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摘要： 城市地下综合管廊是近年来在中国快速发展建设的一种市政基础设施。针对综合管廊采用浅埋暗挖法施工下穿城区铁路所引发的工程结构安全问题，提出了基于超前地质预报的初步预警与基于施工过程多手段监测的及时预警相结合的研究思路。首先，采用基于地质雷达原理的超前地质预报技术，实现前方地层条件的及时更新，为现场施工动态设计提供重要参考，并针对可能发生的地质灾害制定抢险预案;然后根据下穿施工过程采集的数据，构建包括管廊水平收敛、拱顶下沉、支护受力和地表沉降等指标在内的预警指标体系，并参考地铁、公路、铁路等相关规范内容，提出综合管廊下穿施工的结构安全预警控制标准。将该方法应用于十堰市清潭路段地下综合管廊下穿铁路线施工结构安全监控，实现了施工前的初步预警和施工中的及时预警，有效保证了下穿施工过程的人员设备和地表防护对象安全。研究成果可为类似工程的结构安全防护监测设计和评价标准提供参考。
关 键 词： 城市地下综合管廊; 下穿施工; 多源信息监控; 结构安全; 浅埋暗挖法; 超前地质预报
中图法分类号： TU990
文献标志码： A
DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.026
0 引 言
城市地下综合管廊，简称综合管廊[1]，旨在将电力、通信、燃气和热力管线等各种市政管线集于一体，通过建设专用地下通道，将各种功能的管线统一布置于通道内，做到“一线多用”，并设有安装和检修通道，以及监控系统，从而实现城市生命线工程的统一规划、设计、建设和运维。国外的实践表明[2]，综合管廊能够极大提升城市资源的配置效率，避免不同功能的管线施工反复占用道路资源，同时也可降低单一管线建设和运维成本。
我国地下综合管廊建设起步较晚，当前处于快速建设发展阶段[3]，在该过程中也出现了一些亟待解决的工程问题。综合管廊施工以明挖法[4]为主，但对于铁路和高速公路这类不能长时间停运或封闭的重要工程，则需下穿施工通过，由此引发综合管廊下穿施工对上部重要线路工程的结构安全监控和影响评价问题。对于新建工程下穿既有建筑物的安全监控和评价，已有学者进行了一系列研究。莫峰昌[5]针对地铁盾构隧道下穿施工所引起的地层变形及其对建筑基础的影响问题进行了研究;刘斌[6]对新建地铁隧道下穿既有隧道的结构影响开展了分析评价;姚海波等[7]针对北京一热力隧道下穿砖砌群房开展了安全评价和对策分析;冷彪等[8]采用可拓学分析方法，探讨了新建下穿隧道对既有隧道的影响;苟德明[9]采用数值仿真方法，对公路隧道下穿已建公路所采用的支护措施其加固效果进行了评价。这些研究成果深化了对该问题的认识，也积累了一定的技术经验，但目前对城市综合管廊这类地下工程在下穿既有建筑物方面的安全监控评价研究还处于起步阶段。本文以十堰市清潭路段地下综合管廊下穿铁路线施工为研究背景，首先分析城市地下综合管廊下穿施工的主要特点，然后采用超前地质预报技术评价拟下穿区域的地质条件，借助多种手段开展下穿施工中的结构安全监测，并提出安全预警指标建议值及制定允许限值标准，最终实现综合管廊下穿重要线路工程的结构安全多源信息监控，为管廊下穿铁路的施工安全提供技术保证。
1 城市综合管廊下穿施工的主要特点
相比于地铁和公路等隧道工程，城市综合管廊下穿既有建筑时，具有以下特点。
（1） 城市综合管廊拟采用浅埋暗挖法实施下穿施工的区域一般埋深较浅。因前期城市建设开发，这些地层在地面既有建筑物建设时可能已经历过施工开挖和回填处理，而综合管廊这类线路工程的勘察钻孔数量相对有限，地质资料可能无法全面反映线路沿线的地层变化。因此，现场工程师为准确掌握拟下穿施工开挖区域的真实条件，应考虑采用一定技术手段更新地质条件，从而合理评价拟采用施工方法和支护措施的适应性。
（2） 城市综合管廊下穿施工常用浅埋暗挖法，上覆岩土体厚度较小，除超前加固措施外，还需竖向支撑等刚性支护，否则管廊暗挖施工将引起地表显著沉降，导致塌方或地面建筑破坏等工程风险。因此，采用多手段监测地表和管廊内岩土体变形以及支护结构受力，可以准确、及时、系统地掌握暗挖下穿施工过程中的地层响应特征和支护结构工作状态，这对于保障现场人员和施工设备安全非常重要。
2 浅埋暗挖法下穿施工的结构安全多源信息监控技术
2.1 基本思路
基于对城市综合管廊下穿施工主要特点的认识，为保证管廊下穿铁路的施工安全，首先，采用超前地质预报技术对拟下穿施工的地层进行探测，结合前期地质资料，更新工程地质评价结论，进而复核拟采用的施工方法和支护措施，做到工程措施和地质条件相适应。然后，在下穿施工过程中，采用多手段对地上建筑和地下结构开展全面监测，并依据相关规范规程，用采集的多源信息拟定安全预警指标并制定判据，以确保重点监控参数始终得到有效控制，形成城市综合管廊浅埋暗挖法下穿 施工的结构安全多源信息监控技术，从而 确保整个下穿施工过程的现场人员和施工设备安全。
2.2 基于地质雷达的超前地质预报技术
地质雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）是利用高频电磁波技术来探测地下隐藏不同目标体的方法。地质雷达发射天线发射脉冲电磁波，当这一讯号在岩层中遇到探测目标时，会产生部分反射讯号，直达讯号和发射讯号通過接收天线输入到接收机。根据电磁波在介质中的波速和传播时间可以计算界面深度。当发射天线沿某一平面移动时，根据接收的电磁波的运动特征，如反射时间、幅值、频率与波形等信息，结合地质资料对探测目标的结构、形状和深度等进行推断，就能得到探测目标的剖面图（见图1）。
应用地质雷达这一原理，可进行隧道超前地质预报。利用地质雷达发射天线将高频电磁波经掌子面发射至隧道前方地层中，遇到不良地质体反射回隧道掌子面，由接收天线接收电磁波信号进行分析解释，获取隧道掌子面前方地层和不良地质体分布信息。使用地质雷达作超前预报时，以前方拟下穿施工区域为探测目标，测线布置如图2所示。 2.3 浅埋暗挖法下穿施工的多源信息监控
根据综合管廊下穿铁路施工的主要特点和工程实际，应做好施工地质、管廊内部收敛变形、支护结构受力和地表沉降及防护对象查勘等4个方面的信息监控，详细介绍如下。
（1） 施工地质。
