浅谈地铁盾构隧道洞内监测的实施
【摘要】目前地铁多处于城市繁华地段，隧道洞内的沉降直接影响到地面建筑物的沉降，做好洞内观测是一个非常重要的施工措施。
本文通过一个实例，从监测布点、监测方法到监测成果的反馈及报告方面来介绍地铁盾构隧道洞内进行监测需要注意的一些要点，以提高施工的安全性。
【关键词】地铁；隧道；沉降；监测
1、工程概况
广州市轨道交通四号线车黄区间，区间线路隧道埋深14～16m，线间距15m，轨面埋深14.5m～23.3m，线路最大坡度为3.36%，最小坡度3.02%。
区间地貌形态属于珠江三角洲冲积平原地貌，地表沉积物为冲~洪积砂层及土层，下伏基岩为白垩系碎屑岩，地形变化不大，地面高程一般在8.83～11.34 m。
本项目洞内监测包括区间隧道水平位移及沉降，区间土体水平位移及沉降，区间土层压应力及衬砌环内力和变形。
在整个土建过程中，当掘进面前后<20m时，1～2次/d；掘进面前后<50m时，1次/2d；掘进面前后>50m时，1次/周。
通过洞内监测可以判定地铁结构工程在施工期间的安全性及施工对周边环境的影响，对可能发生的危险及环境安全的隐患或事故提供及时、准确的预报。
2、监测点布设与监测方法
2.1 隧道水平位移及沉降
隧道水平位移监测采用全站仪观测的方法进行。
在每一代表性地段布设1个断面，设置2个测点，分别在衬砌腰部对称布置（如图1），共设置了8个点，标志采用强制对中装置。
监测使用全站仪，以施工控制导线点为基准，采用极坐标法或前方交会法观测布设的强制对中小棱镜监测点。
水平角及距离使用1秒级全站仪，观测6测回。
内业计算将各期观测的监测点坐标变化量投影至线路法向方向，计算水平位移值。
隧道沉降监测采用水准仪和钢尺测隧道顶沉降的方法。
点布设在隧道顶内壁，标志采用特制的挂钩，做法是冲击钻在隧道内壁钻孔，用锚固剂将挂钩埋入，共设置了4个点。
沉降测量方法是在隧道内顶部的监测点悬吊钢尺，使用水准测量的方法观测各监测点的高程变化，计算沉降量。
2.2 土体水平位移及沉降
土体水平位移测量采用测斜的方式，在具有代表性的地段布设1个断面，设置2个测孔（如图2），共设置了8个孔。
分层沉降观测，正式观测前做一定量的前期观测，以确定沉降环是否被土层牢固限制。
先用水准仪观测孔口标高，并在以后做定期观测。
用孔口沉降情况对分层沉降数据进行修正。
垂直位移监测在每一代表性的地段布设1个断面，设置1个测孔，共设置了4个孔。
选用土体分层沉降仪观测，通过电感探测装置，根据电磁的变化来观测埋设在土体不同深度内的磁环的确切位置，再由其所在位置深度的变化计算出地层不同深度的位移变化情况。
采用钻孔法制做测孔，钻孔时详细记录地层分层情况，结合已有勘察资料在地层分界面处埋设磁环，并使间距不大于2m。
沉降管下孔前将磁环卡套按一定距离分别固定在导管上，卡套之间放磁环。
成孔后，再将沉降管插入孔内，磁环在接头处遇阻后被迫随导管送至设计标高（卡套位置），然后再将沉降管向上拔起1m，用细砂在导管和孔壁之间进行填充至管口标高。
几天后检查细砂陷漏情况，补充细砂。
操作中将沉降仪探头放入孔中，在仪器报警提示的位置停止，观察仪表，并将探头位置做上下细微调整，在仪表最大值时，在孔口沉降标识位置
读取探头下放深度。
每次监测，重复量测两次，两次误差绝对值不大于1.0mm。
数据根据水准测量结果修正后，计算各土层沉降情况。
2.3 土层压应力
在具有代表性的地段布设1个断面，每个断面埋设6个压力盒（如图3），共设置了24个点，在隧道衬砌外部与土层分界面处，埋设振弦式或应变式土压力盒。
土压力盒的埋设是在管片外侧预留好压力盒的位置和压力盒的导线孔，在管片拼装前安装压力盒。
导线通过预留孔引至管片内侧，并进行防水保护，同时用环氧树脂密封导线穿孔。
测量采用频率或应变式读数仪读取土压力盒读数，根据给定公式P=K
（F02-F12），其中K=1.412×10-3 kN/Hz2，F0为初始值，F1为测量值，计算土压力盒所受的力。
