù)用戶需要繪制圖形，進行簡單的數(shù)據(jù)分析，生成監(jiān)測報告。

5)實現(xiàn)遠程查詢和監(jiān)控。充分利用最新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)場工程信息實時采集和遠程數(shù)據(jù)同步，現(xiàn)場情況的遠程視頻監(jiān)視以及即時短信和郵件報警。

3 工程應用及控制效果

3.1 風險控制方法

本系統(tǒng)在長江西路南線始發(fā)階段工程上的應用時間是2011年7月底至8月底，主要應用的工序工藝有始發(fā)基座安裝、后靠支撐、負環(huán)管片拼裝、始發(fā)破除洞門、始發(fā)推進、始發(fā)封堵和三軸攪拌樁地基加固法等。圖3—5為盾構(gòu)出洞過程中主要監(jiān)測點的數(shù)據(jù)采集情況。

利用盾構(gòu)始發(fā)的實時監(jiān)測系統(tǒng)，綜合分析現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場施工工況以及工程表觀狀態(tài)等因素，對盾構(gòu)始發(fā)施工進行每日風險監(jiān)控，給施工提供了實時風險預警，如圖6所示。根據(jù)工程存在的潛在風險，通過專家系統(tǒng)分析，提出建議處理措施并生成相應的報告，如圖7所示。

圖6 風險預警Fig.6 Risk warning

圖7 建議措施Fig.7 Proposed countermeasures

3.2 控制效果

長江西路隧道盾構(gòu)始發(fā)施工中，以現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用已開發(fā)的風險實時監(jiān)控系統(tǒng)，對盾構(gòu)始發(fā)施工的風險進行評估和監(jiān)控，根據(jù)系統(tǒng)提供的工程風險狀態(tài)日報和針對性控制措施實時調(diào)整施工方案，使得盾構(gòu)始發(fā)始終處于安全可控狀態(tài)。圖8為盾構(gòu)始發(fā)過程中地表沉降的發(fā)展情況，沉降點位于+3環(huán)處，距離洞門約6 m。由圖8可見，在盾尾脫出前，受鑿除洞門后水土流失的影響，地表產(chǎn)生微量沉降，在推進至H26環(huán)后該處地表沉降基本達到穩(wěn)定，地表沉降控制在10 mm以內(nèi)?？梢姸軜?gòu)始發(fā)對于周圍地層的影響很小。

圖8 地表沉降發(fā)展Fig.8 Development of ground surface settlement

4 結(jié)論與建議

本次長江西路超大直徑泥水平衡盾構(gòu)始發(fā)施工過程中，通過原位監(jiān)測、工況記錄及專家系統(tǒng)等綜合評估盾構(gòu)始發(fā)過程中實時施工風險狀態(tài)，在已有的地層變形機制基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)理論為指導，根據(jù)盾構(gòu)施工參數(shù)和實施監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過實時動態(tài)風險監(jiān)控軟件，保證了風險評估的實時性。

風險評估與管理是城市隧道工程項目管理今后發(fā)展的重點，以往在盾構(gòu)始發(fā)與到達階段風險往往根據(jù)每天監(jiān)測報表制定相應的施工控制措施，而報表數(shù)據(jù)卻不能提供實時信息，具有時滯性。本次系統(tǒng)在盾構(gòu)始發(fā)施工階段根據(jù)靜態(tài)和動態(tài)的數(shù)據(jù)給予用戶施工風險的具體情況，并提出合理化的施工措施，從而協(xié)助施工人員及時進行風險的防范和處理，為隧道的施工風險評估與控制提供強有力的技術(shù)支持，為今后盾構(gòu)施工安全提供了經(jīng)驗，具有一定的推廣價值。

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