淺談軟土地區(qū)地鐵盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)控制技術(shù)

宋家承 蘇厚慶

摘要：施工監(jiān)測(cè)是地鐵施工中必不可少的一項(xiàng)工作內(nèi)容，尤其是在不良地質(zhì)條件下的地鐵隧道施工中，通過(guò)監(jiān)測(cè)手段能夠掌握實(shí)時(shí)施工信息，優(yōu)化施工方案，確保工程施工質(zhì)量及安全?；诖耍恼陆Y(jié)合工程實(shí)例，重點(diǎn)探討了軟土地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工監(jiān)控量測(cè)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：軟土地層；地鐵盾構(gòu)；監(jiān)控量測(cè)

0 引言

隨著城市發(fā)展，城市中的高層建筑日趨增多，密集度越來(lái)越大，能夠被利用的城市地面空間已經(jīng)越來(lái)越少，城市地下空間的開發(fā)利用迫在眉睫，為緩解日益擁擠的交通，充分利用城市地下空間，城市地下軌道交通工程方興未艾。盾構(gòu)法隧道施工是地鐵隧道施工常見施工方法，監(jiān)控量測(cè)作為盾構(gòu)施工的眼睛，是施工成敗的關(guān)鍵。

1 研究背景

某城區(qū)地鐵隧道采取盾構(gòu)法施工，在施工前期勘察中，發(fā)現(xiàn)施工場(chǎng)地上方有天然氣管道一條，盾構(gòu)隧道和管道相交的位置位于A站以西238m的位置，管道位于區(qū)間隧道上行線第210，211環(huán)，下行線第206，207環(huán)上方。因盾構(gòu)下穿段管道埋深無(wú)相關(guān)資料記載，施工之前采用管線儀對(duì)其位置進(jìn)行大致測(cè)定，之后采用鉆探勘測(cè)得其深度，為確保天然氣管道安全，鉆探使用鉆頭為塑料鉆頭。鑒于該區(qū)間軟土地質(zhì)特征，在盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，易發(fā)生區(qū)域性地面沉降；盾構(gòu)在軟土地層中穿越天然氣管道，地面沉降不易控制，直接導(dǎo)致管道變形不易控制，極易造成管道破裂等事故。該區(qū)間隧道埋深為12m，管道的埋深為1.0m。

2盾構(gòu)施工原理及監(jiān)控量測(cè)必要性

盾構(gòu)法工作原理是：盾構(gòu)機(jī)刀片在前面切削巖體時(shí)，盾構(gòu)外殼在隧道開挖前端進(jìn)行預(yù)先支護(hù)，形成外部支撐；盾構(gòu)機(jī)在盾構(gòu)外殼的支護(hù)下繼續(xù)向前開挖巖體和拼裝隧道管片襯砌；盾構(gòu)外殼由內(nèi)部結(jié)構(gòu)支承，而盾尾部分則無(wú)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行支承，故盾尾需及時(shí)拼裝隧道管片襯砌；盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)或調(diào)整方向是通過(guò)頂在己經(jīng)拼裝完成的隧道管片襯砌上的液壓千斤頂操作的。在地質(zhì)環(huán)境較惡劣時(shí)，通常還需要利用其它相應(yīng)措施對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)前方工作面進(jìn)行土體改良。

盾構(gòu)隧道施工監(jiān)控量測(cè)是盾構(gòu)施工過(guò)程的一部分，是指導(dǎo)施工、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的唯一途徑。隧道設(shè)計(jì)和施工過(guò)程是處理好土力學(xué)、巖體力學(xué)等各種力學(xué)問(wèn)題的過(guò)程，施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)直接記錄和反映著各種力學(xué)作用現(xiàn)象，為施工提供第一手資料。一方面通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行分析、處理直接指導(dǎo)隧道施工；另一方面根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，做到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，隨時(shí)對(duì)不合理的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，提高施工質(zhì)量，不斷提升隧道工程建設(shè)的水平，不斷優(yōu)化盾構(gòu)隧道施工技術(shù)。

