中铁隧道集团一处有限公司 重庆市渝北区 401120
摘要：嘉兴市市区快速路下穿南湖大道隧道工程是国内外首个采用超大断面矩形顶管施工的三车道隧道，工程具有断面超大、覆土浅、地质软、间距小等特点，通过自动化监控量测技术，对其进行顶管顶进与正常过程的钢筋应力、土压力、管节倾斜角的研究，研究成果反馈并完善超大断面顶管配套技术总结及完善，形成整套的超大断面顶管施工技术有着重要意义。
关键词：超大断面；顶管隧道；自动化；监测
与圆形顶管隧道相比，矩形顶管隧道空间利用率更大，节省工时，降低造价，在城市地下空间开发，下穿道路建设中应用越来越广泛。目前国内常规断面矩形顶管隧道日渐成熟，但一次成型的三车道顶管隧道，嘉兴环线下穿南湖大道段顶管隧道尚属首例。通过研究超大断面矩形顶管面断面受力分析、应力监测、土压力监测、倾斜角监测、相邻管缝的弹性变形监测的实测数据变化规律进行分析研究，数据实时预警分析指导施工，并提出矩形顶管施工过程中的变形控制措施，对类似工程具有重要参考价值。
嘉兴市市区快速路地道段位于嘉兴市南湖区长水路，东起纺工路西至新气象路，全长1996m。其中下穿南湖大道区段采用超大断面类矩形土压平衡顶管法施工，断面为14.82m×9.446m（宽×高），是世界最大断面及首个三车道矩形顶管工程。顶管隧道长度100.5m，两侧布置工作井，始发井位于南湖大道西侧，接收井位于南湖大道东侧。先顶进北侧，到达接收井后拆运至始发井二次始发顶进南侧（如图1所示）。
图 1顶管隧道平面图
南北线结构净距1.2m，埋深5.68～6.54m，坡度5‰下坡。如图2所示根据地勘报告，顶管隧道穿越地层主要为：④1粉质黏土：硬可塑，中等压缩性，干强度高，韧性高，物理力学性质较好。④2砂质粉土：中密，中等压缩性，物理力学性质较好，遇水易液化。勘察期间对钻孔内潜水稳定水位进行了实测，稳定水位埋深为0.50~2.90m，相应的稳定。
图 2顶管隧道地质纵断面图
①所有测点布设在受力较大位置或典型位置。如图3测点布设平面图所示，预制管节内力采用埋入式钢筋应变计监测，如图4不同断面测点布设横断面所示，测点布设在管顶、两肩及两侧处，每个断面布设5个应变计，外筋4个，内筋1个；预制管节外力采用土压力盒监测，测点布设在预制管外围四周，对称布设，测点位于管顶管底、四周转角及两侧，每个断面布设8个土压力盒；管节张开角监测采用裂缝计监测，测点布设在预制管内侧四周，每个断面布设7个裂缝计。
②倾角仪布设在南北侧环14、环27、环41、环54监测断面；钢筋应变计布设在北侧环14、环27、环41、环54监测断面，南侧环27、环41监测断面；土压力盒布设在北侧环27、环41、南侧环27。
③土压力盒提前浇筑在预制管片上，钢筋应变计通过一端侧焊在钢筋上、一端绑扎；土压力盒与钢筋计的连接线通过模板盒保护引至管片内侧。
④在材料清单中多通道振弦采集仪8台，但为了实际安装的方便，最好布设9台振弦采集仪，振弦采集仪分别布设在北侧：环14（1台）、环27（2台）、环41（2台）、环54（1台）；南侧：环27（2台）、环41（1台），通用数据采集控制器布设在北侧始发井洞口处。
图3 测点布设平面图
（b） （c）
图4 不同断面测点布设横断面图
注：（a）监测断面预制环为北侧:环27、环41，南侧：环27；（b）监测断面预制环为北侧：环14、环54，南侧：环41；（c）监测断面预制环为南侧：环14、环54。
本项目默认的监测频率为10分钟一次，但变形发生异常变化时，可后端调节监测频率进行加密监测，监测频率可以根据预警级别分别设定为5min/次和2min/次。
①预制管节内力监测设备。如图5所示，采用振弦式钢筋计对预制管片的应力进行监测。BSIL-ST5系列钢筋计（锚杆应力计）适用于监测混凝土或其它结构中钢筋或锚杆的应力变化，仪器两端可焊接在待测钢筋中间，或按照用户提供的尺寸加工成螺纹接头方便现场安装。
②预制管节外力监测设备。如图6所示，采用BSIL-P9型土压力计对预制管节外力进行监测。压力盒有一个超厚背板，以减少任何点荷载的影响。
③管节张开角监测设备。如图7所示，采用TH-DCM数字式裂缝计对管节张开角进行监测。TH-DCM数字式裂缝计以滑动变阻器为原理来监测裂缝变化量的仪器。数字式裂缝计通过传感器监测到位移量变化，经过采集电路转化为数字量，通过通讯电缆传至数据网关，最终通过移动网络（3G/4G）将数据上传至云端。
