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地铁盾构隧道施工监测技术【摘要】上海轨道交通10号线2标区间隧道采用盾构法施工,在盾构推进过程中对地表变形、地下管线沉降、建筑物沉降等方面进行了施工全过程跟踪监测;通过对监测结果进行分析研究,判断施工进展情况和施工中存在的问题,并在此基础上有针对性地改进施工工艺和修改施工参数。研究成果可供其他类似工程参考。【关键词】地铁盾构施工监测变形沉降引言地铁隧道施工变形监测是指在隧道掘进过程中对土体和衬砌的受力状态、变形状态的监测,也包括对施工影响范围内的建(构)筑物的沉降、裂缝、倾斜等的监测。由于地铁隧道工程位于地层包围之中,周围地层的水文、工程地质情况复杂多变,土层力学性质又各不相同,施工中可能遇到预想不到的问题,给施工带来安全风险。这种情况下就需要通过信息化施工,随时掌握施工进展情况,针对出现的问题采取相应的应对措施。监测工作是信息化施工的重要保证,通过现场监测,可掌握土体的受力、变形状态,确定土体的稳定情况;同时,监测工作取得了大量翔实可靠的数据,通过对监测数据进行分析,可以判断施工的进展程度、发现施工中存在的问题、为后续施工提供参数依据,以便有针对性地改进施工工艺和修改施工参数,对“危险地段”进行变更设计或更改施工方案,以确保隧道施工的安全。监测过程中如出现险情和特殊情况,能及时反馈信息,并采取必要的措施,减少事故发生的可能性。1、工程概况上海市轨道交通10号线2标国权路站~五角场站区间隧道上行线起于SK27+146.143止于SK26+263.800;下行线起于XK27+146.143止于XK26+263.800,在里程SK26+714.700处设联络通道、泵站一座。上行线长为882.343m,下行线长为882.343m,总长度为1764.686m,衬砌管片总环数为1468环。隧道最大覆土厚度约为15.35m,最大纵坡为20.953‰。本工程区间隧道为单圆隧道,圆形区间隧道的外径为6200mm,内径为5500mm,钢筋混凝土衬砌的厚度采用350mm,环宽为1200mm。衬砌环全环由封顶块、2块标准块、2块邻接块及1块拱底块构成,采用具有一定接头刚度的单层衬砌,通缝拼装。区间隧道总长度为1764.686m。区间隧道上、下行线均从五角场站南端头井始发,沿四平路下往西南向直行,通过国定路、国顺路、国年路,四平路两侧多为多层住宅小区,距区间隧道结构最近距离为8.5m,住宅多为条形基础。区间隧道平行穿越四平路,垂直穿越国定路、国顺路、国年路,道路沿线管线分布密集,且多为重要的市政和公用管线,其中较多管线口径大、压力高且埋深较深,根据现有管线资料,施工期间需要重点监测的管线见表1。综上所述,在盾构推进过程中将对地面影响范围内的所有建筑物及地下管线、地表变形等进行监测。2、工程地质条件区间隧道地基土在50m深度范围内均为第四纪松散沉积物,属第四系滨海平原相沉积层,主要由饱和黏性土、粉性土以及砂土组成,一般具有成层分布特点。区间隧道掘进主要在第②32层灰色砂质粉土、第④层灰色淤泥质黏土与第⑤1-1层灰色黏土之中。第②32层灰色砂质粉土易发生涌水、流砂等事故,并引起开挖面失稳和地面沉降,严重时会随着地层空洞的扩大引起地面的突然塌陷;第④层与第⑤1-1层为高含水量、高压缩性、低强度土层,该两层土具有明显的触变性,在一定的动力作用下易发生流变,破坏土体结构,使土体强度突降。土层力学性质指标见表2。3、变形机理分析1)盾构推进过程中引起的地表沉降是由多种因素决定的,其主要因素有:①开挖工作面土体移动,当作用在正面土体的推力大于原始侧向应力时,则正面土体向上向前移动,引起盾构前方土体隆起,造成负地层损失;如果开挖面土体受到的水平支应力小于原始侧向应力,则开挖面土体向盾构内移动,引起盾构上方地面沉降,造成地层损失,此类地层损失是正常的地层损失,一般在施工中是不可避免的,但可采取信息化施工,将这种地层损失控制在一定限度以内。