盾构法施工监测与轨道交通施工

地铁盾构法施工过程中不可避免会扰动地层，引起地层的变形及地面沉降，从而导致邻近建（构）筑物和地下管网等结构物附加变形和附加内力的产生。隧道结构物（主要是管片衬砌）在周围水、土体、自重、施工千斤顶、注浆等作用下会产生变形，当变形超过一定范围时也会影响结构的使用、稳定和安全。因此，盾构法施工过程应主要针对地层、隧道结构、周围环境进行监测，以确保施工过程中工程本身的安全和减少施工对周围环境的影响。

为准确获得土层、衬砌结构和周围环境的动态数据，需在盾构掘进前测出各个监测点在稳定时的初始读数，以便与掘进后测得的数据进行比较，获得实际的变化情况。盾构法施工监测的主要目的有两个：一是掌握盾构施工对周围土体、临近建（构）筑物的影响以及衬砌结构的内力、变形情况，以便采取适当处理措施；二是根据动态观测结果判断施工的优劣并改进施工方法。

盾构法施工监测的关键环节是对盾构施工参数的监测与管理。在盾构推进过程中不断观察设定土压力值、盾构推进速度、推进油压、盾构姿态、注浆量、注浆压力、出土量等是否在优化施工参数范围内，发现异常情况应及时进行调整并做好详细记录。

地铁盾构法施工监测主要有以下几项内容：

（1）洞内外观察。主要是对洞内的管片衬砌变形与开裂情况、洞外的地面沉降、开裂与建（构）筑物开裂等进行肉眼观察，每天至少1次。

（2）地面沉降（或隆起）及地下管线沉降监测参见本书第20.2.2节。

（3）邻近建（构）筑物状态监测。采用精度不低于±2mm/km的水准仪、精度不低于±2″的经纬仪、精度不低于（±2m+2mm/km）的全站仪、精度不低于±0.1mm的裂缝观测仪进行监测。周围建（构）筑物的沉降和倾斜监测频率与地面沉降的观测频率相同，建（构）筑物裂缝监测频率按两次观测期间裂缝发展不大于0.1mm及裂缝所处位置确定。

（4）管片衬砌变形监测。可利用精度不低于（±2″，（±2m+2mm/km））的全站仪、±0.06mm的收敛仪，±1mm的断面扫描仪进行。每一盾构施工的区间隧道设1～2个主测断面，分别在衬砌拼装成环尚未脱出盾尾（即无外荷载作用）时和衬砌环脱出盾尾承受外荷作用且能通视时的两个阶段进行监测。

（5）土体分层沉降及水平位移监测。可利用±1.0mm的分层沉降仪和±0.02mm/0.5m的测斜仪进行，应与主测断面相对应设1～2个主测断面。

（6）管片衬砌和地层间接触应力监测。可利用±0.15%F.S的土压力盒配合频率接收仪进行，应与主测断面相对应设1～2个主测断面，每一断面不少于5个测点。

（7）管片内力监测。可利用±0.15%F.S的钢筋应力计、混凝土应变计、螺栓应力计等进行，应与主测断面相对应设1～2个主测断面，每一断面不少于5个测点。

盾构开挖面的土压力是重要的施工参数，它直接反映盾构掘进时正面土体的挤压程度。土压值应根据地面隆起沉降情况进行调整以减少地面沉降。盾构推力、推进速度，出土量应通过不断地监测与调整使之始终处于最佳匹配状态，以达到维持盾构正面土压的稳定、减少对周围土体挤压影响的目的。(www.xing528.com)

盾构同步注浆或管片壁后注浆的数量和压力对控制盾尾建筑空隙具有重要意义。土层条件不同，注浆量和注浆压力也必须进行调整。注浆压力值是由地层阻力强度与注入条件决定的。注浆压力过大时，钢管片会先出现管环变形，接着主梁和肋板也会相继变形，还可能会使K形混凝土管片螺栓剪断。

盾构姿态控制（盾构推进方向、盾尾纠偏、仰头推进、曲线推进等）对周围土体的影响很大，盾构蛇行量过大易引起对周围土体的挤压并增大盾尾空隙量。盾构姿态可采用测量机器人自动量测与控制。

洞内外观察是盾构法施工的最基本监测。通过它可对盾构施工情况做出综合的直观判断（比如管片变形、开裂、错台、拼装缝、掉块、漏水状况、盾构机施工的异常响动、渣土的流塑化状态等），应根据工程的特点定期进行观察。另外，在盾构始发和到达时还要注意观察盾构基座、后备支撑、封门等的变形情况。洞外观察主要是对地面开裂、地面隆起、建（构）筑物开裂、倾斜、降沉等状况的观察和记录。洞内观察和洞外观察应根据隧道内和周边建（构）筑物环境情况确定观测频率，每天至少一次。

地面沉降是盾构施工过程中产生的地层损失引起的地层移动，其变化呈现以盾构机为中心的三维扩散分布。因此，既要沿盾构轴线方向布置沉降测点，又要在隧道中心轴线两侧规定范围内设置横向监测点。而且，盾构始发段应适当加密布点，并布置一定数量的横向监测断面，为盾构施工参数的优化与调整提供依据。纵向地面测点间距为10～30m，在地层或周边环境较复杂地段应布置横向监测断面。横向地面测点的布置范围一般可在地铁结构外沿两侧各30m范围内布设，每排横向地面测点不宜少于7个，且应按照近密远疏的原则布置。在工法和结构断面变化的部位（比如车站与区间结合部位、车站与风道结合部位等）应设置监测点。监测频率应根据盾构施工情况、监测断面距开挖面的距离和沉降速率确定，出现异常情况时应增大监测频率。—般情况下掘进面距监测断面前后≤20m时1～2次/天，掘进面距监测断面前后≤50m时1次/2天，掘进面距监测断面前后＞50m时1次/周，数据分析确认沉降基本稳定后1次/月。

