地铁盾构隧道施工监测

地下结构试验与测试技术第七章盾构隧道工程监测夏才初第七章地铁盾构隧道施工监测7－1盾构概述一、盾构隧道的用途盾构隧道机械化程度高，对地层的适应性好，广泛应用于：水底公路隧道延安东路隧道北段延安东路隧道南段城市地下铁道新加坡隧道施工上海地铁区间隧道大型市政工程等亮马河北路污水工程盾构段坝河污水截流管工程二、盾构隧道的施工过程三盾构基坑监测目的在盾构隧道施工中需进行监测是因为：穿越地层的地质条件千变万化；岩土介质的物理力学性质异常复杂；勘察的局部的和有限的；对岩土物理力学性质认识的不确定性和不完善性；沉降预估理论的不准确性。施工监测的主要目的：及时反馈，改进施工工艺和参数，减少土体的变形；预测土体变形，为是否或怎样保护地面建（构）筑物提供依据；控制隧道和地面建（构）筑的沉降在允许的范围内；研究不同地层条件下施工工艺对土体变形的影响规律；研究地表沉降和土体变形的分析计算方法等结累数据；发生工程环境责任事故时，为仲裁提供证据；验证结构的安全性和设计的合理性。7－2盾构隧道监测的项目和方法表7－1盾构隧道施工监测项目和仪器监测对象监测类型监测项目监测元件与仪器隧道结构结构变形(1)隧道结构内部收敛收敛计，巴塞特系统(2)隧道、衬砌环沉降水准仪，全站仪(3)隧道洞室三维位移全站仪(4)管片接缝张开度测微计结构外力(5)隧道外侧水土压力压力盒、频率计(6)隧道外侧水压力孔隙水压力计、频率结构内力(7)轴向力、弯矩钢筋应力计或应变计、频率计(8)螺栓锚固力锚杆轴力计，频率计地层沉降(1)地表沉降水准仪(2)分层土体沉降分层沉降仪、频率计(3)盾构底部土体回弹深层回弹桩、水准仪水平位移(4)地表水平位移经纬仪(5)深层土体水平位移测斜管，测斜仪水土压力(6)水土压力(侧、前面)土压力盒、频率计(7)地下水位水位井、标尺(8)孔隙水压孔隙水压力计、频率计地面建(构)筑物，地下管线铁路、道路(1)沉降水准仪(2)水平位移经纬仪(3)倾斜经纬仪(4)建(构)筑物裂缝裂缝计盾构隧道施工监测的对象：土体介质——隧道结构——地面周边环境。盾构隧道施工监测的部位：地面建(构)筑物——地表——土体内——隧道结构。盾构隧道施工监测的类型：建筑物和管线及其基础等的沉降和水平位移；土体的沉降和水平位移（地表和土体内）；地层水土压力和水位变化；盾构隧道结构内力、外力和变形。7－3盾构隧道监测方案的设计一、监测项目的确定监测项目的选择要考虑的因素：(1)工程地质和水文地质情况；(2)隧道埋深、直径、结构型式和施工工艺；(3)双线隧道与临近隧道或管道的间距；(4)地面临近建（构）筑物的尺寸、位置、结构特点等；(5)设计提供的变形及其它控制值及其安全储备系数。(6)工程的具体情况和特殊要求。表7－2盾构隧道基本监测项目的确定监测项目地表沉降隧道沉降地下水位建筑物变形*深层沉降地表水平位移其它地下水位情况土壤情况地下水位以上均匀粘性土△△砂土△△△△△含漂石等△△△△地下水位以下，且无控制地下水位措施。均匀粘性土△△软粘土或粉土△△含漂石等△△△地下水位以下，用压缩空气。软粘土或粉土△砂土△含漂石等△地下水位以下，用井点降水或其它方法控制地下水位。均匀粘性土△软粘土或粉土△砂土△△△含漂石等△△△必须监测的项目；建筑物在盾构施工影响范围以内，基础已作加固，需监测；△建筑物在盾构施工影响范围以内，但基础未作加固，需监测。*系指地面和地下的一切建筑物和构筑物的沉降、水平位移和裂缝。二、施测部位和测点布置的确定地表变形和沉降监测点的布置（前100米首推段）：沿轴线布设纵监测剖面，垂直轴线布设横监测剖面；纵监测剖面上测点间距小于盾构长度，约为37米；沿轴线每隔2030米布设一个横监测剖面；横剖面上按距轴线2，5，9米递增布设测点；横剖面上测点布设的范围为23倍盾构外径；在该范围内的建筑物和管线等也需监测其变形；根据以上监测结果可绘制纵、横断面的地表变形曲线。