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1、第12章 地铁盾构隧道施工监测,主要内容,概述施工监测内容与方法地铁盾构隧道监测方案设计监测数据整理与分析工程实例,12.1 概述,概述,盾构掘进机是集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能的工程机械。盾构法隧道的基本原理是利用一件有形的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体而向前推进。这个钢质组件在初步或最终隧道衬砌建成前，主要起防护开挖出的土体、保证作业人员和机械设备安全的作用，同时还承受来自地层的压力、防止地下水或流沙的入侵。隧道拱内圈的空洞由盾构本体防护，同时还需要其他辅助措施对工作面进行支护。,图12-1 盾构掘进机示意图,支护土体方法
2、和相匹配的盾构类型示意图,图12-3 各种盾构掘进机的支护面板,图12-4 土压平衡盾构工法和盾构结构示意图,图12-5 土压平衡盾钩掘进机,图12-6 泥水加压平衡盾构掘进机,图12-7 泥水加压平衡盾构掘进机工法示意图,监测的主要作用,（1）监测和判断各种施工因素对地表变形的影响，提供改进施工的方法和减少地面沉降的重要依据；（2）根据前一段的观测结果，预测下一段的地表沉降和对周围建筑物及其它设施的影响；（3）检验施工方法是否达到控制地面沉降和隧道沉降的要求；（4）研究土壤特性、地下水条件、施工方法与地表沉降的关系，作为将来设计的参考依据；（5）通过施工监测可取得减少沉降、减少保护工程费的效
3、果；（6）保证工程安全，减少总造价。,施工监测管理,（1）工程施工前，根据现场的实际情况(尤其危房建筑)及工程的施工进度，编制详细的监测实施作业计划及其相应的保证措施，作为施工生产计划中的一项重要内容，同时报请监理工程师和业主批准。（2）成立专门的监测小组，保证监测人员有确定的时间、空间和相应的监测工具，确保监测成果及时准确。（3）施工监测紧密结合施工步骤，测出每一施工步骤时的变形影响，同时计算出各测点的累计变形。（4）监测人员及时整理分析监测数据，绘制各种变形和时间的关系曲线，预测变形发展趋向，及时向总工程师、监理和业主汇报，若发现异常情况，随时与监理、业主联系，采取有效措施，做好预防。（5
4、）根据监测结果及时调整施工步骤及采取相应的技术措施，确保施工及周围环境的安全。,12.2 施工监测内容与方法,监测依据,（1）正常施工情况下的具体监测要求，如不同的施工工艺对各项变形的限差等；（2）施工区域土壤及地下水情况；（3）隧道施工影响范围内现有房屋建筑、各种构筑物的形状、尺寸、与隧道轴线的相对位置；（4）隧道填埋的深度；（5）双线隧道的间距或施工隧道与近旁大型、重要公用管道的间距；（6）隧道设计的安全储备系数。,监测内容,土体介质的监测。包括：地表的沉降监测、土体分层沉降和深层位移监测、土体回弹测量、土体应力和孔隙水压力测量。周围环境的监测。包括：相邻房屋和重要结构物的变形监测、相邻地
5、下管线的变形监测。隧道变形的监测。包括：隧道沉降和水平位移监测、隧道断面收敛位移监测、隧道应变和预制管片凹凸接缝处法向应力测量。,地表沉降监测,地表沉降监测是采取精密水准测量的方法测量地铁盾构隧道上方地表的标高。在沉降测量区域埋设地表桩，地表桩一般沿盾构隧道的轴线每隔35m设置一个，同时，适当布置几排横向地表桩，便于测量盾构施工引起的横向沉降槽的变化。在远离沉降区域，并沿地铁隧道方向布设监测基准点，并进行基准点联测。按照监测方案规定的观测频率，用精密水准仪进行测量，并计算每次观测的地表桩高程。如果地铁盾构隧道上方是道路，在进行道路沉降观测时，必须将地表桩埋入地面下的土层里，才能比较真实地测量出