采用浅埋暗挖法施工的地层，一般为松散不稳定的土层或软弱破碎的岩层。开挖过程中，现场地质人员应及时根据新揭示的地层信息对前方岩土体的基本性质进行判断，并与前期地质资料和基于超前地质预报的更新地质条件进行比对，复核地质判断的准确性。若确认存在明显差异，尤其是实际揭示的地质条件比预判更差时，应立即上报，提交有关施工地质信息供参建各方进一步复核评估施工和支护设计方案，在排除安全风险后，再继续施工。
（2） 管廊内部收敛变形。管廊内部收敛变形
包括管廊两侧洞壁的水平向收敛变形以及拱顶下沉变形。监测数据的获取应做到“早起测、勤采集”，即：应在开挖出渣和初喷混凝土工序完成后，立刻进场布点起测，且应在定期采集数据的基础上，根据施工进度、现场条件和参建各方需求，适时加密采集频率。
（3） 支护结构受力。
浅埋暗挖法施工的支护体系包括超前支护、初期支护和二次衬砌支护。岩土体开挖引起的地层荷载一般由初期支护全部承担。二次衬砌多作为安全储备而不承担施工期荷载，只满足地下结构为实现其功能所需的承载。因此，综合管廊下穿施工过程的支护结构监测重点是初期支护，如锚杆应力和钢支撑轴力等。
（4） 地表沉降及防护对象查勘。
地表沉降是淺埋暗挖法施工过程的重点监控内容，一旦下穿施工开挖出现变形陡增，十分容易引起顶拱塌方，造成地表明显下沉，触发建筑物破坏等严重问题。为实现全面监控，应沿综合管廊下穿路径布置多个测点进行持续性监测。另外，地表下沉也会触发路面开裂、路基塌陷、建筑物裂缝等连锁问题。作为一项必要的补充，还应对下穿施工的防护对象做定期查勘，通过表观形象的变化间接反馈潜在不利影响。
2.4 基于多源信息的安全预警指标分析
2.4.1 安全预警指标的选取
根据多源信息监控内容，选取其中的量化信息作为安全预警指标，即：管廊收敛变形、管廊拱顶下沉、支护结构受力和地表沉降量。
目前，城市地下综合管廊方面的技术规范以国家标准GB 50838-2015《城市综合管廊工程技术规范》[10]为代表，一些行业和地方也制定了相关技术导则[11～13]。这些规范和导则以管廊的规划、选线、设计为主要内容，施工方面也以管廊本身结构安全要求为主，对施工过程中受影响的结构安全监测内容涉及有限。因此，广泛参考市政、公路、铁路等多行业规范的相关规定内容，对选取的安全预警指标进行梳理分析，为制定综合管廊的控制标准提供参考。
2.4.2 管廊收敛变形和拱顶下沉
城市轨道交通工程施工分为明挖法、盖挖法、盾构法和矿山法，其中盾构法的适用地层和开挖方法与浅埋暗挖法相对接近。根据GB50911-2013《城市轨道交通工程监测技术规范》[14]，采用盾构法施工时隧道管片结构竖向位移、净空收敛控制值见表1。
此外，GB50086-2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》[15]中规定：对于埋深小于50 m的V类围岩隧洞，建议的允许相对收敛值为0.2%～0.8%（相对收敛值为两测点间实测位移与两测点间距离的比值），对于脆性围岩取小值，塑性围岩取大值。TB10121-2007《铁路隧道监控量测技术规程》[16]中规定：对于跨度为7～12 m、埋深小于50 m的V类围岩隧洞，隧道的拱脚水平相对净空变化为0.20%～0.50%，拱顶相对下沉为0.08%～0.16%，对于硬质围岩取小值，对于软质围岩取大值。JTG-TD70-2010《公路隧道设计细则》[17]中规定：对于V类围岩的双车道隧道，建议预留变形量为80～120 mm。
考虑到城市轨道交通工程与城市地下综合管廊的施工环境最接近，且专门针对各种施工方法提出的控制指标，控制标准的区分度最高，因此综合管廊的收敛变形和拱顶下沉可以表1为重要参考，同时也兼顾其他规范进行适当修正。
2.4.3 支护结构受力
对于超前小导管、系统锚杆、钢支撑、拱架、喷混凝土等措施在内的支护结构，其自身的受力值即为判断其是否处于正常工作状态的依据。一般而言，对于受压力荷载的支护，如钢支撑和拱架，其最大承载可根据材料强度设计值换算，并考虑一定安全系数以保证结构的稳定性，材料强度使用率取为60%～80%。对于受拉力荷载的支护，如锚杆，可取80%～100%的材料强度使用率。支护对象的重要性越高，材料强度使用率取值就越小。综合管廊支护结构受力的控制指标可参考这一规律。
2.4.4 地表沉降量
造成城区地表沉降的外部原因包括两方面：一个是基坑施工过度排水导致地下水位降低而引起地表下沉;另一个是隧洞开挖施工移除了岩土体使得上覆地层悬空，而施加的支撑力不及时或不够，而引起顶拱地层向洞内变形，以致引发地表沉降。可见，浅埋暗挖法下穿施工引起的地表沉降在发生机制上基本与后一个原因一致。因此，借鉴GB 50911-2013《城市轨道交通工程监测技术规范》专门针对盾构法隧道下穿施工所建立的地表沉降和沉降速率控制值，作为控制标准的制定参考（见表2）。根据该规范对工程监测等级的规定，综合管廊浅埋暗挖法下穿施工可参考一级或二级的对应指标，且当下穿主要影响区内存在重要轨道交通措施和建筑物时，应明确为一级。
进一步从表3整理汇总的一些下穿铁路或地铁隧道案例实测沉降数据可知，基于表2建议值制定下穿工程的沉降控制标准是基本合适的。
2.5 城市地下管廊浅埋暗挖法施工结构安全的建议控制标准 基于前述的安全预警指标分析，结合综合管廊的结构特征以及浅埋暗挖法下穿施工的主要特点，提出综合管廊浅埋暗挖法施工的结构安全控制标准建议方案（见表4）。
（1） 管廊水平收敛控制标准：因表1给出的“0.2%D”是针对“管片结构”而提出的，且不区分周围土体类型，因此可考虑在该标准基础上适当放宽，并区分土体类型。相关规范针对埋深小于50 m的V类隧洞，建议的水平相对收敛值分别为0.2%～0.8%[15]和0.2%～0.5%[16]，且岩土体条件越差，控制标准越宽松。因此，根据上述二者的较严标准，并注意取值范围不出现量值交叉，建议“坚硬-中硬土”和“中软-软弱土”的水平收敛控制指标分别为“（0.2%～0.3%）B”和“（0.4 %～0.5%）B”。
（2） 管廊拱顶下沉控制标准可直接采用表1的控制标准。
（3） 决定支护结构工作状态的直接因素是其自身的受力大小，因此管廊支护受力不区分周围土体类型，可根据前述分析制定控制标准。
（4） 下穿影响区地表沉降控制标准主要参考表2方案制定。
基于浅埋暗挖法施工的综合管廊结构安全控制标准方案，若管廊施工过程中监测到任何一项超过表4中的控制标准，需及时提出预警，并加密监测频率。
3 多源信息监控技术的工程应用
3.1 工程概况
湖北省十堰市是全国首批地下综合管廊的试点城市，拟在城区多个地段建设综合管廊，线路全长51.63 km，基本利用现有城区路网，主要采用路面明挖基坑方法施工。但是，对于铁路等不可长时间停运的重要线路工程，则采用浅埋暗挖法下穿施工通过。