②盾构后退,在盾构暂停推进中,若推进千斤顶漏油回缩而引起盾构后退,使开挖面土体松动,造成地层损失。③土体挤入管片与盾构之间的空隙,这部分空隙在盾尾,出现空隙的主要原因有,盾尾材料与结构的密封性能差,注入盾尾的油脂量少质劣,导致盾尾钢刷损坏。若向盾尾后面隧道外周建筑空隙压浆不及时或压浆压力不适当,使盾尾后隧道周边土体失去原始三维平衡状态而向盾尾空隙中移动漏浆,引起地层损失。④盾构施工中改变推进方向,盾构推进为控制轴线方向的纠偏较大,或盾构在曲线推进、纠偏、抬头或磕头推进过程中,实际开挖面的断面不是圆形而是椭圆,则对土体有扰动和超挖,引起地层损失。⑤管片的变形和隧道的沉降,在土压力作用下,隧道衬砌产生的变形也会引起少量的地层损失,隧道沉降较大时,也会引起不可忽视的地层损失。2)受扰动土的再固结。一是地层因土体中孔隙水压力变化产生排水固结变形引起地面沉降。二是土体受扰动后,土体骨架还发生持续很长时间的压缩变形在此土体蠕变过程中产生的地面沉降。因此,盾构施工过程对土体的扰动是一个从平衡到不平衡再到新的平衡的运动过程。其不平衡状态表现为加压后的地面隆起和盾尾后的地面沉降。3)在盾构推进施工过程中,由于盾构刀头的旋转和对周围土体的挤压等作用,周围土体的内应力发生变化而破坏了土体内部的应力平衡,使得周围土体发生沉降、位移变形,如该变形量达到一定的数量就会影响到周围地下管线和建筑物的安全。所以在盾构推进施工过程中必须通过控制地下管线及周围建筑物的变形量来控制盾构推进的进度和盾构本身的姿态,从而实现施工过程的信息化,确保施工的质量、进度和安全。4、监测项目与方法4.1监测项目在盾构施工过程中,由于地层的变化而导致不同程度的地面沉降,从而造成地面建筑物、地下管线等设施的变形。针对该区间隧道沿线地下管线的情况,在盾构推进施工过程中,设置如下监测项目:①地面沉降监测(包括隧道轴线地面纵向沉降测量及横向断面沉降测量);②地下管线沉降监测(盾构推进施工影响范围内的地下管线沉降监测);③建筑物沉降监测(施工影响范围内的建筑物沉降测量)。地面沉降点放样按照设计每隔5环计算一个轴线点坐标,用已测定的导线控制点将这些坐标点放样到实地上,根据点位埋设沉降测标。为了保护测点,放样测点与盾构推进保持一致或稍微超前。沉降监测从水准工作基点出发按二等水准测量要求以闭合或附合水准线路的形式测量各监测点的高程,测量闭合差小于±0.5N1/2mm(N为测站数)。前后两次测量值之差为本次高程变化量;测量值与初始值之差为累计高程变化量。初始值为盾构未推进时测量两次监测点高程的平均值。4.2监测点布设4.2.1地面沉降监测点布设根据以往隧道盾构施工时的监测经验并结合本工程的实际情况,沉降监测点依据以下原则布设:在现场布设平行于隧道轴线的隧道中心沉降监测点和垂直于隧道轴线的沉降监测断面点,在隧道轴线上方每间隔5环布设一沉降监测点,全线约292点。垂直于隧道轴线的沉降监测断面点每30环布设一组长约27.2m的断面,每组13点(含2个轴线中心的测点),离隧道轴线分别为1m、4m、7m。全线共有25个断面,275个测点。此外,为了解地下深层土体的变化情况,在有条件的情况下可在区间内重要区段布设深层监测点,埋深至盾构顶面与地面之间的中间土体,实际埋深一般在1~3m之间。本区间地面沉降测点总计约为567个,具体数量及分布位置以现场实际布设情况为准。4.2.2地下管线沉降监测点的布设根据已有的地下管线资料及各管线单位的现场交底资料,施工前查明盾构施工影响范围内地下管线的准确位置,按照管线单位的要求进行监测点的布设,形成监测点位图,并做好监测点的保护工作。监测信息应及时反馈给各管线单位以便采取相应措施。布点原则是对位于施工影响范围内(轴线2侧各15m)的管线作为监测保护对象,在轴线上方两侧15m范围内平行或垂直掘进方向的管线上布设测点,其中平行掘进方向上间隔15m设点,垂直掘进方向上间隔6m设点,尽量利用管线设施作为直接测点,上水、煤气等压力管线作为重点监测对象。根据施工影响范围内地下管线的功能、管材、接头形式、埋深等条件,制订布点方案,监测点分直接监测点和间接监测点。