6、道路的沉降。如果地铁盾构隧道上方有地下管线，在监测时，对重点保护的管线，应将测点设在管线上，并砌筑保护井盖，一般的管线可在其周围设置地表桩进行监测。,土体沉降和深层位移监测,监测盾构施工引起的土体分层沉降和深层位移量可了解土层被扰动的范围和影响程度。土体分层沉降是指土层内离地表不同深度处的沉降或隆起，通常用磁性分层沉降仪量测。土体深层位移是指土层不同深度的水平位移，通常采用测斜仪进行测量。土体沉降和深层位移监测都是在隧道两边或底部钻孔预埋测管，两者可共用一个测管。,图12-8 双孔隧道上方的地表沉降槽和分层沉降的实测曲线,土体回弹测量,在地铁盾构隧道掘进中，由于卸除了隧道内的土层，因而引起隧道
7、内外影响范围内的土体回弹。土体回弹测量就是测量地铁盾构隧道掘进后相对于地铁盾构隧道掘进前的隧道底部和两侧土体的回弹量。一般是在盾构前方埋设回弹桩，观测施工过程中底部土体的回弹量，其具体的测量方法可以采用精密几何水准测量的方法进行。埋设回弹桩时，要利用回弹变形的近似对称性，应埋入隧道底面以下2030cm，根据土层土质的情况，可采用钻孔法或探井法。,土体应力和孔隙水压力测量,对土体应力和孔隙水压力测量，能了解盾构的施工性能，了解盾构的施工对土层的扰动程度以及预测固结沉降量，可及时调整施工参数，减少对土层的扰动。土体应力和孔隙水压力测量主要是采用钻孔埋设法埋设土应力盒和空隙水压力探头等传感器。利用这
8、些传感器获取土体的温度和水压力，通过事后计算得到需要的观测数据。这些测点主要埋设在隧道外围。,相邻房屋和重要结构物的变形监测,地铁盾构隧道掘进中，对盾构直接穿越和影响范围内的房屋、桥梁等构筑物必须进行保护监测。建筑物的变形观测可以分为沉降观测、倾斜观测和裂缝观测三部分内容。沉降观测的观测点设在基础上或墙体上，另外在构筑物外的表面上和构筑物底板上有时也需设一些观测点，用精密水准仪进行测量。构筑物倾斜监测可采用经纬仪测量方法，也可在墙体上设置倾斜仪，连续监测墙体的倾斜。构筑物的裂缝可用裂缝观测仪测得。,图12-9 裂缝观测仪,图12-10 薄铁片标志法观测裂缝示意图,相邻地下管线的变形监测,相邻地
9、下管线的监测内容主要为管线垂直沉降，其测点布置和监测频率应在对管线状况进行充分调查，与管线单位充分协商后确定。调查内容包括以下几个方面：管线埋置深度和埋设年代；管线所在道路的地面人流与交通状况；隧道施工过程中地下管线的预计沉降。,布点方式,目前，管线垂直沉降布点方法主要采用间接测点和直接测点两种形式。间接测点又称监护测点，常设在管线轴线相对应的地面或管线的窨井盖上，由于测点与管线本身存在介质，因而测试精度较差，但可避免破土开挖，可以在人员与交通密集区域，或设防标准较低的场合采用。直接测点是通过埋设一些装置直接测读管线的沉降，常用方案有抱箍式、套筒式。,图12-11 抱箍式布点法示意图,图12-
10、12 套筒式布点法示意图,隧道沉降和水平位移监测,传统的隧道沉降和水平位移监测方法是在隧道的顶部或腰线处设立观测点，然后用常规的水准测量方法进行沉降量的测量，同时，以隧道轴线和其轴线的垂直方向建立坐标系，用导线测量的方法测量所有观测点的坐标，以此来推算隧道水平位移量。目前，为了能够连续准确地监测到隧道的沉降及水平位移变形情况，可采用具有先进功能和高精度的自动跟踪全站仪进行观测。,隧道断面收敛位移监测,常规收敛位移监测采用收敛计进行测量，但最大的问题是重复精度不高，而且因操作人而异；其次是工作量大，效率低。目前，用断面自动扫描的方法进行隧道断面收敛变形监测。这种方法是利用免棱镜自动跟踪全站仪和专
11、业的断面测量系统软件组成的仪器系统来实现断面自动扫描，以此进行隧道断面收敛变形监测。,应力测量,应变和应力测量是在隧道的结构物上，焊接应变计和应力计等一些传感器，根据传感器测量的结果计算结构构件的轴力和弯矩，判断结构物的安全性能。,12.3 地铁盾构隧道监测方案设计,方案设计的原则,在熟悉隧道施工方案，了解施工区域内土壤及地下水和隧道施工影响范围内现有结构物情况的基础上，根据工程的特殊要求，设计出确保工程安全的、经济有效的、便于监测工作的实施和工程项目施工的监测方案。,方案设计前的准备工作,（1）收集各种资料 主要包括：隧道施工方案，施工区域内地质分析报告，施工影响范围内结构物的设计图纸和竣工