清潭路段综合管廊工程见图3，铁路线沿神定河走向延伸，在神定河北岸与清潭路交汇。实际施工中，综合管廊分别从铁路道口的南北两侧通过明挖法施工，逐渐靠近铁路道口。其中，北侧明挖段直接利用清潭路路面开挖基坑;南侧明挖段则在神定河河床开挖基坑。南北两侧的明挖基坑均在接近铁路道口处换用下穿方法施工，掘进方向从神定河向清潭路开挖，即桩号FYK2+570～FYK2+530，需要下穿施工约40 m，开挖尺寸为8 m×4 m（宽×高）。
3.2 工程地质条件
根据地质勘察阶段的钻孔信息可知，勘察深度范围内的场地地层分别为：① 素填土（Q4ml）;② 粉质黏土（Q4ml）;③ 粉质黏土（Qel+dl）;④ 强风化绢云母石英片岩（Pt）;⑤ 中风化绢云母石英片岩（Pt）。其中，在下穿施工高程区间范围内主要是①～③地层。具体描述如下：
① 素填土（Q4ml），杂～灰黄色，松散，不均匀，高压缩性，上部稍有压实，主要成分為开山的碎岩块、岩屑、岩粉及黏性土等，含块石、碎石、少量建筑垃圾等，沿线均有分布;
② 粉质黏土（Q4ml），黄褐色，可塑，含氧化铁斑点，稍有光泽，无摇震反应，中等干强度，中等韧性，沿线局部分布;
③ 粉质黏土（Qel+dl），黄褐色，硬塑，主要为砂质黏性土组成，夹强风化绢云母石英片岩风化碎屑，沿线局部分布。
3.3 基于地质雷达的下穿区域超前地质预报分析
为查明下穿施工区域的地层条件，在施工开始前，对工作面（桩号2+570）开展地质雷达探测，探地雷达使用的是EKKOpluse型，工作频率为100MHz，探测结果见图4。根据测线1～3的地质雷达成果可以看出，分别在掌子面前方8～16 m、6～16 m、6～18 m以及从左至右0～5 m、0～5 m、0～5 m的区间内出现明显振幅变化，且频率降低。根据这一信息，判断掌子面前方6～16m（桩号2+554～2+564）区间的地质条件相比于前期勘察地层发生变化，推测为回填土和薄夹层发育，且存在裂隙水。这是由于下穿区域附近的建筑物较多，加之前期铁路建设均会进行地基处理，因此会出现回填土。
相比于地质勘察阶段的地层资料，地质雷达超前地质预报结果不仅揭示了回填土的存在，并揭示了薄夹层和地下水信息。这些新发现的地质条件及时向参建各方进行了通报，并就可能诱发的地质灾害发出预警。后经研判，认为在新揭示的地质条件下，现有的施工方案和支护参数仍基本适宜，但应在施工中预留足够的缓冲时间和防护距离，加强监测和现场勘察，以便及时发现问题并采取防护措施，避免回填土或松散岩土发生垮塌导致不利后果，并制定抢险预案，及时处置潜在的地质灾害。
下穿施工的现场地质勘察结果表明，开挖揭示的地层多为中风化夹强风化，青灰色，薄-中厚层状构造，节理裂隙较发育，结构面多呈闭合状态，局部张开约3～5mm。局部可见回填土，这印证了地质雷达推断结论。在回填土区域，下穿施工过程中发生了局部垮塌，因事先及时预警，此次局部垮塌未造成严重后果。
可见，采用地质雷达进行超前地质预报具有较高的准确性，不仅提高了地质资料的可靠性，方便现场工程师利用更新地质条件复核施工开挖和支护参数，更重要的是能够在下穿施工前对影响结构安全的不利地质体进行预警，避免区域内岩土体失稳而引发更严重的安全事故。
3.4 基于多源信息的下穿施工结构安全监控
3.4.1 安全预警控制标准的确定
结合该工程的下穿施工地层岩土体特征、管廊开挖断面尺寸、安全监测防护对象的重要性程度，在表4建议的控制标准取值范围内选择适用的安全预警控制标准。
3.4.2 管廊水平收敛监测分析
采用全站仪自由设站的方法来测量隧道围岩水平方向收敛，在监测断面布置2条水平测线，测点由反射膜片及小型支架组成。支架嵌入围岩中固定，反射膜片贴在支架上作为对中点。全站仪放置于距离监测断面20～60 m的隧道中部，测量出两测点距离及夹角。根据测量结果计算出测点间的距离并算出两点间的收敛值。图5为水平收敛监测位移曲线。在开挖后短时间内的收敛位移变形速率较快，其后收敛位移增长速率逐渐减小，在1～2月内逐渐趋于稳定，累计最大变化量为12.2 mm，水平相对收敛为0.15%，未超过表5的预警控制标准，水平收敛的变形速率也满足要求。 3.4.3 管廊拱顶下沉监测分析
采用全站仪三角高程法测量拱顶下沉，在拱顶布置3个测点，测点布设方式同水平收敛测点。图6为拱顶下沉监测位移曲线，在开挖后短时间内的收敛位移变形速率较快，随后收敛位移增长速率逐渐减小，在1个月内逐渐趋于稳定，累计最大变化量为13.4 mm，未超过表5的预警控制标准。拱顶下沉的变形速率也满足要求。
3.4.4 管廊支护受力
在钢支撑中部焊接应变计，利用读数仪读取应变计频率来换算钢支撑轴力。图7为钢支撑轴力监测曲线，可见钢支撑在实施后轴向压力不断增大，在15～30 d内达到最大值，然后基本保持稳定状态。最大钢支撑轴力为30.29 kN，与表5的预警控制标准相比，还有较大安全裕度。
3.4.5 下穿影响区地表沉降
采用电子水准仪配合铟瓦条码式水准标尺来监测下穿影响区地表沉降。图8为下穿施工的地表沉降累计值监测曲线，在起测地表沉降后，所有测点的沉降数据均基本不变，但是随着下穿施工区域的不断接近，地表逐渐受到影响，开始出现沉降，但量值和变幅均较小。
在2018年5月1日，部分测点的沉降值突然增加，虽然沉降累计值较小，但沉降速率已达6.4 mm/d，超出表4的控制标准，触发安全预警标准。现场安全人员及时通报建设单位，要求立即停工，并在路面实施交通管制，限制大型运输车辆通行。随即，下穿施工现场（桩号2+556）在5月3日出现坍塌，此区域即为超前地质预报揭示的回填土层。根据抢险预案，现场及时采用以下措施处置：① 在塌方区域地表开洞，从上往下灌注混凝土，直接填补管廊上覆岩土体因坍塌出现的空洞;② 在保证安全的前提下，清理垮塌土石;③ 对垮塌区域地层实施超前导管注浆，待地层加固后再继续开挖;④ 加密后续下穿施工的监测频率，根据管廊收敛和地表沉降监测数据及时研判处置措施的有效性，反馈指导现场施工和动态设计。
采用以上抢险措施后，地表沉降陡增区域的后期沉降增量明显减小，沉降速率与周边未垮塌区域的测点沉降速率趋于一致，这表明因垮塌引起的局部区域地表过度沉降问题已得到有效控制。在管廊后续下穿施工中，地表沉降量仍有一定增幅，但总体趋势已较平稳。最终，地表沉降的累计最大值为42.6 mm，且有2个测点的地表沉降累计值超过35.0 mm，即表4的安全预警控制标准。这2个测点位于垮塌区附近，受前期影响较大。为确保地表防护对象的结构安全，下穿施工中对这些沉降量较大的测点加密了查勘频率。经观察，该部位未见明显异常，地表超出预警值部位路面未发现开裂。