布设实例见图5－2。地表变形和沉降监测点的布置（正常段）：测点沿轴线布设，间距小于盾构长度，约为37米；监测距隧道轴线23倍盾构外径范围内的建筑（构）物的变形。其它监测项目的布设：土体分层沉降测孔一般布置在隧道中心线上；土体深层水平位移沿盾构中心线前方和两侧设测孔；土体回弹测点设在盾构前方一侧的盾构底部以上土体中；隧道沉降每1015个衬砌环设置一个沉降点；各种类型的水位观测井见图5－3三、监测频率的确定L=-20米w+30米：1次/天；其中：L=-D米，t3天：加密到2次/天；t3天，L=w+30米：1次/天；t3天，Lw+30米：12次/周。注：-盾构切口前后，+切口后；D、w盾构直径和长度。四、盾构推进引起的地层移动特征及估算方法★盾构推进引起地层移动的因素（如图5－4）：主观因素：盾构型式、辅助工法、衬砌壁后注浆、施工管理情况等；客观因素：隧道线型、盾构外径、埋深等设计条件；土的强度和变形特性、地下水位等地质条件。★地层移动特征L=l3m(H+D)m，地下水位下降引起的前期固结沉降；近切口处，欠挖导致地表隆起，超挖导致地表沉降；从切口到达至盾尾通过，土体扰动后引起的沉降；盾尾通过后，盾尾间隙的沉降；后期沉降，地层扰动引起的次固结沉降。注：H为隧道上部土层的覆盖深度★地表沉降的估算地表沉降的估算方法主要有派克法、有限元法和考虑固结因素的派克修正公式。（1）派克(Peck)法假设：沉降槽的体积等于地层损失的体积；地层损失在隧道长度上均匀分布；地面沉降的横向分布为正态分布，如图5－5所示。地表沉降槽的横向沉降量分布公式：(5-1)式中：s(x)沉降量(m)；Vi沿隧道长度的地层损失量(m3/m)；x距隧道中心线的距离(m)；i沉降槽宽度系数，即隧道中心至沉降曲线反弯点的距离(m)。(5-1)地表沉降槽的纵向沉降量分布公式(5-2)（如图5－6）：式中：s(y)沉降量(m)；y、yf分别为沉降点和盾构开挖面至坐标轴原点o点的距离(m)；yi盾构推进起始点处盾构开挖面至原点o点的距离(m)；L盾构长度；；；VL1盾构开挖面引起的地层损失；VL2盾尾空隙压浆不足及其它施工因素引起的地层损失；由查表得。(2)竹山乔实用公式用弹性介质有限元法分析得出的地表沉降估算公式：(5－3)式中：H隧道的覆盖深度(m)；D盾构外径(m)；多层土的等效平均弹性模量。Rowe和Hack提出的间隙值g与地层损失的关系：(5－4)式中：Dm为隧道外外径(m)。盾尾通过后周围土体向隧道外周位移，由此引起地表沉降曲线与正态分布曲线基本相似。E(5－3)(5－4)(3)考虑固结因素的Peck修正公式假设盾尾压浆引起固结沉降为：(5－5)式中：隧道顶部超孔隙水压力的平均值(MPa)；土骨架的平均压缩模量(MPa)；H盾构埋深(m)；固结沉降量(m)。由固结沉降而引起的单位长度地层损失量为：pEcHEpcVilc'2(5－5)距隧道中心线x处在t时间内的固结沉降量为：(5－6)式中：隧道顶部土体加权平均渗透系数(m/d)。考虑施工因素和固结因素，则沉降量s(x+t)的计算公式为：(5－7)k(,)()xtHktiexi2222sxtVHktielxi()()2222(5－6)(5－7)５－4盾构隧道施工监测实例一、监测实例之一１、上海地铁一号线工程概况盾构：外径6.2m，内径5.5m，管片：厚35cm，宽100cm，一环6片；螺栓：环向：12根M27400，环间：16根M30950；覆土：厚度：68m，淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土层。