基于多源监测技术的穿黄隧道堤防安全影响评价.pdf

2023年第5 期工程勘测基于多源监测技术的穿黄隧道堤防安全影响评价水科学与工程技术73涂善波,刘阳（黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州45 0 0 0 3）摘要：以济南济泺路穿黄隧道工程为例，采用外观变形、地下渗流及无损检测等多源监测技术方法，分析隧道穿越期间及其后续阶段大堤沉降变形、地下渗流变化及堤防地层无损检测情况。多源监测数据表明：隧道穿越造成堤防一定程度的沉降变形，但最终趋于稳定，未出现不均匀沉降；穿越过程中堤身渗流变化与同期黄河水位变化较一致，地下渗流场未破坏；在探测深度范围内，大堤土体未发现脱空或不密实区；综合评价堤防工程质量整体较好。基于多源监测技术的堤防安全影响评价方法避免单一监测方法的局限，可为同类穿堤工程建设提供参考。关键词：穿黄隧道；变形监测；渗流监测；物探检测；安全评价中图分类号：TV871.4D0I:10.19733/ki.1672-9900.2023.05.22Safety evaluation of embankment impacted by tunnel passingunder the Yellow River based on multi-source monitoring technology(Yellow River Engineering Consulting Co.Ltd,Zhengzhou 450003,China)Abstract:Subsurface seepage flow and non-destructive testing were used to analyze the settlement deformation,subsurfaceseepage flow changes and non-destructive testing of embankment strata during tunnel crossing and its subsequent stages,relying on the Jinan Jinro Road tunnel project.The multi-source monitoring data show that:the tunnel crossing caused acertain degree of settlement and deformation of the embankment,but eventually stabilized and no uneven settlementoccurred;the change of the embankment seepage flow during the crossing process is consistent with the change of theYellow River water level during the same period,and the subsurface seepage field is not destroyed;within the detectiondepth,the embankment soil body is not found to be dehollowed or uncompacted area;the overall evaluation of theembankment engineering quality is good.The embankment safety impact evaluation method based on multi-sourcemonitoring technology avoids the limitation of single