4 结 论
本文以十堰市地清潭路段地下综合管廊下穿铁路线施工为研究背景，系统论述了采用浅埋暗挖法施工综合管廊下穿城区铁路的结构安全多源信息监控技术及其在工程中的应用，得到以下结论。
（1） 地下综合管廊下穿的地层可能经历前期市政建设改造，面临地质资料不能反映实际地层条件的问题，采用基于地质雷达原理的超前地质预报技术能够及时更新前方地质条件，为现场施工动态设计提供重要参考。
（2） 综合管廊下穿施工过程中采集的管廊水平收敛、拱顶下沉、支护受力和地表沉降数据，构成了监控结构安全的预警指标体系。进一步参考地铁、公路、铁路等规范，并考虑下穿施工地层岩土体特征、管廊开挖断面尺寸以及安全监测防护对象的重要性程度，制定了综合管廊下穿施工采用的安全预警控制标准。
（3） 工程应用效果表明，采用结构安全多源信息监控技术可使下穿施工前的地质预报技术和下穿施工过程中的监测手段有机结合，实现了施工前的初步预警和施工中的及时预警，可有效保证综合管廊浅埋暗挖法下穿铁路线施工中现场人员和施工设备安全，也确保了地表防护对象的结构安全。
（4） 有关城市地下综合管廊施工期间对周边建筑结构安全造成影响的安全评价，目前鲜有规范规程涉及，故工程实践中还缺少相关指引作为开展结构安全评价的依据。本文给出的多源信息监控技术，可为类似工程的结构安全防护监测设计和评价标准拟定提供参考，并希望对综合管廊安全监测规程规范的编制起到推动作用。
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（编辑：胡旭东）
引用本文：
王甫强，黄旸，周黎明，等.综合管廊下穿施工结构安全多源信息监控技术
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Multi-source information monitoring technology for structural safety of comprehensive
utility tunnel passing beneath railways
WANG Fuqiang1，HUANG Yang1，ZHOU Liming2，LI Yujie2
（ 1.Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Co.，Ltd.，Wuhan 430022，China; 2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang Rriver Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China ）
Abstract：
The comprehensive utility tunnel is a kind of municipal infrastructures rapidly constructed in China.We focus on the structural safety of shallowly-buried comprehensive utility tunnel passing beneath railways and put forward the idea of combining preliminary warning based on advanced geological forecast and timely warning based on multi-method monitoring during construction.Firstly，the geological radar based advanced geological forecasting technology was used to timely realize the update of front geological conditions，providing an important reference for the real-time design，thus formulating emergency plans for potential geological disasters.Then，based on the collected data during construction，a safety warning system considering the horizontal convergence of tunnel，roof deformation，support stress，and surface subsidence was established.According to the references of relevant contents from subway，highway，railway，and other codes and regulations，a safety criterion was suggested for the comprehensive utility tunnel.The proposed method was applied to the safety monitoring of the construction of the comprehensive utility tunnel passing beneath a railway line in Qingtan Road of Shiyan City.The preliminary warning before construction and the timely warning during construction were both achieved and effectively guaranteed the safety of personnel，equipment and surface protection objects.The results can provide references for the monitoring design and evaluation criterion of the similar project.
