敞開式TBM通過地鐵車站中板實時監(jiān)測及反饋技術(shù)

李 輝

(中鐵隧道集團(tuán)技術(shù)中心，河南 洛陽 471009)

0 引言

隨著地鐵建設(shè)速度的加快，在許多城市應(yīng)用機(jī)械開挖(盾構(gòu)技術(shù))實現(xiàn)了地鐵建設(shè)的快速發(fā)展。重慶作為山地城市，地形、地質(zhì)具有特殊性，采用鉆爆法施工具有一定的局限性，因此重慶軌道交通6號線一期選用TBM進(jìn)行施工。根據(jù)地鐵設(shè)站要求及敞開式TBM快速、長距離掘進(jìn)的特點，決定了TBM需頻繁過站。重慶軌道交通6號線一期作為國內(nèi)首條應(yīng)用敞開式TBM建設(shè)的城市地鐵，在TBM過站方面的經(jīng)驗較少［1－2］，目前，只有一些盾構(gòu)過站和山嶺隧道 TBM 步進(jìn)方面的經(jīng)驗［3－6］。

由于敞開式TBM機(jī)頭非常重，當(dāng)敞開式TBM中板過站時，存在一定的風(fēng)險，為保證敞開式TBM安全順利地中板過站，實時監(jiān)測顯得非常重要。目前有關(guān)敞開式TBM中板過站實時監(jiān)測方面的研究很少，因此，非常有必要對TBM中板過站實時監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的研究。通過對TBM通過大龍山站中板過程中的施工監(jiān)測進(jìn)行研究，歸納和總結(jié)了這一過程中相關(guān)監(jiān)測項目的變化規(guī)律以及安全控制措施，以期為今后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

重慶軌道交通6號線一期工程大龍山車站主體全長189.7 m，寬 26.46 m，埋深 32 ～35 m，圍巖級別為IV級。本車站與規(guī)劃五號線車站形成平行換乘，為5，6號線同臺換乘站，車站為地下4層(局部5層)島式明挖車站。由于區(qū)間隧道在車站端頭為重疊隧道，根據(jù)工期安排，右線TBM到達(dá)大龍山站時，車站中板已建成，因此，采用上洞TBM(右線)步進(jìn)通過車站中板，避免了TBM的拆卸和轉(zhuǎn)場，節(jié)省了工期和費用。TBM步進(jìn)過站位置如圖1所示。

圖1 大龍山站TBM過站位置圖Fig.1 Sketch of TBM and Dalongshan Metro station

2 施工風(fēng)險

要保證重達(dá)350 t的TBM機(jī)頭安全地通過中板，這在全國乃至世界范圍內(nèi)也是首次嘗試，所以，如何保證TBM順利步進(jìn)過站和過站后減小對主體結(jié)構(gòu)后期使用的影響是本次過站的重難點。TBM中板過站時，采用了98根主支撐鋼柱(D609鋼管)、282根柱間交叉支撐(L125×8角鋼)作為TBM從車站中板步進(jìn)過站的臨時支撐，中板下支撐如圖2所示。為了保證TBM過站的安全性，在TBM過站期間對臨時鋼支撐的受力、中板撓度、中板軸線位移、中板、邊墻裂縫進(jìn)行了實時監(jiān)控，為中板結(jié)構(gòu)變形分析提供了重要信息。

圖2 TBM過站鋼支撐布置圖Fig.2 Layout of steel support

3 監(jiān)測目的及監(jiān)測項目

3.1 監(jiān)測目的

監(jiān)控量測工作是整個工程的眼睛，不但可以為整個項目的動態(tài)設(shè)計和信息化管理提供依據(jù)，確保施工作業(yè)的安全，還可為設(shè)計理論的發(fā)展積累經(jīng)驗。

1)通過施工現(xiàn)場監(jiān)測，掌握TBM過站時中板的穩(wěn)定程度;通過信息反饋及預(yù)測預(yù)報來優(yōu)化施工組織設(shè)計，指導(dǎo)現(xiàn)場，確保TBM施工作業(yè)的安全與質(zhì)量，項目的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

2)為項目的管理及時提供準(zhǔn)確的信息，以使整個項目管理達(dá)到科學(xué)、安全的目的。

3.2 監(jiān)測項目

見表1。

表1 監(jiān)測項目及設(shè)備表Table 1 Monitoring items

4 監(jiān)測結(jié)果及分析

4.1 監(jiān)測點布設(shè)

按照大龍山TBM中板過站監(jiān)控量測方案，于2011年2月13日對大龍山中板進(jìn)行鋼支撐軸力監(jiān)測點、中板撓度監(jiān)測點、中板軸線位移監(jiān)測點布設(shè)，并對中板、邊墻裂縫點進(jìn)行初始考察。

