TBM過站監控量測方案

王海龍

(中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 401121)

0 引言

地鐵工程為不可逆工程，對結構穩定性要求極高，尤其是在大荷載作用下，應及時掌握結構變形的動態信息。通過對TBM過大龍山車站、冉家壩車站及小凈距區間隧道的監控量測工作和量測信息的動態管理，確保了TBM過站在大荷載作用下結構的安全穩定性。

1 工程概況

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。本車站與規劃5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，為鋼筋混凝土箱型結構，中板板厚70 cm，主支撐鋼柱(D609鋼管)98根，總質量為170.2 t，柱間交叉支撐(L125×8角鋼)282根總質量為13 t，底板和中板預埋鋼板和錨栓等預埋件1 176個。車站設5個出入口(其中1個預留出入口)和2組風亭。另外還設有2個消防疏散通道出口。大龍山站小里程端區間隧道6號線右線長509.961 m，左線長513.93 m，左右線為上下重疊小凈距隧道，線路水平間距0～9.43 m，右線在上左線在下，右線埋深較小;大龍山站大里程端區間隧道右線長155.339 m，左線長155.717 m，均為上下重疊小凈距隧道，線路水平間距0～8.065 m，右線在上左線在下，右線埋深較小;大龍山站5號線區間隧道兩端長度均為10 m，上下重疊式小間距隧道，線路水平間距0～0.003 m，車站平面位置見圖1。

冉家壩車站地處渝北區，跨規劃路成南北向布置，與5號線車站形成南北向平行換乘，與規劃路東西走向的環線相交，環線軌面埋深41.04 m，圍巖級別為IV級，6號線與5號線在上，環線在下，本站為6號線的交通樞紐站，站址北側為規劃廣場，已建地下3層停車庫和商業開發，地上規劃數棟超高層商業建筑，南側為景觀大道，東側為海關辦公樓、西側為在建揚子江商務中心。車站主體長227.4 m、寬29.36 m，為地下6層島式車站，中板板厚70 cm，主支撐鋼柱(D609鋼管)118根總質量208.3 t，柱間交叉支撐(L125×8角鋼)339根總質量17.3 t，底板和中板預埋鋼板和錨栓等預埋件1 368個。5，6號線底板埋深約36.5 m，環線底板埋深約45.5 m。共設置了10個出入口、3個物業出入口、3個消防疏散出入口和3組風亭。本站為地下5層局部6層島式明挖車站。冉家壩站6號線小里程端區間隧道左線長128.473 m，右線長128.15 m，左右線為上下重疊小凈距隧道，線路水平間距0～7.339 m，右線在上左線在下，右線埋深較小;東和里程端區間隧道長98 m，為上下重疊式明挖隧道，線路間距0～3.113 m;冉家壩站5號線小里程端區間隧道長均為10 m，東和里程端區間隧道線長均為103 m，其中98 m為明挖，線間距0～2.464 m。車站平面位置見圖2。

圖1 大龍山車站平面位置圖Fig.1 Plan layout of the Dalongshan station

圖2 冉家壩車站平面位置圖Fig.2 Plan layout of the Ranjiaba station

2 監測目的及監測項目

2.1 監測目的

監控量測工作是整個項目工程的眼睛，不但可以為整個項目的動態設計和信息化管理提供依據，確保施工作業的安全，還為設計理論的發展積累經驗。

1)掌握TBM暗挖隧道對已完成區間隧道的支護結構影響，為日常管理提供信息，保證作業安全。

2)通過施工現場監測，掌握TBM過站時中板的穩定程度，通過信息反饋及預測預報，優化施工組織設計，指導現場。確保TBM施工作業的安全與質量，確保項目的社會、經濟和環境效益。

3)保證TBM過站時影響范圍內的建筑物正常使用，為合理確定保護措施提供依據。

4)為項目的管理及時提供準確的信息，以便整個項目管理達到科學、安全的目的。

2.2 監測項目及設備

見表1。

表1 監測項目及設備表Table 1 Monitoring items and equipments

2.3 監測注意事項

本工程投入的所有監測儀器和設備必須經過國家計量鑒定部門的合法鑒定，合格后方可投入使用。選擇合理的監測手段是進行監測工作的首要任務，是監測項目順利完成的前提，在選擇監測項目手段時應注意以下幾個問題:

1)所采用的測試手段必須是可靠的、已經被工程實踐證明是正確的。因為監測成果將直接被用來指導施工，是展開后續工作、調整施工工藝參數和施工作業方案的依據。

2)監測手段必須簡單易行，能適應現場快速變化的施工狀況。

3)所采用的測試手段不能影響結構的正常受力或有損結構的變形剛度和強度特征。

3 監測技術

3.1 鋼支撐應力監測

對于初支鋼架，鋼筋計布置在型鋼上，在型鋼上焊接鋼筋計，在焊接鋼筋計時，注意不能使其溫度過高，以免熱傳導致使鋼筋計零漂增加，所以要做降溫處理。比如在焊接的同時用濕毛巾或流水冷卻，使其溫度降低，以保證鋼筋計的成活率在80%以上且支撐軸力小于設計值的80%，超過時要發報警文件。注意盡可能使鋼筋計處于不受力狀態，避免處于受彎狀態，將鋼筋計的導線逐段捆在鄰近型鋼上，引到外露的測試匣中，布設好后用頻率儀進行測試，看是否完好，并檢查鋼筋計的電阻值和絕緣情況，同時做好引出線和測試匣的保護措施。

數據采集:

1)在施加鋼筋測力計預應力前，把鋼筋測力計的電纜引至方便正常測量的位置，在混凝土澆筑前進行鋼筋測力計初始頻率的測量，并記錄在案。

2)施加在鋼筋測力計上的預應力達到設計標準后即可開始正常測量。

3)測試值應考慮溫度變化的影響，要用溫度計測量氣溫，進行溫度補償。

4)監測頻率及數據處理:在埋設初期進行首次初測，TBM過站時對鋼支撐進行實時監測，量測所得鋼筋軸力的數值及時繪成軸力－應力變化曲線。

5)出渣過程中進行跟蹤監測直到穩定后(1～2)次/1 d、10 d后1次/3 d、1個月后1次/周;量測所得鋼筋軸力的數值繪成軸力－應力變化曲線。

鋼支撐應力監測點布置見圖3。

圖3 鋼支撐應力監測點布置圖Fig.3 Layout of stress monitoring points of steel support

3.2 裂縫監測

TBM過站時必然導致結構構件的應力調整而產生裂縫，裂縫開展狀況的監測通常作為其過站和出渣過程中影響程度的重要依據之一。通常采用直接觀測的方法，將裂縫進行編號并劃出測讀位置，觀測裂縫的發生發展過程，必要時通過裂縫觀測儀進行裂縫寬度測讀。主要采用的儀器為游標卡尺，量測頻率1～2次/d，監測數量和位置依據現場情況確定。

3.3 中板撓度監測

TBM過站時對中板產生一定變形，因此需要進行中板撓度監測，量測儀器采用SWJ－IV型收斂計，量測精度為0.01 mm。

在中板上每隔16 m一個斷面埋設1組監測點直到車站的末端，每組監測點有3個監測值，測點布置如圖4所示。

圖4 中板撓度監測點布置圖Fig.4 Layout of deflection monitoring points of false ceiling

在TBM過站時，測量中板頂部和底部3個測點的距離，即可繪出中板原始撓度;過站后，再進行相同的監測，與原始值進行對比。必須指出，前后2次觀測時的量測方法相同，即收斂計懸掛方向相同，鋼帶尺張緊力調整過程相同，這樣可以消除儀器懸掛、調整張力等系統讀數，以提高量測精度。

3.4 區間隧道水平收斂及拱頂下沉

對暗挖隧道周邊水平收斂和拱頂下沉進行量測，量測儀器采用 SWJ－IV型收斂計，量測精度為0.01 mm。

3.4.1 水平收斂量測

收斂值是指已知兩測點間在某一時間段內距離的改變量。令t1時刻觀察值為R1，t2時刻觀測值為R2，則收斂值μu=R1–R2，此值除以時間差(μt=t2–t1)，即為收斂速度。必須指出，前后2次觀測時的量測方法相同，即收斂計懸掛方向相同，鋼帶尺張緊力調整過程相同，這樣可以消除儀器懸掛、調整張力等系統讀數，以提高量測精度。

3.4.2 拱頂下沉量測

見圖5－6。

拱頂下沉量的大小，根據測線A，B，C的實測值并利用三角形面積公式換算求得，即拱頂下沉量Δh=h1－h2，如圖7所示。

式中:a，b，c為前次量測A線、B線、C線所得的實測值;a'，b'，c'為后次量測A線、B線、C線所得的實測值。

3.4.3 監測頻率及監測斷面埋設統計

每個測點測取讀數的頻率均符合規范要求，當量測斷面工作狀態發生改變時，如埋設的測點在量測期間遭到破壞，恢復以后按新埋測點要求采集讀數，如表2—表3所示。

表2 量測頻率表Table 2 Monitoring frequency

表3 監測斷面埋設組數表Table 3 Monitoring groups

3.5 TBM軸線位移監測

TBM沿導軌過站時，在軸線方向上可能會出現偏差，因此需要對整個過站時的軸線方向上進行位移監測，測量儀器采用徠卡TPS800全站儀，測角精度為1"，距離精度為1 mm。

在TBM導軌上每個斷面布設2個監測點，每隔16 m布設一個斷面。在TBM過站前對監測點進行坐標初測，待其過站后對監測點進行持續監測，與初始值進行對比，即可得出過站時的軸線偏移量。

