地鐵暗挖車站鋼管柱安全監(jiān)測研究

張 偉， 孫伯娜

(1.中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300308;2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

在地鐵建設(shè)過程中，監(jiān)測工作作為保障地鐵建設(shè)安全的主要措施，形式多種多樣，主要表現(xiàn)形式有施工監(jiān)測、第三方監(jiān)測、運(yùn)營期監(jiān)測等。根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容還可分為地面沉降監(jiān)測、隧道收斂監(jiān)測、水平位移監(jiān)測、鋼支撐軸力監(jiān)測、地下水位監(jiān)測、測斜監(jiān)測等、其中，鋼支撐軸力監(jiān)測作為其中一項監(jiān)測內(nèi)容，在全國尚未形成系統(tǒng)的研究，但在一些特定工況下，尤其是在PBA工法中，采用鋼管柱作為豎向支撐時，鋼管柱支撐著暗挖車站上方的所有荷載，它的變形大小直接關(guān)系到了車站的施工安全，急需一套嚴(yán)密的監(jiān)測體系給予指導(dǎo)。目前，全國從未單獨(dú)就鋼管柱監(jiān)測完成過一項專項監(jiān)測研究，僅北京地鐵在建設(shè)過程中，通過常年的積累和摸索，創(chuàng)造性地提出了對鋼管柱進(jìn)行專項監(jiān)測，并單獨(dú)組成項目組進(jìn)行管理，該項目于2020年已開始實(shí)施。本文以北京地鐵(2號線某些車站)項目為研究對象，探討了鋼管柱安全監(jiān)測的全過程，并分析了各階段的軸力變化情況，為此后類似項目的開展提供一個參考。

1 地鐵暗挖車站的特點(diǎn)

地鐵暗挖車站作為一個封閉的空間，有以下特點(diǎn)：

(1)環(huán)境封閉，空氣潮濕，灰塵大，可視性差。暗挖法車站僅通過豎井與地面相連，施工產(chǎn)生的灰塵，得不到及時的排出，再加上地下水汽也得不到很好交換，形成了一個潮濕、陰暗的半封閉空間。

(2)監(jiān)測工作開展難，精度差。車站內(nèi)部的監(jiān)測工作需通過豎井從外部傳遞，且施工初期作業(yè)面窄、限制大，再加上內(nèi)部觀測環(huán)境的惡劣情況，導(dǎo)致監(jiān)測精度差，工作開展難。尤其是沉降監(jiān)測工作，精度無法得到保障。

2 監(jiān)測內(nèi)容

為保證車站建設(shè)期間的安全，需采取全方位的監(jiān)測措施，理論上包含了許多監(jiān)測項，如鋼管柱傾斜監(jiān)測、鋼管柱水平位移監(jiān)測、鋼管柱沉降監(jiān)測，以及本文主要闡述的鋼管柱軸力監(jiān)測、地面沉降監(jiān)測等。根據(jù)多年的工程經(jīng)驗，影響車站安全且精度能得到保證的監(jiān)測項主要為鋼管柱軸力監(jiān)測和地面沉降監(jiān)測兩項，以下將就這兩項監(jiān)測內(nèi)容展開討論。

3 監(jiān)測方法

3.1 鋼管柱軸力監(jiān)測

鋼管柱軸力監(jiān)測作為淺埋暗挖車站中最重要的一項監(jiān)測內(nèi)容，直接反映了鋼管柱軸向受力情況，是車站是否處于安全范圍最主要的體現(xiàn)。需選取具有受力和結(jié)構(gòu)變化位置的斷面，于斷面處每一根鋼管柱的圓截面四個方向分別安裝一個表面應(yīng)變計，通過計算四個方向軸力變化的平均值作為該圓截面的最終變化值。通過各期軸力變化情況，結(jié)合鋼管柱的設(shè)計最大值，建立報警機(jī)制，確保鋼管柱的安全。

