地鐵盾構施工影響下摩天輪實時監測技術研究

謝春光，王 磊，劉 洋

（天津市市政工程質量檢測中心，天津 300074）

一、引 言

當前，地下隧道施工帶來的環境擾動問題越來越受到重視，其中盾構施工對臨近樁基的影響尤其具有代表性。由于地下隧道施工不可避免地會引起周圍巖土層的變形和位移，當隧道施工至樁基附近時，必然會引起樁基的側向應力和附加變形，樁基周圍土體位移會增大樁基沉降，降低樁基承載能力。當地鐵隧道穿越城市橋梁及其他建筑物時，必然會對臨近橋梁及建筑結構產生不利影響，嚴重時還將對既有結構的正常使用產生嚴重影響。因此，必須在地鐵施工過程對重要的地面建筑物進行監測以確保其安全。

天津永樂橋摩天輪為世界上唯一一座建立在橋梁上的摩天輪，結構復雜，所受影響因素眾多。本文以天津西站至天津站地下直徑線下穿永樂橋為例對摩天輪進行實時監測。

二、工程概況

永樂橋位于天津市河北區與紅橋區交界處的子牙河上。主橋中央的河面上豎立起直徑為110 m的摩天輪和兩個高度達65 m的“人”字形鋼結構塔架，摩天輪輪盤為輻射狀拉索和鋼管桁架輪箍組成的結構。“人”字形塔架結構則由互成120°的3條直線型鋼箱體組成，摩天輪結構由在頂部連接兩個“人”字形鋼結構塔架的橫梁支承。永樂橋集交通、商業和觀光等功能于一體。主橋為兩層，上層為機動車道，下層為非機動車和步行通道以及商業空間。

盾構從永樂橋4#、5#墩中穿過，地鐵路線中線與永樂橋5#墩位中心線基本平行，夾角為1.45°。隧道結構外輪廓與5#號墩外側樁基凈距為4.5～5.8 m，與主橋4#號墩外側樁基凈距為15.9～16.4 m。為了保障永樂橋摩天輪運營安全，盾構施工期間采用全站儀對摩天輪“人”字形塔架進行實時變形監測。具體位置如圖1、圖2所示。

圖1 隧道與摩天輪位置平面圖

三、監測儀器

采用徠卡TM/TS30型全站儀，其標稱精度為測角精度±0.5″，測距精度 ±（0.6 mm+1×10-6D），TM/TS30型全站儀使用壓電陶瓷驅動技術，不受電場、磁場變化影響，儀器采用低壓鑄造工藝，能抵御惡劣天氣影響，適應環境能力強。

本次監測采用GeoMoS自動化監測系統。該系統由徠卡TM/TS30型全站儀、GeoMoS監測軟件、徠卡圓棱鏡、計算機及專用通信供電電纜組成，集自動完成測量周期、實時顯示變形趨勢等智能化功能于一體，是進行自動變形監測的理想系統。

圖2 隧道與摩天輪位置立面圖

四、監測的等級與方式

本次監測的對象是永樂橋摩天輪，選擇二級變形監測。依規范規定:觀測點坐標中誤差不超過3 mm，觀測點絕對沉降中誤差不超過0.5 mm。

工作基點離最遠監測點372 m，最短308 m，平均340 m，監測方式采用自由設站法；沉降觀測采用三角高程法。

計算各監測點的三維坐標極坐標公式為

極坐標三維坐標測量的精度估算公式為

按TM/TS30全站儀的標稱精度、Dp取340 m進行估算，其一測回觀測誤差預計結果見表1。

表1 全站儀精度估算表 mm

監測周期為24天，從盾構距永樂橋25 m開始到離開永樂橋25 m結束（2011年10月5日—2011年10月29日），監測頻率為每小時6次，一天24小時連續不間斷監測。

五、監測點布設

在摩天輪轉軸附近“人”字形鋼結構塔架處布設2個點，在接近塔架底部設4點，共6個監測點。1#—3#監測點為永樂橋下游測點依河北側至紅橋側順序布設；4#—6#監測點為永樂橋上游測點依紅橋側至河北側順序布設。具體位置如圖3所示。

圖3 自動化監測點位布設示意圖

六、監測成果

以盾構機通過永樂橋摩天輪前、中、后3部分進行成果分析。

盾構機施工階段天氣情況見表2。

表2 盾構機施工天氣情況表

對監測點每天24 h不間斷觀測，因白天工作基點和監測點受外界因素影響較大，所以沉降位移-時間曲線圖中數值取用凌晨0:00—1:00外業采集數據的平均值，單位為m，結果如圖4、圖5所示，盾構機通過前、中、后監測結果見表3。

圖4 位移與時間曲線圖

圖5 沉降與時間曲線圖

表3 盾構機通過永樂橋沉降位移表 mm

1.監測數據分析

從監測數據結合盾構機掘進來看，10月5日—10日盾構施工即將達到“人”字形塔架時，對摩天輪塔架影響位移在0.1～1.7 mm之間，高程在-0.13～0.14 mm；盾構施工進入監測區域后，對摩天輪塔架影響逐漸加大，10月18日—20日盾構日掘進分別為16.2 m、9 m、9 m，2號監測點最大位移達到5.8 mm，最大高程達到0.46 mm；盾構通過后，監測點的位移和高程逐漸回歸，10月23日有7℃的降溫，2#點與5#點位于鋼結構頂端，受溫度影響沉降幅度增大，分別至-10 mm、-11 mm，之后氣溫逐步回升，2號點與5號點的沉降量也隨之上升，其余各監測點均在一定范圍內波動，沒有較明顯的變化趨勢。

2.溫度對摩天輪數據的影響分析

與盾構施工通過永樂橋前氣溫相比，通過時降溫6℃，通過后降溫8℃，鋼結構膨脹系數1.2×10-5，摩天輪高65 m，溫度對鋼結構伸長量的影響為

因此，永樂橋摩天輪2#、5#高程受氣溫變化分別為

通過中:65 m×（-6）×（1.2×10-5）=-0.004 7 m；

通過后:65 m×（-8）×（1.2×10-5）=-0.006 2 m；

經過溫度修正后，盾構機通過永樂橋對摩天輪的影響見表4。

表4 溫度修正后盾構機通過對摩天輪影響值 mm

根據評估報告可知，盾構掘進引起的土體擾動會對摩天輪基礎產生一定的變位影響。盾構起始方向的摩天輪塔架腳點最大沉降值為4.7 mm，盾構前進方向的摩天輪塔架腳點最大沉降值為5.7 mm；摩天輪承臺沿永樂橋順橋向最大水平變位為2.6 mm。因此摩天輪塔架變形均在允許范圍內。

七、結 論

1）徠卡TM/TS30型全站儀可以在城市中觀測條件比較復雜的情況下實現全天候、高精度測量，提供可靠的觀測結果，其自動功能不僅可以提高工作效率，還能減小人為誤差，保證觀測成果的準確性和可靠性，為工程的順利施工提供有力的支持。

2）溫度變化對鋼結構的變形存在較大影響，在進行監測結果分析時應剔除溫度的影響。

3）在地鐵盾構過程中摩天輪的變形均在理論范圍內，結構處于安全狀態。

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