3地鐵盾構(gòu)監(jiān)控量測(cè)施工措施

盾構(gòu)監(jiān)控量測(cè)是盾構(gòu)施工成敗的關(guān)鍵，監(jiān)測(cè)內(nèi)容及方法在不同施工條件下有所不同。

（一）一般條件下的沉降及水平位移監(jiān)測(cè)

一般條件下的地鐵盾構(gòu)監(jiān)測(cè)施工，應(yīng)根據(jù)地鐵施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件，按照一定的施工等級(jí)分別對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)、施工基點(diǎn)及沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行控制。當(dāng)基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩者之間形成閉合或者是與水準(zhǔn)路線附合后，應(yīng)取兩次監(jiān)測(cè)數(shù)值的平均值，并將該平均值當(dāng)作初始高程值，與此同時(shí)，在對(duì)水準(zhǔn)線路進(jìn)行觀測(cè)時(shí)應(yīng)與基準(zhǔn)點(diǎn)或者是施工基點(diǎn)保持同步，監(jiān)測(cè)得出的各項(xiàng)數(shù)值結(jié)果的偏差應(yīng)控制在相關(guān)要求范圍內(nèi)。另外，對(duì)于地鐵普通部位的水平位移監(jiān)測(cè)，應(yīng)采取小角度觀測(cè)法對(duì)地鐵盾構(gòu)普通部位的各個(gè)基點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)達(dá)到相關(guān)施工要求合格后，應(yīng)利用高精度電子全站儀對(duì)已經(jīng)監(jiān)測(cè)過(guò)的各基點(diǎn)之間的小角度及距離進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，并精確計(jì)算各基點(diǎn)與實(shí)際基準(zhǔn)線之間存在的偏差，計(jì)算得到的偏差就是地鐵盾構(gòu)垂直線路方向的位移量。

（二）地鐵盾構(gòu)關(guān)鍵部位沉降監(jiān)測(cè)

地鐵盾構(gòu)關(guān)鍵部位沉降監(jiān)測(cè)一般采用電水平尺法，電水平尺具有較全面的功能及良好的效果。電水平尺在安裝時(shí)緊貼被測(cè)對(duì)象的，不會(huì)對(duì)行車帶來(lái)影響，同時(shí)能自動(dòng)讀取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，適合于行車封閉路段時(shí)進(jìn)行全方位連續(xù)的沉降監(jiān)測(cè)。電水平尺具有較高的精度，利用該工具對(duì)地鐵盾構(gòu)關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠捕捉小到1”的傾角變化，使用電水平測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)具有較高可靠性。在地鐵盾構(gòu)關(guān)鍵部位沉降監(jiān)測(cè)過(guò)程中將多個(gè)電水平尺首尾相連進(jìn)行測(cè)量，能夠準(zhǔn)確計(jì)算出地鐵盾構(gòu)的絕對(duì)位移，并且根據(jù)這些測(cè)量數(shù)據(jù)可推斷出地鐵盾構(gòu)的沉降斷面。此外，在盾構(gòu)監(jiān)測(cè)中運(yùn)用電水平尺與數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行相互配合，能夠?qū)崿F(xiàn)盾構(gòu)實(shí)際狀況的連續(xù)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握盾構(gòu)施工中的沉降變化，如果遇過(guò)大或者影響盾構(gòu)施工安全的沉降量，即啟動(dòng)自動(dòng)報(bào)警功能。綜上，電水平尺在盾構(gòu)各個(gè)部位沉降測(cè)量中的應(yīng)用給盾構(gòu)施工提供了安全保障。

4監(jiān)測(cè)控制具體研究方法

（一）監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)，沿線路方向每5環(huán)布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，橫斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置3排，第一排位于200環(huán)，斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)7個(gè)，第二排位于205環(huán)，斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)3個(gè)，第三排位于210環(huán)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3個(gè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距2.4 m，在194環(huán)、202環(huán)分別埋設(shè)深層沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，埋設(shè)深度8m。