2.4 衬砌环内力和变形
衬砌环内力监测传感器采用钢筋计，每个断面埋设6个测点（如图4），共设置了24个点。
在管片预制时安装好，并将导线做好保护，从管片内侧引出。
钢筋计的安装与混凝土支撑轴力的钢筋计安装一样，混凝土应变计可以绑扎在钢筋上。
用频率或应变式读数仪读取钢筋计读数，根据公式P=K×ΔF，其中
K=1.377×10-4 kN/Hz2，ΔF为初始值与测量值之差，计算环片的内力。
衬砌环变形采用收敛计监测洞内净空收敛的方法，每个断面布设4个测点（如图4）。
衬砌环变形量测时，将收敛尺旋扭固定，分别读取收敛尺上数值与细读数值，分别量取水平方向的收敛和竖直方向的收敛。
3、监测信息反馈与处理
3.1 监测信息流程
监测和成果反馈包括多个环节，从监测仪器的快速数据采集、监测数据的快速处理到监测成果的及时传达，进而迅速采取措施等。
其中包括几个阶段：
（1）采集数据(包括目测)，对数据进行初步分析，初步判断监测对象安全，如果情况可疑应通知业主，并做进一步监测验证。
（2）数据录入计算机，上传至信息化网络平台数据库，进行数据处理，各有关审核人或专家顾问组在各个终端进行网上审核。
（3）审核合格，生成成果报告。
（4）如果处理计算过程中发现监测数值过大，达到警戒值，应加大监测频率，采取控制位移变形的施工措施。
（5）如果监测数值过大，达到了控制值，应立即紧急通知各方，停止施工，并启动相关的抢险预案，积极配合业主抢险。
直到措施得当，危险解除，可以施工为止。
（6）生成监测成果报告和相关主要数据、图表一并上传至成果发布平台，业主、设计等各方均可以进行实时查询监测成果，同时成果报告以书面形式另报送给各相关方。
3.2 监测成果报告
监测成果报告中包含技术说明、监测时间、使用仪器、依据规范、监测方案及所达到精度，列出监测值、累计值、变形率、变形差值、变形曲线，各项监测成果表，典型测点的变化值———时间曲线图，土体测斜监测提供测斜孔沿深度方向的水平位移变化值曲线，沉降断面图，监测测点布置图，结合工程实际情况提供其它分析图表（测点的变化值随施工进展变化曲线），最后根据规范及监测情况提出结论性意见。
通过检测报告能了解到工程目前施工状态，做到信息化施工，有利于工程在安全状态下顺利推进。
4、监测成果与分析
4.1 检测数据
检测数据见表1。
4.2 数据分析
检测布点分别设置在隧道不同的地层面，有利于分析在不同地层中洞内盾构机掘进姿态对地面沉降及隧道管片拼装整体效果的影响。
从以上数据表明，在盾构始发段中，地层较差，机械具有磨合期及人员操作的影响，造成地面影响较大，管片有错台现象；而在随后的掘进中，沉降及管片效果较好。
说明在掘进初期，处于摸索阶段，各掘进参数均在调试阶段且未调配至最佳，造成土体发生较大扰动，而在以后的掘进中，通过控制推力、土仓包压及掘进速度来控制刀盘前的沉降，同时也调整注浆方案，有效控制管片脱出盾尾时的沉降来达到最佳效果。
因此，可以发现，在随后的检测中，变形量减小，效果较佳。
5、结束语
（1）在整个项目的监测过程中，对洞内土体及隧道管片共监测158次，从监测数据发现，基本控制在设计容许20mm以内，保证了盾构机顺利通过广深铁路及其他民用居住群。
（2）在地铁区间隧道内进行洞内监测是一项繁琐而细致的工作，监测数据对施工能否在安全的前提下顺利进行，是否采取应急措施，对设计优化具有很好的指导意义。
（3）该方法运用在地铁盾构施工上得到一定的成功，同时对于目前其他铁路隧道和公路隧道也具有一定的适用性。
参考文献
[1] 岳建平，田林亚.变形监测技术与应用[M].北京：国防工业出版社，2007.
[2] 夏才初，潘国荣，等.土木工程监测技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.
[3] 高俊强，严伟标.工程监测技术及其应用[M].北京：国防工业出版社，2005.
文章来源：《广州建筑》原作者：张伟荣。