monitoring data and can provide useful reference for the subsequentconstruction of embankment penetration projects.Key words:tunnels under the Yellow River,deformation monitoring;seepage monitoring;geophysical testing;safety evaluation随着黄河流域生态保护和高质量发展上升为国家战略，黄河流域经济社会得到良好发展，黄河沿线城市得到大力发展1 ,跨河交通需求强烈,尤其是黄河下游郑州、济南等河段,大量跨河桥梁的修建,导致桥位资源紧缺，穿黄隧道建设成为新的需求。穿黄隧道工程能很好地解决黄河的跨越问题，且对地面环境影响小、适应气候条件能力强、抗震性能好、防洪防凌难度小与地面道路接线条件较好等诸多优点，越来越多的隧道穿越黄河大堤进行建设。隧道穿越堤防工程时，易造成堤防土体剪切破坏、地层扰动及地层原始应力破坏等问题 2 ,因此，工程施工及运收稿日期 2 0 2 2-1 0-2 1基金项目 水利部重大科技项目（SKR-2022027）【作者简介 涂善波（1 9 8 0 一），男（汉族），河南正阳人，高级工程师，主要从事水利工程安全监测、探测、检测方向研究。E-mail:文献标识码：BTU Shanbo,LIU Yang文章编号：1 6 7 2-9 9 0 0(2 0 2 3)0 5-0 0 7 3-0 4行过程对黄河堤防安全的保障不容忽视。现状黄河下游河道河床普遍高出两岸地面4 6 m，是举世闻名的地上悬河 3“二级悬河 形势依然严峻,尤其在东坝头以下河段 4。黄河下游“地上悬河”的特殊性和防洪的重要性，给穿黄隧道工程建设提出更高要求。对盾构隧道工程穿越过程中对黄河堤防的影响进行安全监测，全面掌握堤防安全状态十分必要且重要。目前对堤防影响安全监测多采用变形监测，包括表面沉降变形、水平位移监测等 5 ,监测数据基本涵盖穿越全过程的堤防变形，但仅限于外观变形方面，监测内容不够全面。堤防隐患检测方法较多，但74多是针对堤防发生险情或病害时的不定期检测 6 ,没有专门针对隧道穿越建设对堤防产生的不利影响进行专项检测。本文依托济南济泺路穿黄隧道工程，针对穿越工程可能影响堤防安全的结构变形、渗流量变化、地层物性参数变化等主要因素 7 ,采用基于外观变形、地下渗流及无损检测等多源监测技术方法，对隧道穿越期间及其后续阶段监测实测数据进行分析，对隧道穿越影响的堤防工程质量进行综合安全评价，为以后黄河下游类似穿黄工程的影响监测提供参考。1工程概况济泺路穿黄隧道（道路+地铁）工程是黄河山东段第一座下穿两岸大堤的工程，工程河段为地上悬河，隧道外径为1 5.2 m，内径1 3.9 m，管片厚度0.6 5 m，每环宽2.0 m，每环管片包含7 块标准块，2 块邻接块，1 块封顶块 8 。盾构隧道采用1 5.7 4气垫式泥水平衡盾构机同向掘进,均从北岸工作井始发,向南掘进穿越黄河后抵达南岸工作井拆卸吊出。本次为盾构穿越北岸堤防的影响监测。黄河北岸堤顶宽度为9 m，临、背河坡坡度均为1:3，淤背区宽度1 0 0 m。隧道穿越地层主要为杂填土、黏质粉土、粉质黏土、砂质粉土、细砂、粘质黏土、全风化辉长岩,隧道承受的最大水压约0.6 5 MPa,盾构段埋深为2 6.30 5 4.6 0 m(大堤正下方为42.8 1 m），盾构下穿黄河北岸大堤地质剖面示意图如图1。图1 盾构下穿黄河北岸大堤地质剖面示意图2堤防安全要求2.1黄河下游堤防安全要求黄河下游山东河段左右岸皆为标准化堤防，堤防标准为I级，北岸有齐河北展堤工程。黄河大堤堤顶宽度设计标准均为1 2 m,设计高程为2 0 0 0 年设计水平年设防水位超高2.1 m。