④采集系统：如图8所示，TH-SGDC-485通用数据采集控制器负责管理本地测点网络，包括网络的供电及数据的采集。智能网关收集各种传感器数据并处理后通过通讯天线上传到云端；防干扰系统大大降低了变化电磁场对数据采集箱的电磁干扰，其中包含电源保护、信号保护、天线保护。
⑤多通道振弦采集仪。如图9所示，TH-VWD7多通道振弦采集仪可接入各种振弦类传感器，实现模拟传感器的数字化，并支持无线通讯方式，每个通道可以同时测量振弦的自振频率与温度（部分振弦传感器内置温度电阻，用于温度补偿）数据。
图5 振弦式钢筋计 图6 土压力计
图7数字式裂缝计 图8 TH-SGDC-485通用数据采集控制器示意图
图9 THVWD7多通道振弦采集仪示意图 图10 数据远程管理架构图
管理平台分为手机端管理平台和电脑端管理平台，其数据远程管理框架图如图10所示。手机管理平台方便工作人员实时查看监测数据的变化，包括日变化量、累计变化量、累计变化曲线等信息，手机平台可以查看项目的状态统计、监测量统计、报警记录、项目统计等信息。电脑端管理平台信息包含数据远传管理系统通过针对性设计的Restful Web API数据服务接口，满足所有浏览器端的应用数据需求。项目自动化监测采样频率默认为1小时/次，因此可以生成海量的监测数据，对顶管及地基变形分析提供充足的数据保障。
图11至图14为第27环管节上安装的土压力传感器在不同顶进阶段的监测结果曲线。由图11至图14可以看出，管节左右两侧中间位置土压力基本在50-120kPa之间，管节左下和右下两两个位置土压力差别较大，其中左下位置6#监测点土压力均在200kPa以上，且波动较大，而右下位置4#监测点土压力基本在125-150kPa之间，二者相差50kPa以上。
在每环顶进开始前和顶进结束后的管节拼装阶段，管节不同位置的土压力均保持稳定，而在掘进过程中，由于管节移动及减摩泥浆注入等原因，不同位置受到的土压力均产生频繁的波动，且压力波动趋势基本相同（各监测点波峰和波谷出现的时间一致）。每环开始顶进时，管节右半部分的3#和4#位置土压力均先产生一定幅度的升高，而左半部分的6#、7#、8#位置土压力则会产生一定幅度的降低。每环掘进完成后，各监测点土压力值与每环初始值均不同，增大或减小均有发生。
图 11 第57环土压力随时间变化曲线 图12 第60环土压力随时间变化曲线
图13 第63环土压力随时间变化曲线 图14 第66环土压力随时间变化曲线
每环掘进完成后根据各监测点土压力统计，图 7‑8为对应的土压力变化曲线。3#、7#和8#三个监测点土压力在50-110kPa之间，4#监测点土压力在140-180kPa之间， 6#监测点土压力在200-350kPa之间，变化幅度最大。
在顶管顶进过程中，安装在管节内的传感器随管节向前移动，且顶进过程中各环均有减摩泥浆注入，以减小地层摩擦阻力。图16为27环土压力传感器监测值在第61环掘进过程中的变化曲线。由各图可以看出，未掘进时减摩泥浆注入压力保持为0kPa，对应时间段各点土压力也保持恒定，掘进开始后，减摩泥浆注入压力迅速上升至300kPa左右，此时土压力随减摩泥浆的注入而增加，当进行停机出渣时，减摩泥浆停止注入，注浆压力恢复至较低值，出渣期间土压力缓慢变化，其中3#、4#、6#、7#位置土压力在停机期间逐渐减小，8#位置土压力则呈上升趋势。
（a）3#监测点 （b）4#监测点
（c）6#监测点 （d）7#监测点
（e）8#监测点
图16 土压力传感器监测值掘进过程中的变化曲线
图17 为本工程管节结构钢筋配筋图，管节主筋采用HRB400，直径28mm，屈服强度标准值400MPa，极限强度标准值540MPa，抗拉、抗压强度设计值均为360MPa。现场监测钢筋计均安装在主筋上，测量主筋受力状态。
图17 管节结构横断面配筋图
图18为各环掘进期间钢筋应力随时间变化曲线。由图18可以看出，在每环掘进前和掘进完成后，管节钢筋应力大小稳定，而在掘进过程中一直处于波动之中，说明顶管掘进时管节受力状态是时刻变化的。
由图18可知，管节顶部内侧钢筋（3#监测点）应力最大，大于90MPa，说明管节顶部中间位置所受弯矩较大。管节两侧肩部（2#和4#监测点）外侧钢筋和侧墙中间位置（1#和5#监测点）外侧钢筋应力均在70MPa以下，其中5#监测点最小，在30-50MPa之间，即管节肩部和侧墙中部所受弯矩较小。