4.1.1 鋼支撐軸力

鋼支撐軸力監(jiān)測把鋼筋計布置在鋼支撐上，在鋼支撐上焊接鋼筋計。注意在焊接鋼筋計時不能使其溫度過高，以免熱傳導(dǎo)使鋼筋計零漂增加，要做降溫處理。比如在焊接的同時可用濕毛巾或流水冷卻水澆，使溫度降低，以保證鋼筋計的成活率在80%以上，且支撐軸力應(yīng)小于設(shè)計值的80%，超過時要發(fā)報警文件。應(yīng)盡可能使鋼筋計處于不受力狀態(tài)，特別不應(yīng)處于受彎狀態(tài)，將鋼筋計的導(dǎo)線逐段捆在臨近型鋼上，引到外露的測試匣中，布設(shè)好后用頻率儀中的F2進(jìn)行測試，檢查鋼筋計的電阻值和絕緣情況，還要做好引出線和測試匣的保護(hù)工作［7－8］。

共布設(shè)軸力監(jiān)測點14組，每組布設(shè)4個監(jiān)測點，前1，3，5跨鋼支撐均布置1組斷面，后面鋼支撐每隔16 m布設(shè)1組軸力監(jiān)測點。鋼支撐軸力監(jiān)測點布置如圖3所示。

圖3 鋼支撐軸力監(jiān)測點布置圖Fig.3 Layout of monitoring points for axial force of steel support

4.1.2 中板撓度

TBM過站時，中板因受荷載變化必會產(chǎn)生變形，因此需要進(jìn)行中板撓度監(jiān)測，量測儀器采用NA2水準(zhǔn)儀，量測精度為0.01 mm。上翻梁撓度監(jiān)測點布置在鋼支撐柱分隔的梁段跨中，第1，3，5跨，自第5跨開始，每隔16 m，即每間隔3跨后布置撓度監(jiān)控測量點，直至車站末端。1個斷面埋設(shè)1組監(jiān)測點［9－10］。

4.1.3 裂縫

TBM過站時必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力調(diào)整而產(chǎn)生裂縫，裂縫開展?fàn)顩r的監(jiān)測通常作為其過站和出碴過程中影響程度的重要依據(jù)之一。通常采用直接觀測的方法，將裂縫進(jìn)行編號并劃出測讀位置，觀測裂縫的發(fā)生發(fā)展過程［10－11］，必要時通過裂縫觀測儀進(jìn)行裂縫寬度測讀，主要采用的儀器為游標(biāo)卡尺，量測頻率為1～2次/d，監(jiān)測數(shù)量和位置根據(jù)現(xiàn)場情況確定。

4.2 監(jiān)測情況

當(dāng)TBM步進(jìn)到相應(yīng)監(jiān)測斷面前20 m、后40 m進(jìn)行24 h監(jiān)測，鋼支撐軸力監(jiān)測頻率為2次/h，裂縫監(jiān)測為TBM過站機(jī)頭、支撐靴通過時連續(xù)監(jiān)測，中板撓度監(jiān)測頻率為1次/h。其中，鋼支撐軸力共進(jìn)行了1 120次監(jiān)測，裂縫共進(jìn)行了640次監(jiān)測，中板撓度共進(jìn)行了360次監(jiān)測。

4.3 監(jiān)測結(jié)果分析

由于在TBM過站期間監(jiān)測數(shù)據(jù)很多，因此，在此只對具有代表斷面相應(yīng)變化的曲線進(jìn)行分析。

4.3.1 鋼支撐軸力監(jiān)測

見圖4。

圖4 鋼支撐軸力現(xiàn)場監(jiān)測圖Fig.4 Pictures of monitoring of axial force of steel support

在監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過計算，繪制出最具有代表性的 YDK24+238、YDK24+244、YDK24+252 里程斷面(即中板第1，3，5根鋼支撐所在里程)鋼支撐軸力曲線圖，如圖5所示。

從圖5可以看出，鋼支撐均受壓，且P2點應(yīng)力整體上大于P1點應(yīng)力。隨著TBM步進(jìn)，鋼支撐應(yīng)力呈現(xiàn)先增后減的趨勢，P1和P2點的變化趨勢基本一致，并與TBM步進(jìn)吻合。在TBM步進(jìn)到距離該斷面20 m時，鋼支撐應(yīng)力基本不發(fā)生變化;TBM步進(jìn)到距離該斷面10 m時，鋼支撐軸力明顯增大，說明雖然TBM還未步進(jìn)到該里程，但該里程鋼支撐已經(jīng)承擔(dān)了TBM傳遞到中板下翻梁的壓力;隨著TBM步進(jìn)，鋼支撐受力逐漸增大，當(dāng)TBM機(jī)頭完全在該里程時，鋼支撐受力最大，P2點最大值為139 kN，P1點最大值為70 kN，P3點最大值為98 kN，P4點最大值為89 kN，遠(yuǎn)小于TBM自身的重量，也說明下翻梁起到了很好的傳遞壓力作用，保護(hù)了中板后期安全。當(dāng)TBM支撐靴和后支撐通過時，鋼支撐受力明顯增大，通過后，應(yīng)力值呈明顯減小趨勢，最后趨于穩(wěn)定。