3.2 地面沉降監(jiān)測

在鋼管柱監(jiān)測斷面正上方，設(shè)置一個沉降監(jiān)測斷面，通過布設(shè)在地面穩(wěn)定區(qū)域的基準(zhǔn)點(diǎn)，采用水準(zhǔn)測量的方式，將基準(zhǔn)點(diǎn)高程傳遞到各地面監(jiān)測點(diǎn)上，通過各期監(jiān)測點(diǎn)的高程值作差，計算地面沉降變化值。

4 監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)

4.1 鋼管柱表面應(yīng)變計布設(shè)

結(jié)合車站周邊環(huán)境及結(jié)構(gòu)形式，按鋼管柱受力最不利的位置和車站結(jié)構(gòu)變化等因素選取監(jiān)測斷面。鋼管柱監(jiān)測斷面的選取遵循以下原則：

(1) 沿車站縱向宜均勻布置，縱向間距約50 m；

(2) 優(yōu)先布置在側(cè)墻開洞范圍大、非車站結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段、鋼管柱兩側(cè)中板開洞處；且在車站標(biāo)準(zhǔn)段應(yīng)至少設(shè)置一斷面。

按照設(shè)計和實(shí)際需求，根據(jù)車站的層數(shù)，在每根鋼管柱上布設(shè)5～7組表面應(yīng)變計，每組監(jiān)測點(diǎn)由分布在鋼管柱圓截面4個均分方向的應(yīng)變計組成。注意要點(diǎn)：儀器布設(shè)前，要對鋼管柱表面進(jìn)行打磨光滑，防止應(yīng)變計安裝不緊密導(dǎo)致后期數(shù)據(jù)失真；應(yīng)變計安裝完成后，必須加裝保護(hù)裝置，保證建設(shè)全過程數(shù)據(jù)的連續(xù)性。安裝布設(shè)如圖1～圖3所示。

圖1 雙層三跨結(jié)構(gòu)鋼管柱鋼管應(yīng)力測點(diǎn)布置示意圖

圖2 三層三跨結(jié)構(gòu)鋼管柱鋼管應(yīng)力測點(diǎn)布置示意圖

圖3 雙層雙跨結(jié)構(gòu)鋼管柱鋼管應(yīng)力測點(diǎn)布置示意圖

4.2 地面沉降監(jiān)測

地面沉降監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)在鋼管柱監(jiān)測斷面正上方的地面上，可每隔5 m埋設(shè)1個監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)使用鋼筋挖孔的方式，直接埋入地下的土層中，不得埋在混凝土地面上，埋設(shè)深度不低于1 m，監(jiān)測點(diǎn)須低于地面，且在監(jiān)測點(diǎn)開孔位置安裝保護(hù)蓋，監(jiān)測時再打開保護(hù)蓋，如圖4所示。

圖4 地面監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)示意圖

5 工程實(shí)例

本文以北京地鐵12號線昌平線南延某些車站的監(jiān)測為例。本工程是全國首例專門針對鋼管柱進(jìn)行專項監(jiān)測研究的項目，力求研究分析鋼管柱在施工全周期內(nèi)受力的變化情況，并結(jié)合其他監(jiān)測方式進(jìn)行綜合分析，最終評估車站的安全狀態(tài)。

5.1 監(jiān)測內(nèi)容

監(jiān)測內(nèi)容主要為鋼管柱的軸力監(jiān)測和地面沉降監(jiān)測。本項目還對鋼管柱的水平位移進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)水平位移在鋼管柱和地面沉降變化時未發(fā)生變化，后續(xù)將不再對此進(jìn)行討論。

5.2 監(jiān)測頻率

頂縱梁施工期：2次/周。初期支護(hù)扣拱及二襯扣拱期：1次/天。負(fù)一層、負(fù)二層土體開挖期：1次/天。施作側(cè)墻、中板、底板時：2次/周。主體結(jié)構(gòu)完成至鋼管柱裝修開始：第一年1次/月。