（二）深層分層監(jiān)測(cè)技術(shù)

盾構(gòu)機(jī)通過(guò)天然氣管道后，對(duì)200環(huán)、205環(huán)、210環(huán)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析。掘進(jìn)過(guò)程中地面下沉，通過(guò)后變化速率趨于0，并略有回升，最后保持穩(wěn)定，地面最大變化量下沉5 mm。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)推力800t左右、土壓0.12、出土量38方、注漿量都是3 m3，在埋深12 m的地層中此為合理掘進(jìn)參數(shù)，地面沉降能控制在規(guī)定范圍之內(nèi)。第200環(huán)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，盾構(gòu)機(jī)通過(guò)斷面過(guò)程中，地面隆起單次變化在1mm內(nèi)，下沉在3mm內(nèi)，沉降變化速率小。第205環(huán)斷面監(jiān)測(cè)據(jù)顯示，盾構(gòu)機(jī)通過(guò)斷面過(guò)程中，地面降起單次變化在2mm內(nèi)，下沉在4mm內(nèi)，沉降變化較小。第215環(huán)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，盾構(gòu)機(jī)通過(guò)斷面過(guò)程中，地面隆起單次變化在2mm內(nèi)，下沉在5mm內(nèi)，沉降比較穩(wěn)定。在200環(huán)、205環(huán)、210環(huán)的累計(jì)沉降變量中，隆起最大值為4 mm，下沉最大值為5 mm，控制地面沉降在規(guī)定范圍之內(nèi)。盾構(gòu)機(jī)刀盤到達(dá)194環(huán)深層沉降管處，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，30號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)隆起6 mm，通過(guò)后下沉6 mm，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化小，變化在2 mm左右，盾構(gòu)機(jī)下穿時(shí)，對(duì)隧道上部2 m左右地層的擾動(dòng)變化在6mm左右。盾構(gòu)機(jī)刀盤到達(dá)深層沉降管處，上部2.3 m處上升4 mm，下部上升4mm，穿過(guò)管道后，上部變化在3 mm左右，下部變化2mm左右。

上述數(shù)據(jù)顯示，盾構(gòu)機(jī)在穿越管道過(guò)程中，地下7 m處，沉降變化小。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，刀盤對(duì)上部?jī)擅鬃笥也糠滞馏w擾動(dòng)較小，變化值最大為5 mm左右。盾構(gòu)通過(guò)后注漿對(duì)土體的擾動(dòng)很小，變化在2 mm左右。在盾構(gòu)機(jī)下穿天然氣管道的過(guò)程中，即196-203環(huán)推進(jìn)過(guò)程中，對(duì)每一環(huán)進(jìn)行了4次取樣，經(jīng)過(guò)檢測(cè)，取土樣品不含油脂，土質(zhì)無(wú)污染。天然氣管道沒(méi)有發(fā)生滲漏等現(xiàn)象。通過(guò)深層分層監(jiān)測(cè)，最終保證了盾構(gòu)順利穿越天然氣管道。

5 小結(jié)

盾構(gòu)法是當(dāng)前城市地鐵隧道施工中的常用方法，本工程運(yùn)用深層監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)軟土地層中的盾構(gòu)地鐵隧道施工進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，將施工現(xiàn)場(chǎng)地下管線的地層實(shí)際變形情況實(shí)時(shí)反饋至操作面，直接用于調(diào)整施工參數(shù)和判定管線的安全情況。最終保證了工程的順利實(shí)施，并確保了管線的安全性，為以后類似工程提供參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙紀(jì)平.盾構(gòu)法隧道施工的監(jiān)測(cè)[J].建筑與工程，2008（11）

[2]鄭淑芬.盾構(gòu)隧道施工地表沉降規(guī)律及控制措施研究[J].湖南：中南大學(xué)，2010

[3]馮超.地鐵隧道盾構(gòu)施工引起的地表變形規(guī)律研究[D].陜西：西安科技大學(xué)，2011