间接测点是将管线测点做在靠近管线的原状土体中;直接测点一般布设在管线设备(窨井、阀门、抽气孔等)上,同时也可在现场条件允许的情况下,将管线暴露布设直接点,一般是以最小的开挖面积,挖至被监测管线的顶部,然后埋设Φ70mm的PVC护管,测量时把测针通过护管直接置于被监测管线顶部即可。区间隧道地下管线埋深一般在1~3m范围内,特殊管线埋设达4m以上,在盾构推进施工过程中,应对影响范围内的地下管线进行跟踪监测,及时了解管线的沉降速率及沉降量,为盾构推进提供指导信息,合理控制管线变形。本区间地下管线沉降监测点约为265个。4.2.3建筑物沉降监测点布设本区间隧道两侧分布有较多多层建筑物,其中以民用建筑为主。由于有些建筑物建成时间久远,基础较差,但都在正常使用,所以应该对盾构施工影响范围内的所有建筑物进行沉降监测。观测点的布置,应以能全面反映建筑物地基变形特征并结合地质情况及建筑结构特点确定,点位宜选设在下列位置:①建筑物的四角、大转角处及沿外墙每10~15m处或每隔2~3根柱的基础上。②高低层建筑物、新旧建筑物、纵横墙等交接处的两侧。③建筑物裂缝和沉降缝两侧、基础埋深相差悬殊处、人工地基与天然地基接壤处、不同结构的分界处及填挖方分界处。④宽度≥15m或15m而地质复杂以及膨胀土地区的建筑物,在承重内隔墙中部设内墙点,在室内地面中心及四周设地面点。⑤邻近堆置重物处、受振动显著影响的部位及基础下的暗浜(沟)处。⑥框架结构建筑物的每个或部分柱基上或沿纵横轴线设点。⑦筏板基础、箱形基础底板或接近基础的结构部分之四角处及其中部位置。⑧重型设备基础和动力设备基础的四角、基础形式或埋深改变处及地质条件变化处两侧。施工前应对隧道沿线的所有建筑物进行检查,记录施工前建筑物的状态,必要时拍照存档。沉降观测的标志,可根据不同的建筑结构类型和建筑材料,采用墙(柱)标志、基础标志和隐蔽式标志(用于宾馆等高级建筑物)等形式。各类标志的立尺部位应加工成半球形或有明显的突出点,并涂上防腐剂。标志的埋设位置应避开雨水管、窗台线、暖气片、暖水管、电气开关等有碍设标与观测的障碍物,并应视立尺需要离开墙(柱)面和地面一定距离。本隧道区间内建筑物沉降监测点为74个,测点应根据现场实际情况调整。测点布设完成后提交点位布设详图。4.3监测工作实施4.3.1仪器设备根据监测项目和监测精度的要求,本区间监测项目需要以下仪器设备:TOPCONGTS-100N型全站仪1套;精度为测角±2″;测距精度为±2mm+2×10-6m;苏光DSZ2型水准仪(附FS1测微器)2套;精度为±0.3mm/km;J2型经纬仪1套,精度为2″;此外还需要数据处理设备SHARPPC-E500S电子手簿及微机若干。以上设备必须按有关规范进行定期鉴定,不符合规范要求的仪器不得投入使用。例如:水准仪i角不得大于15″。4.3.2变形监测控制网布设为将轴线点放样到地面上,必须沿隧道轴线附近布一条二级平面控制导线,控制网采用盾构施工控制网数据。按照实地放样需要沿途布设4~5个首级控制点,然后根据需要在首级控制的基础上再发展下一级控制网。由于监测线路较长,为了监测需要,以本区间盾构施工高程控制网为起点,沿途布设4~5个监测工作基点,工作基点应避开盾构施工影响范围,同时应符合下列要求:1)对于建筑物较少的测区,宜将控制点连同观测点按单一层次布设;对于建筑物较多且分散的大测区,宜按两个层次布网,即由控制点组成控制网、观测点与所联测的控制点组成扩展网。2)控制网应布设为闭合环、结点网或附合高程路线。扩展网亦应布设为闭合或附合高程路线。3)每一测区的水准基点不应少于3个;对于小测区,当确认点位稳定可靠时可少于3个,但连同工作基点不得少于3个。水准基点的标石,应埋设在基岩层或原状土层中。在建筑区内,点位与邻近建筑物的距离应大于建筑物基础最大宽度的2倍,其标石埋深应大于邻近建筑物基础的深度。4)工作基点与联系点布设的位置应视构网需
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