5.3 鋼管柱監(jiān)測控制值與預(yù)報警機(jī)制

經(jīng)過召開專家會討論，對鋼管柱監(jiān)測成果按照黃色、橙色和紅色三級預(yù)警進(jìn)行管理和控制，三級警戒狀態(tài)判定見表1。

表1 三級警戒狀態(tài)判定表

5.4 鋼管柱軸力數(shù)據(jù)分析

本項目開展前，部分車站已經(jīng)先于監(jiān)測工作開展施工，為更好地反映車站在全過程中的安全情況，本文結(jié)合了各車站不同階段的施工進(jìn)度，較全面地描述了鋼管柱施工監(jiān)測全過程的數(shù)據(jù)變化情況。鋼管柱各階段軸力變化情況如圖5～圖7所示。以下三個數(shù)據(jù)變化曲線圖反映了從鋼管柱開始安裝至底板澆筑完成過程中，鋼管柱軸力的變化情況，從曲線圖中反映出鋼管柱軸力變化有如下幾個特點(diǎn)。第一，發(fā)生變化的節(jié)點(diǎn)分別為頂縱梁施工、初支破除，二襯扣拱、土方開挖(包含中板開挖和澆筑、側(cè)墻施工、底板開挖和澆筑等)幾個重要的施工變化節(jié)點(diǎn)。第二，軸力增加較大的階段主要為頂縱梁施工時新增荷載、初支破除時(上部荷載向鋼管柱轉(zhuǎn)移)、二襯扣拱時(新增荷載)，這三個階段的軸力變化較快，但考慮到鋼管柱的總設(shè)計軸力較大，雖然此階段鋼管柱受力快速增加，但安全狀態(tài)總體可控。第三，在土方開挖階段，隨著土方的開挖，車站土方的出運(yùn)，可能造成底部基礎(chǔ)產(chǎn)生反彈，在頂部荷載和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的情況下，可造成鋼管柱軸力的漸進(jìn)增加。第四，隨著底板澆筑的完成，后期鋼管柱軸力變化趨于穩(wěn)定，安全風(fēng)險得到有效控制。第五，同一斷面的鋼管柱，同一鋼管柱不同的監(jiān)測斷面的監(jiān)測值變化有所差異，但變化的趨勢保持一致。

圖5 某車站35軸平均軸力變化曲線圖(鋼管柱安裝-二襯扣拱完成)

圖6 某車站31軸平均軸力變化曲線圖(二襯扣拱-中板開挖完成)

圖7 某車站50軸平均軸力變化曲線圖(中板開挖-底板澆筑完成)

通過統(tǒng)計分析，所有車站鋼管柱軸力變化均在控制值范圍內(nèi)。但隨著施工的開展，部分車站也可能出現(xiàn)報警情況。

5.5 地面沉降情況

通過對不同車站各施工階段沉降變化情況的分析，地面隨著施工的開展逐漸下沉，下沉量表現(xiàn)并不一致，但下沉趨勢與鋼管柱軸力變化趨勢一致，說明兩種監(jiān)測方法的效果均有效。考慮到鋼管柱的設(shè)計軸力是車站施工安全最重要的保障，較易設(shè)置安全控制值，在進(jìn)行安全評估時將以鋼管柱的受力作為主要考慮因素，將地面沉降作為一個輔助評估因素，但當(dāng)?shù)孛娉两低蛔兓虺两递^大時，要結(jié)合鋼管柱的受力變化情況進(jìn)行綜合分析，避免發(fā)生安全事故。

6 結(jié)束語

隨著城市的發(fā)展，交通越來越擁擠，為同時保證交通順暢和地鐵建設(shè)，越來越多的車站采用暗挖法施工，本文討論研究的監(jiān)測方法也將會得到越來越多的使用。在北京地鐵項目實(shí)施過程中，也邀請了業(yè)內(nèi)諸多專家參與了研討，一致認(rèn)為項目之初計劃納入監(jiān)測范圍的鋼管柱彎矩和剪力，在實(shí)際工程中不適用，并給予了否定。