Key words：
urban comprehensive utility tunnel;underpass construction;multi-source information monitoring;structural safety;shallow-buried excavation method;advanced geological forecast
关 键 词： 城市地下综合管廊; 下穿施工; 多源信息监控; 结构安全; 浅埋暗挖法; 超前地质预报
中图法分类号： TU990
文献标志码： A
DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.026
0 引 言
城市地下综合管廊，简称综合管廊[1]，旨在将电力、通信、燃气和热力管线等各种市政管线集于一体，通过建设专用地下通道，将各种功能的管线统一布置于通道内，做到“一线多用”，并设有安装和检修通道，以及监控系统，从而实现城市生命线工程的统一规划、设计、建设和运维。国外的实践表明[2]，综合管廊能够极大提升城市资源的配置效率，避免不同功能的管线施工反复占用道路资源，同时也可降低单一管线建设和运维成本。
我国地下综合管廊建设起步较晚，当前处于快速建设发展阶段[3]，在该过程中也出现了一些亟待解决的工程问题。综合管廊施工以明挖法[4]为主，但对于铁路和高速公路这类不能长时间停运或封闭的重要工程，则需下穿施工通过，由此引发综合管廊下穿施工对上部重要线路工程的结构安全监控和影响评价问题。对于新建工程下穿既有建筑物的安全监控和评价，已有学者进行了一系列研究。莫峰昌[5]针对地铁盾构隧道下穿施工所引起的地层变形及其对建筑基础的影响问题进行了研究;刘斌[6]对新建地铁隧道下穿既有隧道的结构影响开展了分析评价;姚海波等[7]针对北京一热力隧道下穿砖砌群房开展了安全评价和对策分析;冷彪等[8]采用可拓学分析方法，探讨了新建下穿隧道对既有隧道的影响;苟德明[9]采用数值仿真方法，对公路隧道下穿已建公路所采用的支护措施其加固效果进行了评价。这些研究成果深化了对该问题的认识，也积累了一定的技术经验，但目前对城市综合管廊这类地下工程在下穿既有建筑物方面的安全监控评价研究还处于起步阶段。本文以十堰市清潭路段地下综合管廊下穿铁路线施工为研究背景，首先分析城市地下综合管廊下穿施工的主要特点，然后采用超前地质预报技术评价拟下穿区域的地质条件，借助多种手段开展下穿施工中的结构安全监测，并提出安全预警指标建议值及制定允许限值标准，最终实现综合管廊下穿重要线路工程的结构安全多源信息监控，为管廊下穿铁路的施工安全提供技术保证。
1 城市综合管廊下穿施工的主要特点
相比于地铁和公路等隧道工程，城市综合管廊下穿既有建筑时，具有以下特点。
（1） 城市综合管廊拟采用浅埋暗挖法实施下穿施工的区域一般埋深较浅。因前期城市建设开发，这些地层在地面既有建筑物建设时可能已经历过施工开挖和回填处理，而综合管廊这类线路工程的勘察钻孔数量相对有限，地质资料可能无法全面反映线路沿线的地层变化。因此，现场工程师为准确掌握拟下穿施工开挖区域的真实条件，应考虑采用一定技术手段更新地质条件，从而合理评价拟采用施工方法和支护措施的适应性。
（2） 城市综合管廊下穿施工常用浅埋暗挖法，上覆岩土体厚度较小，除超前加固措施外，还需竖向支撑等刚性支护，否则管廊暗挖施工将引起地表显著沉降，导致塌方或地面建筑破坏等工程风险。因此，采用多手段监测地表和管廊内岩土体变形以及支护结构受力，可以准确、及时、系统地掌握暗挖下穿施工过程中的地层响应特征和支护结构工作状态，这对于保障现场人员和施工设备安全非常重要。
2 浅埋暗挖法下穿施工的结构安全多源信息监控技术
2.1 基本思路
基于对城市综合管廊下穿施工主要特点的认识，为保证管廊下穿铁路的施工安全，首先，采用超前地质预报技术对拟下穿施工的地层进行探测，结合前期地质资料，更新工程地质评价结论，进而复核拟采用的施工方法和支护措施，做到工程措施和地质条件相适应。然后，在下穿施工过程中，采用多手段对地上建筑和地下结构开展全面监测，并依据相关规范规程，用采集的多源信息拟定安全预警指标并制定判据，以确保重点监控参数始终得到有效控制，形成城市综合管廊浅埋暗挖法下穿 施工的结构安全多源信息监控技术，从而 确保整个下穿施工过程的现场人员和施工设备安全。
2.2 基于地质雷达的超前地质预报技术
地质雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）是利用高频电磁波技术来探测地下隐藏不同目标体的方法。地质雷达发射天线发射脉冲电磁波，当这一讯号在岩层中遇到探测目标时，会产生部分反射讯号，直达讯号和发射讯号通過接收天线输入到接收机。根据电磁波在介质中的波速和传播时间可以计算界面深度。当发射天线沿某一平面移动时，根据接收的电磁波的运动特征，如反射时间、幅值、频率与波形等信息，结合地质资料对探测目标的结构、形状和深度等进行推断，就能得到探测目标的剖面图（见图1）。
应用地质雷达这一原理，可进行隧道超前地质预报。利用地质雷达发射天线将高频电磁波经掌子面发射至隧道前方地层中，遇到不良地质体反射回隧道掌子面，由接收天线接收电磁波信号进行分析解释，获取隧道掌子面前方地层和不良地质体分布信息。使用地质雷达作超前预报时，以前方拟下穿施工区域为探测目标，测线布置如图2所示。 2.3 浅埋暗挖法下穿施工的多源信息监控
根据综合管廊下穿铁路施工的主要特点和工程实际，应做好施工地质、管廊内部收敛变形、支护结构受力和地表沉降及防护对象查勘等4个方面的信息监控，详细介绍如下。
（1） 施工地质。
采用浅埋暗挖法施工的地层，一般为松散不稳定的土层或软弱破碎的岩层。开挖过程中，现场地质人员应及时根据新揭示的地层信息对前方岩土体的基本性质进行判断，并与前期地质资料和基于超前地质预报的更新地质条件进行比对，复核地质判断的准确性。若确认存在明显差异，尤其是实际揭示的地质条件比预判更差时，应立即上报，提交有关施工地质信息供参建各方进一步复核评估施工和支护设计方案，在排除安全风险后，再继续施工。
（2） 管廊内部收敛变形。管廊内部收敛变形
包括管廊两侧洞壁的水平向收敛变形以及拱顶下沉变形。监测数据的获取应做到“早起测、勤采集”，即：应在开挖出渣和初喷混凝土工序完成后，立刻进场布点起测，且应在定期采集数据的基础上，根据施工进度、现场条件和参建各方需求，适时加密采集频率。