临、背河坡坡度均为1:3，堤防采用放淤固堤措施进行了加固，淤背区宽度100m，边坡坡度为1:3，高度低于2 0 0 0 年水平年设防洪水位2 m。堤顶参照三级公路有关标准进行硬化，路面采用沥青混凝土细粒层,厚度5 cm,路基厚涂善波，等：基于多源监测技术的穿黄隧道堤防安全影响评价性参数发生扰动变化等。隧道穿越堤防时，由于盾构隧道技术存在盾尾空隙及壁后注浆体具有收缩的特性，在盾构刀盘到达前,大堤地表会有轻微的隆起变形,而后随着盾构的推进,呈现下沉趋势，进而产生不同程度的沉降，造成堤身结构发生变形。而沉降过大可能引起堤身产生裂缝,堤身一旦喂水,其抗水流淘刷侵蚀能力很低，易于发生坡、垮堤等险情。盾构隧道穿越施工直接影响着隧道围压孔隙水压力的分布，可能造成隧道建构筑物与大堤堤基土接触面产生薄弱部位，进而造成堤防渗流破坏。盾构隧道成形之后，由于同步注浆不饱满或因浆液凝固体积收缩，管片背面形成空腔，在富水层里,地下水会在此汇集形成水囊，如果管片止水条松动或止水条处混凝土开裂掉块，就会形成渗流通道。隧道穿越堤防会对堤身或堤基稳定地层结构形成局部扰动，造成空洞、软弱层、渗漏、裂缝等隐患，使堤身结构由稳定状态变成不稳定，堤身地层的地球物理参数也会随之发生较大变化,产生波速、电阻率等异常区。杂填土黏质粉土粉质黏土砂质粉土细砂2023年第5 期度30 cm，基层和底层各厚1 5 cm，基层采用水泥稳定土基层。因此，监测范围宜根据隧道线位及埋深等因素综合确定，且不小于隧道施工影响区1 0 0 m外及隧道轴线上下游2 0 0 m。隧道施工穿越大堤堤脚前100m范围应设置监测试验段。2.2隧道穿越对堤防安全影响因素隧道穿越对堤防安全影响因素主要包括堤身结构发生变形、堤基渗流量发生异常变化、堤身地层物为确保隧道盾构施工期和隧道运行期防洪工程的安全,应对大堤的结构变形、渗流及堤防工程内部缺陷等进行全面监测，掌握盾构穿越对堤防安全影响的动态和规律，了解土体的沉降速度和稳定性，指导隧道的施工和运行，并及时对监测成果进行分析，发现数据异常，视情况采取工程措施，确保防洪工程安全。3多源监测工作布置考虑到盾构施工可能引起的边坡失稳和大堤沉陷，确保在隧道盾构施工期和隧道运行期了解大堤土体的沉降速度和稳定性，在盾构隧道影响范围内黄河大堤北岸布设表面沉降监测和堤身内部深层沉降监测，通过监测大堤堤顶表面和堤身内部的沉降变化来发现盾构穿越北岸大堤时产生影响。为全面监测盾构施工对堤防按安全影响，在隧道工程线位上2023年第5 期下游各2 0 0 m范围内的堤防工程布置6个表面沉降监测断面，每个断面1 1个测点；在大堤背河侧堤肩布设1 个深层沉降监测断面，共9 个测点。盾构施工穿越堤基下的地层中穿越时，对穿越地层的水文地质条件产生影响，进而影响地下水渗流场，甚至可能会隧道周边形成渗流通道，诱发渗透破坏。为及时掌握隧道盾构施工及运行期地下水渗流变化，在隧道影响范围内布设渗流监测点，为减小对大堤临水面地层影响，沿隧道线位轴线方向在大堤背河侧布置3个渗流监测断面，每个断面4个测点。穿黄隧道下穿堤防地层扰动形成的空洞、裂隙及不密实区等病害，需要查明其类型及其位置、走向、形态等物理特征，检测方法主要有人工巡查、钻探和地球物理探测等，为减少对大堤的影响，可快速无损进行检测的地球物理探测方法是首选 1 4。考虑到隧道埋深大于40 m,电磁波法等探测深度不足 1 5 ,穿越地层为砂质粉土及粉质黏土层，地层扰动形成薄弱层时波速变化较为明显,因此采用面波法对穿越后的堤防进行检测,在大堤临河侧堤肩、临河侧堤脚各布置40 0 m测线1 条，测线总长8 0 0 m。监测平面布置图及剖面图如图2 图3。4多源监测数据分析东线盾构于2 0 2 0 年3月3日开始穿越北岸黄河大堤，至2 0 2 0 年3月8 日盾体完全离开大堤；西线盾构于2 0 2 0 年6 月1 0 日开始穿越北岸黄河大堤，至2 0 2 0 年6 月1 5 日盾体完全离开大堤；至2 0 2 0年8 月8 日，双线盾构均远离大堤约5 0 0 m。