隧道结构断面各阶段的动态收敛变形监测非常重要。因一旦隧道变形过大甚至超出建筑限界或出现渗漏水，处理起来将非常困难，甚至会危及隧道结构的稳定和安全。隧道结构变形可用衬砌环的椭圆度表示（实测椭圆度=横径-竖径）。

衬砌变形收敛监测要求是：尽快靠近开挖面设置；监测点保管完善；不干扰正常施工；能快速直接读数；灵敏度高。衬砌变形收敛监测主要分两个阶段：第一阶段可监测到管片仅在自重作用下的初始椭圆度，并对其适当调整（通常情况下，管片衬砌的初始椭圆度应控制在隧道衬砌直径的0.5%范围内）；第二阶段是衬砌环在外荷作用下进一步发生变形，衬砌的变形使外荷进行重分布，外荷的分布改变又进一步限制了衬砌变形，最终，衬砌变形在变化荷载的作用下趋于稳定。

管片衬砌变形监测主要包括隆沉监测、水平位移监测及断面收敛变形监测。盾构施工的每一区间隧道应设1～2个主测断面，如采用收敛仪进行管片衬砌收敛监测则应在主测断面的拱顶、拱底和两个拱腰处共埋设4个测点，以量测横径和竖径的变化，并以椭圆度表示管片圆环的变形。管片衬砌的变形监测还可采用满足精度要求的电子全站仪、水准仪。管片衬砌的断面收敛变形监测如采用收敛计进行，则监测频率如下：衬砌环脱出盾尾后1次/天；距盾尾50m后1次/2天，100m后1次/周，基本稳定后1次/月。

土体竖向位移通过土体分层沉降量的量测进行。钻孔埋设塑料测管的深度，对位于隧道顶部的测管不应深于隧道拱顶标高，其他位置的测管则应深于隧道拱底。如采用分层沉降仪进行监测，可在钻孔后用专用送管器具将带弹簧爪的磁环沿测管外壁送到设计标高，并使弹簧钢爪嵌入周围土层内。钻孔空隙应用黏土球填实，达到磁环与土体连成一体的目的，这样磁环的位移就反映了同土层的竖向位置。如采用波纹管沉降标进行监测，则其应在地面制作，即在测管外壁套上一段长度大于30cm的塑料波纹管，管口两头与测管黏结，钻孔后与测管一起插入。钻孔空隙用黏土分层填实，使波纹管与土体紧密相连，波纹管上磁块产生相同的竖向位移。当用测斜管进行土体水平位移监测时，测斜管可采用φ73mm的聚乙烯管，内壁应有十字槽，槽口可嵌入测斜仪的两组滑轮，测斜管的材质应满足与土体共同变形的要求。土体水平位移量测时，将测斜仪沿测斜管十字槽口缓缓放入管底，然后缓缓上拉，每0.5m或1.0m读数一次。拉出管口后将测斜仪旋转180°再次放入、读数，取两次的平均值计算土体水平位移，这样就完成一个方向的测试，再把测斜仪旋转90°测另一方向的位移。土体分层沉降及水平位移的监测断面应与主测断面相对应，以监测盾构施工对地层的影响。分层沉降监测磁性沉降标的设置间距为1～2m，埋设沉降标测点时，在隧道两侧的钻孔深度应超过隧道底板2～3m，位于隧道顶部的钻孔深度应在隧道拱顶以上1～2m。

管片衬砌和地层接触应力的监测主要是监测管片在各施工环节及注浆成形后的土压力分布规律及形态，从而掌握整个施工过程中作用在管片上荷载的动态变化，了解作用在衬砌结构上的荷载大小、分布规律及随开挖面的前进，荷载的变化情况。土压力盒可在衬砌管片制作时预埋设，埋设时以细铁丝将其固定在钢筋骨架上，并使受力膜正向对准监测方向且与管片背面齐平。常用的土压力盒有钢弦式和应变片式。钢弦式土压力盒具有长期监测稳定性好的优点，适用于现场长期监测，其接收仪器为频率计，标定方法宜采用油标（标定方法与水压计相同）。管片衬砌和地层接触应力的监测频率应根据盾构施工情况、监测断面距开挖面的距离和沉降速率确定，出现异常情况时应增大监测频率。一般情况下，掘进面距监测断面前后≤20m时1～2次/天，掘进面距监测断面前后≤50m时1次/2天，掘进面距监测断面前后＞50m时1次/周，数据分析确认沉降基本稳定后1次/月。

管片内力监测主要是测试管片的内力状态（包括隧道管片纵向应力和环向应力），配合土压力测试结果分析管片的受力状态及特征。仪器设置方法为：在衬砌管片制作时，在测试管片段的环向和纵向钢筋上预埋设钢筋应力计和混凝土应变计，管段制作就位后测取初读数，掘进过程中按时测取即时读数，据以计算环向和纵向钢筋应力值以及隧道所受的弯矩和轴力。监测断面应与主测断面相对应，每一断面不少于5个测点。钢筋应力通过钢筋应力计监测，精度为±0.15%F.S；混凝土应变通过混凝土应变计监测，精度为±0.15%F.S，螺栓应力通过螺栓应力计监测，精度为±0.5MPa。监测频率应根据盾构施工情况，监测断面到开挖面的距离和沉降速率确定，出现异常时应增大监测频率。一般情况下，掘进面距监测断面前后≤20m时1～2次/天，掘进面距监测断面前后≤50m时1次/2天，掘进面距监测断面前后＞50m时1次/周，数据分析认定沉降基本稳定后1次/月。