（3） 支护结构受力。
浅埋暗挖法施工的支护体系包括超前支护、初期支护和二次衬砌支护。岩土体开挖引起的地层荷载一般由初期支护全部承担。二次衬砌多作为安全储备而不承担施工期荷载，只满足地下结构为实现其功能所需的承载。因此，综合管廊下穿施工过程的支护结构监测重点是初期支护，如锚杆应力和钢支撑轴力等。
（4） 地表沉降及防护对象查勘。
地表沉降是淺埋暗挖法施工过程的重点监控内容，一旦下穿施工开挖出现变形陡增，十分容易引起顶拱塌方，造成地表明显下沉，触发建筑物破坏等严重问题。为实现全面监控，应沿综合管廊下穿路径布置多个测点进行持续性监测。另外，地表下沉也会触发路面开裂、路基塌陷、建筑物裂缝等连锁问题。作为一项必要的补充，还应对下穿施工的防护对象做定期查勘，通过表观形象的变化间接反馈潜在不利影响。
2.4 基于多源信息的安全预警指标分析
2.4.1 安全预警指标的选取
根据多源信息监控内容，选取其中的量化信息作为安全预警指标，即：管廊收敛变形、管廊拱顶下沉、支护结构受力和地表沉降量。
目前，城市地下综合管廊方面的技术规范以国家标准GB 50838-2015《城市综合管廊工程技术规范》[10]为代表，一些行业和地方也制定了相关技术导则[11～13]。这些规范和导则以管廊的规划、选线、设计为主要内容，施工方面也以管廊本身结构安全要求为主，对施工过程中受影响的结构安全监测内容涉及有限。因此，广泛参考市政、公路、铁路等多行业规范的相关规定内容，对选取的安全预警指标进行梳理分析，为制定综合管廊的控制标准提供参考。
2.4.2 管廊收敛变形和拱顶下沉
城市轨道交通工程施工分为明挖法、盖挖法、盾构法和矿山法，其中盾构法的适用地层和开挖方法与浅埋暗挖法相对接近。根据GB50911-2013《城市轨道交通工程监测技术规范》[14]，采用盾构法施工时隧道管片结构竖向位移、净空收敛控制值见表1。
此外，GB50086-2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》[15]中规定：对于埋深小于50 m的V类围岩隧洞，建议的允许相对收敛值为0.2%～0.8%（相对收敛值为两测点间实测位移与两测点间距离的比值），对于脆性围岩取小值，塑性围岩取大值。TB10121-2007《铁路隧道监控量测技术规程》[16]中规定：对于跨度为7～12 m、埋深小于50 m的V类围岩隧洞，隧道的拱脚水平相对净空变化为0.20%～0.50%，拱顶相对下沉为0.08%～0.16%，对于硬质围岩取小值，对于软质围岩取大值。JTG-TD70-2010《公路隧道设计细则》[17]中规定：对于V类围岩的双车道隧道，建议预留变形量为80～120 mm。
考虑到城市轨道交通工程与城市地下综合管廊的施工环境最接近，且专门针对各种施工方法提出的控制指标，控制标准的区分度最高，因此综合管廊的收敛变形和拱顶下沉可以表1为重要参考，同时也兼顾其他规范进行适当修正。
2.4.3 支护结构受力
对于超前小导管、系统锚杆、钢支撑、拱架、喷混凝土等措施在内的支护结构，其自身的受力值即为判断其是否处于正常工作状态的依据。一般而言，对于受压力荷载的支护，如钢支撑和拱架，其最大承载可根据材料强度设计值换算，并考虑一定安全系数以保证结构的稳定性，材料强度使用率取为60%～80%。对于受拉力荷载的支护，如锚杆，可取80%～100%的材料强度使用率。支护对象的重要性越高，材料强度使用率取值就越小。综合管廊支护结构受力的控制指标可参考这一规律。
2.4.4 地表沉降量
造成城区地表沉降的外部原因包括两方面：一个是基坑施工过度排水导致地下水位降低而引起地表下沉;另一个是隧洞开挖施工移除了岩土体使得上覆地层悬空，而施加的支撑力不及时或不够，而引起顶拱地层向洞内变形，以致引发地表沉降。可见，浅埋暗挖法下穿施工引起的地表沉降在发生机制上基本与后一个原因一致。因此，借鉴GB 50911-2013《城市轨道交通工程监测技术规范》专门针对盾构法隧道下穿施工所建立的地表沉降和沉降速率控制值，作为控制标准的制定参考（见表2）。根据该规范对工程监测等级的规定，综合管廊浅埋暗挖法下穿施工可参考一级或二级的对应指标，且当下穿主要影响区内存在重要轨道交通措施和建筑物时，应明确为一级。
进一步从表3整理汇总的一些下穿铁路或地铁隧道案例实测沉降数据可知，基于表2建议值制定下穿工程的沉降控制标准是基本合适的。
2.5 城市地下管廊浅埋暗挖法施工结构安全的建议控制标准 基于前述的安全预警指标分析，结合综合管廊的结构特征以及浅埋暗挖法下穿施工的主要特点，提出综合管廊浅埋暗挖法施工的结构安全控制标准建议方案（见表4）。
（1） 管廊水平收敛控制标准：因表1给出的“0.2%D”是针对“管片结构”而提出的，且不区分周围土体类型，因此可考虑在该标准基础上适当放宽，并区分土体类型。相关规范针对埋深小于50 m的V类隧洞，建议的水平相对收敛值分别为0.2%～0.8%[15]和0.2%～0.5%[16]，且岩土体条件越差，控制标准越宽松。因此，根据上述二者的较严标准，并注意取值范围不出现量值交叉，建议“坚硬-中硬土”和“中软-软弱土”的水平收敛控制指标分别为“（0.2%～0.3%）B”和“（0.4 %～0.5%）B”。
（2） 管廊拱顶下沉控制标准可直接采用表1的控制标准。
（3） 决定支护结构工作状态的直接因素是其自身的受力大小，因此管廊支护受力不区分周围土体类型，可根据前述分析制定控制标准。
（4） 下穿影响区地表沉降控制标准主要参考表2方案制定。
基于浅埋暗挖法施工的综合管廊结构安全控制标准方案，若管廊施工过程中监测到任何一项超过表4中的控制标准，需及时提出预警，并加密监测频率。
3 多源信息监控技术的工程应用
3.1 工程概况
湖北省十堰市是全国首批地下综合管廊的试点城市，拟在城区多个地段建设综合管廊，线路全长51.63 km，基本利用现有城区路网，主要采用路面明挖基坑方法施工。但是，对于铁路等不可长时间停运的重要线路工程，则采用浅埋暗挖法下穿施工通过。
清潭路段综合管廊工程见图3，铁路线沿神定河走向延伸，在神定河北岸与清潭路交汇。实际施工中，综合管廊分别从铁路道口的南北两侧通过明挖法施工，逐渐靠近铁路道口。其中，北侧明挖段直接利用清潭路路面开挖基坑;南侧明挖段则在神定河河床开挖基坑。南北两侧的明挖基坑均在接近铁路道口处换用下穿方法施工，掘进方向从神定河向清潭路开挖，即桩号FYK2+570～FYK2+530，需要下穿施工约40 m，开挖尺寸为8 m×4 m（宽×高）。