4.3.2 中板撓度監(jiān)測

在TBM進(jìn)站前對中板撓度進(jìn)行3次初始值監(jiān)測，取其平均值為初始值。當(dāng)TBM步進(jìn)到距該斷面20 m時開始監(jiān)測，監(jiān)測頻率為1次/h，直至TBM步進(jìn)到該斷面。現(xiàn)取有代表性的A1和A2點中板撓度沉降時態(tài)曲線圖進(jìn)行分析，如圖6所示。

從圖6可以看出，TBM通過中板發(fā)生了一定量的沉降，其中A1點最終累計沉降量為1.41 mm，A2點最終累計沉降量為1.28 mm，說明TBM很大一部分都施加給了上翻梁，鋼支撐起到了良好的支護(hù)作用，最終使得中板穩(wěn)定，未發(fā)生較大變形。

從圖中還可以看出，在TBM距離監(jiān)測斷面20 m左右時，其步進(jìn)對監(jiān)測斷面沉降影響較小，基本不發(fā)生變化;當(dāng)TBM步進(jìn)到距離監(jiān)測斷面10 m左右時，監(jiān)測點發(fā)生明顯沉降，但沉降值較小，在0.05 mm/h以內(nèi);當(dāng)TBM步進(jìn)到該斷面時，沉降速度達(dá)到最大，最大值在0.1 ～0.2 mm/h，并持續(xù)3 ～4 h，隨著 TBM 步進(jìn)，中板沉降速度逐漸減小，在TBM主要施壓部分通過后，中板有小幅回彈，最終趨于穩(wěn)定。從整體上看，沉降速度呈現(xiàn)先增后減、先負(fù)后正的趨勢。

4.3.3 裂縫監(jiān)測

在TBM過站前對中板、邊墻所有裂縫進(jìn)行考察，進(jìn)行初始寬度、長度監(jiān)測，并在測量點進(jìn)行標(biāo)記。在TBM通過時，對相應(yīng)里程的裂縫進(jìn)行實時監(jiān)測，尤其是中板采用裂縫寬度檢測儀進(jìn)行定點、定時連續(xù)監(jiān)測，裂縫寬度匯總?cè)绫?所示，取側(cè)墻L5和L8裂縫點寬度變化時態(tài)曲線圖進(jìn)行分析，如圖7所示。

表2 裂縫寬度匯總表Table 2 Crack widths of intermediate ceiling

從表2可以看出，各裂縫寬度變化值基本小于0.20 mm，裂縫寬度較小，說明TBM中板過站時，中板基本穩(wěn)定。

從圖7可以看出，裂縫寬度變化較小，其中L5裂縫寬度變化最大值為0.17 mm，L8裂縫寬度變化最大值為0.14 mm，裂縫寬度變化最大值分別為0.04 mm/h和0.05 mm/h，中板基本穩(wěn)定。

從整體變化趨勢可以看出，在TBM未到達(dá)該里程時，裂縫基本不發(fā)生變化;在TBM機(jī)頭到達(dá)該里程時，裂縫寬度發(fā)生明顯變化，變化速度較快，隨后繼續(xù)發(fā)生一定量的變化;支撐靴到達(dá)該處后，變化量達(dá)到最大，TBM支撐靴通過該斷面后裂縫發(fā)生明顯的收縮現(xiàn)象。說明TBM機(jī)頭對中板的主要作用為垂直方向的壓力，支撐靴對中板的作用為側(cè)向施壓，導(dǎo)致裂縫發(fā)展明顯。

5 結(jié)論與討論

重慶軌道交通6號線一期大龍山車站TBM順利通過，標(biāo)志著我國地下工程在大荷載作用下結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性得到突破，通過本工程TBM中板過站實時監(jiān)測研究，可以得出以下結(jié)論。

1)監(jiān)控量測工作是整個工程的眼睛，不但可以為工程的動態(tài)設(shè)計和信息化施工管理提供依據(jù)，確保施工作業(yè)的安全，還可以為設(shè)計理論的發(fā)展提供積累經(jīng)驗。

2)從鋼支撐軸力監(jiān)測、裂縫監(jiān)測、中板撓度監(jiān)測結(jié)果來看，各監(jiān)測項目的變化值均在設(shè)計要求范圍內(nèi)，鋼支撐對中板起到了良好的支撐作用，TBM順利通過大龍山車站，車站中板撓度沉降和應(yīng)力值在設(shè)計限值以內(nèi)，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3)TBM機(jī)頭對中板的主要作用為垂直方向的壓力，支撐靴對中板主要作用為側(cè)向壓力。

4)TBM中板過站期間應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測措施，制定應(yīng)急加強(qiáng)處理方案。TBM通過后，應(yīng)重新進(jìn)行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果，合理采取補(bǔ)強(qiáng)中板的措施。

5)實時掌握TBM中板過站對既有結(jié)構(gòu)的影響程度，全面評價TBM中板過站的安全性，確定更全面的安全評價體系將是下一步研究的重點。

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