a）63环 b）66环
c）63环 d）66环
由图18和图19可以看出，在掘进56-70环过程中，钢筋拉应力的均值和峰值均先增加后减小，在58、59处达到最大，此后一直缓慢下降，结合工程实际情况分析其原因主要为本工程隧道长100.5m，掘进58、59环时第14环管节刚好到达线路中点位置，该处地层距两端工作井及加固区距离均达到最大，地层受约束最小，进而对管节产生较大的应力，在14环管节通过线路中点后，逐渐接近接收井和接收加固区，地层受加固区影响沉降变形有所减小，管节受力也相应减小。钢筋最大拉应力为120.6MPa，小于钢筋抗拉强度设计值360MPa，仅为设计值的三分之一。
图18 钢筋应力均值变化曲线 图 19 钢筋应力峰值变化曲线
由管节结构主筋受力监测结果可以判断，管节主筋受力状态良好，最大应力仅为设计值的三分之一，不存在受拉破坏的问题。
图20为掘进时各监测点钢筋应力变化曲线。由图20可以看出，受到管节移动和减摩泥浆注浆的影响，掘进期间管节钢筋应力频繁波动，但波动范围不大，在每个掘进时间段内，钢筋应力基本会出现一次小的上升，在停机出渣阶段，钢筋应力会出现小幅减小，这与注浆压力减小、泥浆渗透压力降低相对应。
（a）1#监测点 （b）2#监测点
（c）3#监测点 （d）4#监测点
（e）5#监测点
图21和图22分别为14环、27环钢筋应力每环掘进后增量变化曲线。由图可知管节钢筋应力每环掘进后的增量基本在-5 - 5MPa之间，14环和27钢筋应力在掘进67-69环时增量较大，其原因主要为进入加固区后顶管顶力增大产生的数据突变。
图21 14环钢筋应力增量变化曲线 图22 27环钢筋应力增量变化曲线
在顶管顶进施工过程中，对相应试验管节进行了监控量测实时数据采集。并结合数据的变化形式，及时提醒施工顶进，及时调整顶进施工参数，确保了顶管的顺利贯通。
结合顶进作业不同阶段及其工况，对监控量测的数据进行分析总结。这里主要将顶管钢筋应力全过程发展变化规律进行分析与总结，旨在挖掘矩形顶管顶进施工的过程变化规律，为以后特大断面矩形顶管施工提供施工控制借鉴。
图 23 北线钢筋应力日均值变化曲线 图 24 南线区间钢筋应力均值变化曲线
图23为北线钢筋应力日均值变化曲线，钢筋应力日均值随顶进施工的变化曲线，监测时间包含北线实施、南线实施以及后期泥浆置换等施工全过程。根据监测数据变化情况可以看出，管节受力出现一定阶段性特征，在北线顶进期间（8月5日~19日）管节内力波动性较强，但幅度均不大，最大波动率约10%左右；南线顶进时，已顶进到位的管节内力存在微弱的波动，但当顶管机临近时（10月3日~12日）各测点应力波动均较大，表明后序管节近距离顶进施工扰动影响较大；当后期置换泥浆施工时各测点内力也产生一定幅度的增大，最后趋于稳定。
为便于分析后续管节对已实施管节的影响特性，将曲线中后序顶进管节紧邻北侧已实施区间的钢筋应力进行区段截取，如图24。根据南线临近以后的影响曲线显示，后续顶进对已实施管节受力存在一定规律性影响。在顶管临近约3环距离时，管节各应力测点数据均有一定幅度的下降，其中3#和5#测点下降幅度较大，且下降持续到37环；随后钢筋应力有所回升，其中1#和4#测点恢复到原稳定数值，2#和5#钢筋应力受顶进持续影响超过原稳定数值，超出幅度约30%，3#超出原稳定数值约10%。此现象说明在后续顶进过程中，顶进临近、穿越和后期稳定阶段均对已实施管节内力有一定影响，影响最大幅度约30%，在设计和施工过程中应予以重视。
（1）顶管顶进期间，受管节向前行进姿态和润滑泥浆流动影响，管节土压力在掘进过程中频繁波动，而在每环掘进前后较为稳定，管节土压力的受减摩泥浆注浆压力影响明显。管节钢筋应力也同样处于波动，钢筋应力峰值最大为120.6MPa，为设计值360MPa的33.5%，受力状态比较安全。
（2）后续顶进对前序管节受力有一定影响，在顶管机头通过时，管节内力呈现阶段性影响规律，即发生削弱、加大，并在顶进施工结束后趋于稳定。
（3）结合本工程监测实测数据情况，考虑施工扰动及临近管节扰动影响，建议管节设计时考虑施工因素，对混凝土和钢筋放大20%。
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