3.2 工程地质条件
根据地质勘察阶段的钻孔信息可知，勘察深度范围内的场地地层分别为：① 素填土（Q4ml）;② 粉质黏土（Q4ml）;③ 粉质黏土（Qel+dl）;④ 强风化绢云母石英片岩（Pt）;⑤ 中风化绢云母石英片岩（Pt）。其中，在下穿施工高程区间范围内主要是①～③地层。具体描述如下：
① 素填土（Q4ml），杂～灰黄色，松散，不均匀，高压缩性，上部稍有压实，主要成分為开山的碎岩块、岩屑、岩粉及黏性土等，含块石、碎石、少量建筑垃圾等，沿线均有分布;
② 粉质黏土（Q4ml），黄褐色，可塑，含氧化铁斑点，稍有光泽，无摇震反应，中等干强度，中等韧性，沿线局部分布;
③ 粉质黏土（Qel+dl），黄褐色，硬塑，主要为砂质黏性土组成，夹强风化绢云母石英片岩风化碎屑，沿线局部分布。
3.3 基于地质雷达的下穿区域超前地质预报分析
为查明下穿施工区域的地层条件，在施工开始前，对工作面（桩号2+570）开展地质雷达探测，探地雷达使用的是EKKOpluse型，工作频率为100MHz，探测结果见图4。根据测线1～3的地质雷达成果可以看出，分别在掌子面前方8～16 m、6～16 m、6～18 m以及从左至右0～5 m、0～5 m、0～5 m的区间内出现明显振幅变化，且频率降低。根据这一信息，判断掌子面前方6～16m（桩号2+554～2+564）区间的地质条件相比于前期勘察地层发生变化，推测为回填土和薄夹层发育，且存在裂隙水。这是由于下穿区域附近的建筑物较多，加之前期铁路建设均会进行地基处理，因此会出现回填土。
相比于地质勘察阶段的地层资料，地质雷达超前地质预报结果不仅揭示了回填土的存在，并揭示了薄夹层和地下水信息。这些新发现的地质条件及时向参建各方进行了通报，并就可能诱发的地质灾害发出预警。后经研判，认为在新揭示的地质条件下，现有的施工方案和支护参数仍基本适宜，但应在施工中预留足够的缓冲时间和防护距离，加强监测和现场勘察，以便及时发现问题并采取防护措施，避免回填土或松散岩土发生垮塌导致不利后果，并制定抢险预案，及时处置潜在的地质灾害。
下穿施工的现场地质勘察结果表明，开挖揭示的地层多为中风化夹强风化，青灰色，薄-中厚层状构造，节理裂隙较发育，结构面多呈闭合状态，局部张开约3～5mm。局部可见回填土，这印证了地质雷达推断结论。在回填土区域，下穿施工过程中发生了局部垮塌，因事先及时预警，此次局部垮塌未造成严重后果。
可见，采用地质雷达进行超前地质预报具有较高的准确性，不仅提高了地质资料的可靠性，方便现场工程师利用更新地质条件复核施工开挖和支护参数，更重要的是能够在下穿施工前对影响结构安全的不利地质体进行预警，避免区域内岩土体失稳而引发更严重的安全事故。
3.4 基于多源信息的下穿施工结构安全监控
3.4.1 安全预警控制标准的确定
结合该工程的下穿施工地层岩土体特征、管廊开挖断面尺寸、安全监测防护对象的重要性程度，在表4建议的控制标准取值范围内选择适用的安全预警控制标准。
3.4.2 管廊水平收敛监测分析
采用全站仪自由设站的方法来测量隧道围岩水平方向收敛，在监测断面布置2条水平测线，测点由反射膜片及小型支架组成。支架嵌入围岩中固定，反射膜片贴在支架上作为对中点。全站仪放置于距离监测断面20～60 m的隧道中部，测量出两测点距离及夹角。根据测量结果计算出测点间的距离并算出两点间的收敛值。图5为水平收敛监测位移曲线。在开挖后短时间内的收敛位移变形速率较快，其后收敛位移增长速率逐渐减小，在1～2月内逐渐趋于稳定，累计最大变化量为12.2 mm，水平相对收敛为0.15%，未超过表5的预警控制标准，水平收敛的变形速率也满足要求。 3.4.3 管廊拱顶下沉监测分析
采用全站仪三角高程法测量拱顶下沉，在拱顶布置3个测点，测点布设方式同水平收敛测点。图6为拱顶下沉监测位移曲线，在开挖后短时间内的收敛位移变形速率较快，随后收敛位移增长速率逐渐减小，在1个月内逐渐趋于稳定，累计最大变化量为13.4 mm，未超过表5的预警控制标准。拱顶下沉的变形速率也满足要求。
3.4.4 管廊支护受力
在钢支撑中部焊接应变计，利用读数仪读取应变计频率来换算钢支撑轴力。图7为钢支撑轴力监测曲线，可见钢支撑在实施后轴向压力不断增大，在15～30 d内达到最大值，然后基本保持稳定状态。最大钢支撑轴力为30.29 kN，与表5的预警控制标准相比，还有较大安全裕度。
3.4.5 下穿影响区地表沉降
采用电子水准仪配合铟瓦条码式水准标尺来监测下穿影响区地表沉降。图8为下穿施工的地表沉降累计值监测曲线，在起测地表沉降后，所有测点的沉降数据均基本不变，但是随着下穿施工区域的不断接近，地表逐渐受到影响，开始出现沉降，但量值和变幅均较小。
在2018年5月1日，部分测点的沉降值突然增加，虽然沉降累计值较小，但沉降速率已达6.4 mm/d，超出表4的控制标准，触发安全预警标准。现场安全人员及时通报建设单位，要求立即停工，并在路面实施交通管制，限制大型运输车辆通行。随即，下穿施工现场（桩号2+556）在5月3日出现坍塌，此区域即为超前地质预报揭示的回填土层。根据抢险预案，现场及时采用以下措施处置：① 在塌方区域地表开洞，从上往下灌注混凝土，直接填补管廊上覆岩土体因坍塌出现的空洞;② 在保证安全的前提下，清理垮塌土石;③ 对垮塌区域地层实施超前导管注浆，待地层加固后再继续开挖;④ 加密后续下穿施工的监测频率，根据管廊收敛和地表沉降监测数据及时研判处置措施的有效性，反馈指导现场施工和动态设计。
采用以上抢险措施后，地表沉降陡增区域的后期沉降增量明显减小，沉降速率与周边未垮塌区域的测点沉降速率趋于一致，这表明因垮塌引起的局部区域地表过度沉降问题已得到有效控制。在管廊后续下穿施工中，地表沉降量仍有一定增幅，但总体趋势已较平稳。最终，地表沉降的累计最大值为42.6 mm，且有2个测点的地表沉降累计值超过35.0 mm，即表4的安全预警控制标准。这2个测点位于垮塌区附近，受前期影响较大。为确保地表防护对象的结构安全，下穿施工中对这些沉降量较大的测点加密了查勘频率。经观察，该部位未见明显异常，地表超出预警值部位路面未发现开裂。
4 结 论
本文以十堰市地清潭路段地下综合管廊下穿铁路线施工为研究背景，系统论述了采用浅埋暗挖法施工综合管廊下穿城区铁路的结构安全多源信息监控技术及其在工程中的应用，得到以下结论。