4.1大堤巡视检查堤防外观变化是评价堤防安全的重要参考。双线盾构机穿越大堤期间及穿越后期，定期对大堤堤身及周边环境进行巡查，未发现大堤堤身出现裂缝、滑动、渗水等异常情况，堤顶路面未出现明显裂缝及沉陷。4.2沉降监测分析大堤表面沉降测点主要采用沉降观测标，以位于大堤堤顶道路1 排监测点(DBC-03断面)为特征点，分析它们在西线和东线盾构隧道穿越期间及后涂善波，等：基于多源监测技术的穿黄隧道堤防安全影响评价100mDRc-1-01DBC-1-024SY1-2DBC-1-03DBC-1-04DBC-1-05DBC-1-06DBC-1-07DBC-1-08DBC-I-09DBc-2-01DBC-2-02NC-1-01DC-黄河大堤Y1-3DBC-3-EDBC-3-034SY1-4DBC-4-01WTIDC-01WT2DRC-6-01754030ASYI-IDBC-2-03DBC-04bBclosDBO-DBC-4-02DBC-4-03DBC-4-04DBC-4-05DBC-4-06DBO-3-07DBC-3-08DBC-3-09DBC-4-07DBC-4-08DBC-4-09DBC-5-02DBC-5-03DBC-5-40DBC-5-0DBC-5-06DBC-5-07DBC-6-02DBC-6-03DBC-6-04DBC-6-05图2 1监测平面布置堤顶道路淤背区1 0 0 m1:3北图3监测布置剖面图5051015-20-252/103/10图4盾构穿越大堤表面沉降时程曲线期的沉降情况。图4为双线隧道穿越全过程DBC-3断面大堤表面各监测点沉降时程曲线，从图4可看出，东线盾构开始穿越直至西线盾构穿越前，大堤表面测点整体表现为先轻微隆起然后缓慢沉降，最大沉降量为15.76mm；西线盾构穿越期间，西线侧上方部分测点(DBC-3-03、D B C-3-0 4)有轻微隆起,西线盾构穿越后,DBC-03断面监测点整体下沉速度较快，其中东线侧测点(DBC-3-06DBC-3-08)沉降速率明显大于西线侧测点，表明东线受西线穿越影响较大。各监测点在7 月1 0 号以后沉降基本趋于稳定，沉降趋势较为一致，未产生明显不均匀沉降。图5 为隧道上方大堤DBC-3断面在各时间节点的横向表面累积沉降曲线。在隧道穿越影响下，大堤横向表面产生“U”型沉降,沉降槽呈现浅而宽的特征，主要的累计沉降量产生在东线穿越后及西线穿越后的工后期间,沉降槽宽度1 5 0 m左右，沉降槽中15SY2-12SY2-DBC-2-04DBC-2-05DBC-2-06DBC-2-07DBC-2-08NC-1-05DBC-2-09NC-04NC-06DBC-5-08DBC-5-09DBC-6-06DBC-6-07DRC-6-08DBC-6-09地表沉降（表面）DBC地表沉降（内部）NC渗压计SY物探测线WT.3临河侧堤身L8穿黄隧道推进方向BC053-07100mY3-1DBC-1-1045Y3-2NCDBC-2-10宣DEC-1ODBC-4-10DBC-5-104+14/105/106/107/10百期DBC-1-11DBC-2-11提顶道路DBC-3-11DBC-4-11DBC-5-11DBC-6-11南8/1076心并未在两隧道中心，而是偏东侧隧道。10T0-10-20-30-200图5 隧道上方大堤的横向表面沉降曲线4.3渗流监测分析以北岸大堤桩号1 36+1 2 8 断面为例，选取SY-2-03监测点,监测成果如图6,在盾构穿越过程中,通过水位压力计算得出的监测断面水位变化较小，累计最大变化量为0.7 2 m左右，小于监测控制值。穿越过程中堤身水位变化与同期黄河水位变化较为一致，表明大堤地下水位变化受黄河水位变化影响较大，盾构穿越造成堤基渗流影响较小。