２、地表沉降监测结果地表变形纵剖面曲线（见图5－7）地表变形横剖面曲线（见图5－8）变形的特点为：(1)盾构到达前(L=-3-l2m[(H+D)])，地表已产生变形:L=-5-l2m，地表隆陷量小于0.5cm；L=-3-5m，地表隆陷量小于1cm；(2)盾构到达时(L=-3+lm)，隆陷量增大到1.5cm；(3)盾构通过时(L=lw)，沉降量达1.02.0cm，一般沉降；(4)盾尾通过时(L=ww+4m)，沉降量最大可达1.02.0cm；(5)盾尾通过后，固结沉降，10天后的沉降速率约为1mm/d；30天后降至0.2mm/d；100天后0.06mm/d；100天内的后期固结沉降可达3.0cm。(6)横向地表沉降槽为正态曲线分布，两侧影响范围离轴线约12m；(7)主要影响范围离轴线约5m以内，其沉降量是沉降槽总面积的80%３、地面建筑物保护情况地面建筑物：3层框架结构厂房，地下有一砖砌防空洞；保护措施：地面双液跟踪注浆，从盾尾脱出开始。厂房东西向沉降曲线如图5－9，厂房沉降不对称。结果：厂房未发现开裂沪杭线道口：隧道覆土厚7m；保护措施：地面双液跟踪注浆，从盾尾脱出开始。铁路沉降情况：在盾构通过铁路时，隆起量小于1.0cm;盾尾脱出时，沉降量控制在1.5cm以内；后期累计沉降量控制在3.0cm以内。结果：沪杭铁路在施工期间运营正常二、监测实例之二1、上海地铁二号线工程概况盾构：外径6.2m，内径5.5m，管片：厚35cm，宽100cm，一环6片；螺栓：环向：12根M27400，环间：16根M30950；覆土：厚度：68m，淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土层。2、监测内容和测点布设监测内容：地面沉降监测、轴线附近建筑物及地下管线沉降；监测范围：距离隧道轴线：左右10米；距离盾构机头：前方20米，后方30米。地面监测点的布设：用道钉打入地下，再用水泥固牢。沿轴线每隔5米布一个测点；每隔30米布设一个横监测剖面；横剖面上测点按距离轴线2、5、9米布设；地下管线监测点的布设：用道钉打入地下，再用水泥固牢。在地下管线所在的地面上每隔10米布设一个监测点。建筑物监测点的布设：用“L”型钢筋，固定在墙体内。在建筑物墙上每隔5～10米布设一个监测点。3、监测频率及报警监测频率：2次/天（盾构每天推进约10米）；报警值：累计上升10mm和下沉30mm（据业主要求）。4、监测结果轴线监测点：盾构切口到达时：上升不足1mm；盾构通过后三天，沉降量每天在3mm左右；累计最大沉降量：40mm为（轴线700米至800米段）；一般累计沉降量在20mm左右。剖面监测点：距轴线2米测点，沉降量约为轴线点的70％；距轴线5米测点，沉降量约为轴线点的40％；距轴线9米测点，沉降量很小。地下管线监测点：管线监测点沉降量多为25mm。建筑物监测点：建筑物在盾构轴线上方：1020mm；建筑物距轴线9米：13mm。地表监测点随时间变化曲线见图5－10横轴线地表监测点沉降曲线示意图见图5－11纵轴线地表监测点沉降变化曲线见图5－12三、双孔隧道监测实例盾构钢拱架型板的量测布置（图5－13）；盾构钢拱架型板的应变量测结果（图5－14）预制无螺栓膨胀衬砌隧道的量测布置（图5－15）预制衬砌中的应变量测结果（图5－16）双孔隧道上方的地表沉降槽和分层沉降的实测曲线（图5－17）7－５顶管法隧道施工监测及实例一、概述顶管法施工的用途：城市上下水管道；煤气管道；其它市政管线；共同沟。二、合流污水外排工程监测实例1、工程概况始发工作井顶管口底标高：－27.00(自然地坪+4.50)；接收工作井顶管口底标高：10.34；顶管全长：764.78米，江底下平均埋深7～8m左右；顶管内径：φ2200管段长3m，管壁厚240mm；预制混凝土管段：配制三级钢筋：纵向φ10，环向φ12。顶管施工穿越地层由浦东向浦西依次为：⑦层草黄色砂质粉土；⑥-2层草黄色粉质粘土；⑥-1层暗绿色粘土；⑤-2层灰色粘砂互层；③层灰色淤泥质粉质粘土；④层灰色淤泥质粘土。监测的目的：保证两条管道顶进施工的安全性；跟踪监视第二条管道顶进对第一条管道的影响；验证管道设计中采用的理论在上海的适用性。2、监测方案监