3.6 評判標準

1)各測試項目的位移速率明顯收斂，圍巖基本穩定;

2)已產生的各項位移已達到預計總位移量的80%～90%;

3)周邊位移速率小于0.1～0.2 mm/d，或拱頂下沉速率小于0.15 mm/d。

4 監測控制標準及警戒值

4.1 監測控制標準

1)軸力監測:根據TBM設計，主機步進時機頭下方作用350 t，縱向作用長度為2 m;水平支撐靴下方作用250 t，縱向作用長度為2.5 m;后支撐作用150 t，縱向作用長度為1.6 m。計算的鋼支撐的最大軸力不應大于1 200 kN;中板上翻梁底最大撓度為4 mm;不利荷載作用下裂縫寬度為0.1 mm;步行中線與線路中線偏差不應超過4 mm。

2)洞內水平收斂及拱頂下沉穩定評判標準:①各測試項目的位移速率明顯收斂，圍巖基本穩定;②已產生的各項位移已達到預計總位移量的80% ～90%;③周邊位移速率小于0.15 mm/d，或拱頂下沉速率小于0.1 mm/d。

4.2 警戒值及處理措施

當監測數據達到監測控制基準值的70%時，定為警戒值。

當監測數據達到監測控制基準值的70%，或發生突變時(即變形曲線明顯偏離原始曲線)，應加強監測頻率并及時提供準確的數據，為指導施工作業提供依據。

當監控量測數據達到監控基準值或者超過監控基準值時，應立即停止作業狀態，并進行連續不間斷的監測，待修正支護參數，確保無異常情況后方可繼續作業。

5 監控量測數據處理及信息反饋

監控量測資料均由計算機進行處理與管理，當取得各種監測資料后，及時進行處理，并繪制各種類型的表格及曲線圖。對監測結果進行回歸分析，預測最終位移值，預測結構物的安全性，確定工程技術措施。因此，對每一測點的監測結果都要根據管理基準和位移變化速率(mm/d)等綜合判斷結構和建筑物的安全狀況，并編寫日、周、月匯總報表，及時反饋現場作業，調整施工參數，達到安全、快速、高效的目的。

取得各種監測資料后，及時進行處理，排除儀器、讀數等操作過程中的失誤，剔除和識別各種偶然和系統誤差，避免漏測和錯測，保證監測數據的可靠性和完整性，采用計算機進行監控量測資料的整理和初步定性分析工作，見圖8—圖9。

數據處理方法:

1)數據整理。把原始數據通過一定的方法，按大小的排序用頻率分布的形式把一組數據的分布情況顯示出來，進行數據的數字特征值計算，離群數據的取舍。

2)插值法。在實測數據的基礎上，采用函數近似的方法，求得符合測量規律而又未實測到的數據。

3)對監測結果進行回歸分析。尋找一種能夠較好反映監測數據變化規律和趨勢的函數關系式，對下一階段的監測物理量進行預測，如預測最終位移值，預測結構物的安全性，并據此確定工程技術措施等。因此，對每一測點的監測結果要根據管理基準和位移變化速率(mm/d)等綜合判斷結構和建筑物的安全狀況，并編寫周、月匯總報表，及時反饋指導現場。

當作業中出現下列任何一種情況，應立即停止作業，并采取處理措施:①監測數據有不斷增大的趨勢;②暗挖隧道支護結構變形過大，超過控制基準或出現明顯的受力裂縫并不斷發展;③時態曲線長時間沒有變緩的趨勢等。

6 結論

重慶軌道交通6號線一期大龍山及冉家壩車站TBM順利通過，標志著我國地下工程在小凈距、大荷載作用下結構的安全穩定性得到突破。通過本工程TBM過站監控量測工作總結，可以得到以下結論:

1)監控量測工作是整個工程的眼睛，不但可以為工程的動態設計和信息化管理提供依據，確保施工作業的安全，還可以為設計理論的發展積累經驗。

2)除工程施工質量外，成熟的監控量測管理體系和管理經驗，能降低地下工程安全風險，確保結構安全穩定。通過本次工程監測實踐，也為其他類似工程實施相關監測項目提供了一定的借鑒意義。

［1］ GB 50026—2007工程量測規范［S］.北京:中華人民共和國建設部，2008.(GB 50026—2007 Code for engineering measurement［S］.Beijing:The people’s Republic of China Ministry of construction，2008.(in Chinese))

［2］ GB 50299—1999地下鐵道工程施工及驗收規范［S］.北京:中國計劃出版社，1999.(GB 50299—1999 Code for construction and acceptance of metro engineering［S］.Beijing:China Planning Press，1999.(in Chinese))

［3］ GB/T 50308—2008城市軌道交通工程量測規程［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.(GB/T 50308—2008 Urban rail transit measurement procedure［S］.Beijing:China Architecture and Buiding Press，2008.)