3028E26F2422202/103/104/105/106/10 7/108日期图6 穿越期间大堤地下水位与黄河（泺口段）水位变化关系4.4无损检测成果选取大堤堤顶的WT1测线探测成果进行分析，如图7。从图7 可看出，大堤堤基地层横波速度范围在1 5 0 30 0 m/s,且自上而下速度逐渐增大，堤基横波速度整体较高，近似层状分布，未发现明显隐患。按堤基质量评价标准，为质量良好段。横波波速色标/m/s)310202028000西线隧道东线隧道20020 40 608010012014016018020022024026028030032034036038040020水平距离/m10070图7 大堤面波测试成果4.5安全评价(1)隧道穿越影响后,大堤堤身及周边环境巡查未发现明显裂缝、滑动、渗水等异常情况，堤顶路面未出现裂缝及沉陷,大堤外观影响较小。(2)隧道穿越造成大堤一定程度的沉降变形，整体表现为先轻微隆起然后缓慢沉降，各监测断面沉降变化连续，并最终趋于稳定，未出现不均匀沉降，未发生土体的剪切破坏。涂善波，等：基于多源监测技术的穿黄隧道堤防安全影响评价双线隧道中线33东线穿越剪3/8东线穿越后6/10西线穿越前6/15西线穿越后西线隧道一8/8双线穿越完成-100东线隧道0100大堤横向位置/m大堤SY2-3测点水位/m8/109/102023年第5 期(3)穿越过程中堤身渗流变化与同期黄河水位变化较为一致，地下渗流场未破坏。(4)面波检测结果表明,在探测深度范围内,堤基横波速度整体较高，近似层状分布，大堤土体未发现脱空或不密实区。200多源监测结果表明,隧道穿越影响后，堤身结构有一定程度的沉降变形，但整体变形趋于稳定，地下渗流场未发生异常变化，堤身地层未发现脱空或不密实区，堤防工程质量整体较好，堤防处于安全状态。5结语(1)针对盾构隧道穿越黄河下游堤防影响问题，基于实际工程背景，依托济南济泺路穿黄隧道工程，采用变形监测、渗压监测和无损检测等多源监测技术方法，对隧道穿越期间及其后续阶段引起的堤防沉降变形、地下渗流变化及堤防地层波速变化进行监测分析，并对隧道穿越影响后的堤防安全进行质量评价。(2)基于多源监测技术的堤防安全影响评价方法充分考虑隧道穿越影响下堤防外部结构变形、内部堤身隐患及基底渗流变化等因素。通过对首例大直径盾构隧道工程穿越黄河下游堤防的监测实例分析,基本掌握穿越工程对堤防的安全影响,为日益增多的过江隧道影响评价积累施工经验和技术参考。参考文献：1牛玉国,王煜,李永强，等.黄河流域生态保护和高质量发展水安全保障布局和措施研究 J.人民黄河,2 0 2 1,43(8):1-6.2刘维,唐晓武,甘鹏路,Stravos Savidis.富水地层中重叠隧道施工引起土体变形研究 J。岩土工程学报,2 0 1 3,35(6);1055-1061.3张金良,刘继祥,万占伟,等.黄河下游河道形态变化及应对250策略“黄河下游滩区生态再造与治理研究”之一 J.220160190130人民黄河,2 0 1 8,40(7):1-6,37.4刘燕,李军华,张向.黄河下游“二级悬河”河段堤沟河治理试验研究 J.人民黄河,2 0 2 2,44(2):41-44.5谢文斌，等.大直径泥水盾构下穿钱塘江大堤引起地层沉降的实测分析 J.现代隧道技术,2 0 1 1,48(4):1 42-1 47.6邬爱清,吴庆华,堤防险情演化机制与隐患快速探测及应急抢险技术装备 J.岩土工程学报,2 0 2 2,44(7):1 31 0-1 32 8.7吴世明,林存刚,张忠苗,王宁.泥水盾构下穿堤防的风险分析及控制研究 J.岩石力学与工程学报,2 0 1 1,30(5):1 0 34-1042.8朱牧原，等.超大直径盾构隧道下穿黄河大堤沉降分析与控制研究 J.现代隧道技术,2 0 2 2,5 9(3):2 1 1-2 1 9.（责任编辑：王艳肖）