12、资料，施工区域内的管线图，施工区域内的交通情况等。（2）实地进行踏勘 实地进行踏勘主要是进行施工影响范围内结构物和管线的调查。调查管线的位置、种类、大小；结构物形状以及其是否有裂缝等情况。调查的主要目的是便于观测点的布置和施工对其影响的评价。,方案设计的内容,工程项目概况。主要介绍工程项目的基本情况和施工区域内的地质情况。监测的目的和意义。详细阐述监测对安全施工、保障人民财产的重要性以及进行各项科学研究的重要意义。施工过程中对各种设施的影响评价。分析隧道项目施工对周边结构物、管线的影响程度，分析盾构推进引起的地表位移特征，并估算地表沉降量，分析隧道本身的变形特征。监测的具体内容。根据具体工程项
13、目和地质的具体情况，确定监测的具体项目内容，同时，可以包含对于一些具体施工工艺和参数的测定。,监测点的布置。根据收集的资料和踏勘的实际情况，具体确定监测点的数量和位置，绘制监测点位分布图。监测方法。针对每一项监测内容，提出采用何种监测方法以及如何实施监测工作，使用何种监测仪器，并详细阐述使用方法的实施效果。监测频率和报警值的确定。根据规范，结合实际情况确定每一监测项目的监测频率和报警值。监测的组织结构和质量保证体系。为保障监测工作的顺利实施和监测结果的准确性，要制订科学的质量保证体系。,12.4 监测数据整理与分析,监测数据整理,监测数据整理的主要工作是对现场观测所取得的资料加以整理、编制成图
14、表和说明，使它成为便于使用的成果。其具体内容如下：校核各项原始记录，检查各次变形观测值的计算是否有误；变形值计算；绘制各种变形过程线，建筑物变形分布图。,监测数据分析,监测数据分析是分析归纳地表、管线及周边建筑物的变形过程、变形规律和变形幅度。分析变形的原因，变形值与引起变形因素之间的关系，并找出它们之间的函数关系，进而判断地表、管线及周边建筑物的情况是否正常。（1）成因分析（定性分析）。成因分析是对结构本身（内因）与作用在结构物上的荷载（外因）以及观测本身，加以分析、考虑、确定变形值变化的原因和规律性。（2）统计分析。根据成因分析，对实测数据进行统计分析，从中寻找规律，并导出变形值与引起变形
15、的有关因素之间的函数关系。（3）变形预报和安全判断。在成因分析和统计分析的基础上，可根据求得的变形值与引起变形因素之间的函数关系，预报未来变形值的范围和判断建筑物的安全程度。,12.5 工程实例,工程概况,南京地铁一号线盾构15标沿途穿越金川河、玄武湖隧道、龙蟠路隧道、廖家巷密集建筑群、南京古城墙等及众多地面建筑和地下管线；该区间隧道上覆地层为冲积层、残积层和风化岩层因此工程施工难度很大；为了保证盾构机推进时的安全，防止周围已建构筑物的安全，必须对其进行监测和分析。,现场监测内容,地表沉降和地下管线安全观测。地面房屋沉降和倾斜观测。水位测试。土体水平位移监测。隧道沉降、净空水平收敛监测。玄武湖
16、公路隧道相关监测及其他盾构机掘进参数的采集。,测点布置,地表沉降点在区间隧道两端各50m范围内及规划玄武湖隧道、金川河地段沿隧道轴线按10m间距布设，其余地段按20m间距布设。地表横向沉陷槽测点按5080m间距布设一组。沿区间隧道施工影响范围内的主要地下管道上方地表每隔30m左右布设一个测点。在区间隧道两侧距隧道边线约15m，特别是对隧道两侧10m范围内地面构筑物进行监测，测点主要布设在构筑物四角及其周围基础上。在两个测试断面上共布设3个水位孔，5个土体水平位移孔。,图12-16 地表沉降槽监测点布置图,图12-17 水位测试和土体水平位移测孔,图12-18 隧道位移监测点布设示意图,信息反馈基本判断准则,（1）监控量测的控制标准：地表下沉量不允许 30mm；地表沉降槽曲线最大坡度1/300；初期支护结构相对水平收敛值1530mm；初期支护结构趋于基本稳定。（2）施工中出现下列情况之一时，应立即停工进行处理：初期支护结构喷射砼出现裂缝，且不断发展；开挖一个月后洞内水平位移不能收敛，实测位移达到危险状态的70%；位移时间曲线出现反弯突变的急剧增长现象。,图12-19 许-南区间右线隧道轴线地表沉降曲线图,图12-20 许-南区间隧道轴线地表沉降曲线图,