（1） 地下综合管廊下穿的地层可能经历前期市政建设改造，面临地质资料不能反映实际地层条件的问题，采用基于地质雷达原理的超前地质预报技术能够及时更新前方地质条件，为现场施工动态设计提供重要参考。
（2） 综合管廊下穿施工过程中采集的管廊水平收敛、拱顶下沉、支护受力和地表沉降数据，构成了监控结构安全的预警指标体系。进一步参考地铁、公路、铁路等规范，并考虑下穿施工地层岩土体特征、管廊开挖断面尺寸以及安全监测防护对象的重要性程度，制定了综合管廊下穿施工采用的安全预警控制标准。
（3） 工程应用效果表明，采用结构安全多源信息监控技术可使下穿施工前的地质预报技术和下穿施工过程中的监测手段有机结合，实现了施工前的初步预警和施工中的及时预警，可有效保证综合管廊浅埋暗挖法下穿铁路线施工中现场人员和施工设备安全，也确保了地表防护对象的结构安全。
（4） 有关城市地下综合管廊施工期间对周边建筑结构安全造成影响的安全评价，目前鲜有规范规程涉及，故工程实践中还缺少相关指引作为开展结构安全评价的依据。本文给出的多源信息监控技术，可为类似工程的结构安全防护监测设计和评价标准拟定提供参考，并希望对综合管廊安全监测规程规范的编制起到推动作用。
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（编辑：胡旭东）
引用本文：
王甫强，黄旸，周黎明，等.综合管廊下穿施工结构安全多源信息监控技术
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Multi-source information monitoring technology for structural safety of comprehensive
utility tunnel passing beneath railways
WANG Fuqiang1，HUANG Yang1，ZHOU Liming2，LI Yujie2
（ 1.Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Co.，Ltd.，Wuhan 430022，China; 2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang Rriver Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China ）
Abstract：
The comprehensive utility tunnel is a kind of municipal infrastructures rapidly constructed in China.We focus on the structural safety of shallowly-buried comprehensive utility tunnel passing beneath railways and put forward the idea of combining preliminary warning based on advanced geological forecast and timely warning based on multi-method monitoring during construction.Firstly，the geological radar based advanced geological forecasting technology was used to timely realize the update of front geological conditions，providing an important reference for the real-time design，thus formulating emergency plans for potential geological disasters.Then，based on the collected data during construction，a safety warning system considering the horizontal convergence of tunnel，roof deformation，support stress，and surface subsidence was established.According to the references of relevant contents from subway，highway，railway，and other codes and regulations，a safety criterion was suggested for the comprehensive utility tunnel.The proposed method was applied to the safety monitoring of the construction of the comprehensive utility tunnel passing beneath a railway line in Qingtan Road of Shiyan City.The preliminary warning before construction and the timely warning during construction were both achieved and effectively guaranteed the safety of personnel，equipment and surface protection objects.The results can provide references for the monitoring design and evaluation criterion of the similar project.
Key words：
urban comprehensive utility tunnel;underpass construction;multi-source information monitoring;structural safety;shallow-buried excavation method;advanced geological forecast