大直徑盾構隧道近接橋梁監測方案及全自動監測技術淺析

吳 瓊

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司, 江蘇南京 211800)

如今越來越多的高鐵隧道經過城市，勢必會遇到高鐵下穿或者近接地鐵的問題。針對此類問題，為保證施工的安全以及不影響鄰近已完成的工程建筑，施工期間的監控量測就發揮著極為關鍵的作用。眾多專家和學者對盾構掘進過程中周邊建(構)筑物的監控量測進行了研究。馮夯[1]在地鐵施工中，應用隧道監控量測技術，使施工進入動態化管理，及時保證了地鐵施工的安全。司立虎[2]介紹了地鐵施工中常用的監控量測對象、測試方法和對測試結果進行的數據處理。朱青[3]介紹了當用明挖法修建地鐵車站時，在進行地下連續墻圍護工程施工的對地下連續墻的監測技術。劉志春[4]以南京地鐵區間為背景，該區間采用小導管超前預注漿加掌子面注漿的超前支護方法，在施工中進行監控量測。王書偉[5]以深圳地鐵1號線為依托，介紹了地鐵單洞雙層隧道施工中的監控量測技術。楊翼[6]以深圳地鐵科學館地鐵車站為依托，該車站以蓋挖順作法施工，對該車站進行監控量測。陳曉婷[7]以成都富水砂卵石地層采用淺埋暗挖法施工為背景，對淺埋暗挖法下修建的車站進行監控量測。同樣路戈[8]結合北京地鐵10號線某采用淺埋暗挖法的車站也進行了監控量測。賀文濤[9]在北京地鐵10號線施工期間，對結構的沉變形和周邊地表、建筑物的沉降等項目進行監控量測，確保了北京地鐵10號線在施工期間的安全。陳立[10]在多學科交叉的基礎之上，采用前沿的信息化監測技術，針對武漢地鐵施工過程中的監測技術、數據處理及信息反饋三個方面進行了研究。

以上的專家和學者對隧道近接施工及監控量測的研究已經取得許多成果，但在大直徑盾構隧道近接既有工程方面的研究不多，同時隨著施工信息化、全壽命周期等新概念的提出，監控量測越來越往全自動、全方位、全覆蓋的方向發展。本文以新建北京至張家口鐵路清華園大直徑盾構隧道為工程依托，提出了隧道工作井及配套基坑近接高架橋的監控量測方案，并介紹了全自動監測技術在本工程項目中的應用。本項目采用的監測方案及全自動監測技術可以保證工程施工時不對原來的既有工程產生干擾，同時可以為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 新建工程概況

新建北京至張家口鐵路清華園隧道3號工作井(盾構始發井)及明挖盾構后配套基坑段，位于海淀區雙清路北側。地下水位位于地表下約9 m。明挖盾構后配套基坑段全長97 m，其中DK18+229～DK18+271段基坑開挖深度18.42 m，DK18+271～DK18+326段基坑開挖深度約為16.40 m。3號井及后配套段西側10～16 m并行城鐵13號線橋樁段6處。

1.2 既有地鐵概況

既有地鐵13號線五道口—上地區間為高架區間，橋墩承臺距地表0.7 m，承臺高1.5 m。3號施工基坑影響段為13號線五道口站—上地站部分區間線路。下部結構墩柱采用雙柱式矩形墩+橫梁，墩截面尺寸為1.4 m×1.0 m，基礎采用鉆孔灌注樁基礎，樁徑為1.0 m，樁長25 m。每個墩頂設1個板式橡膠支座。圖1和圖2為13號線橋梁結構剖面和墩柱結構概況。

1.3 新建工程與既有橋梁位置關系

地鐵13號線臨近清華園隧道3號工作井及明挖盾構后配套段為高架段，并行長度共130 m，13號線橋樁長度約為25 m。

3號工作井中心里程為DK18+214.5，圍護樁內緣與地鐵橋樁承臺的水平凈距11.3 m。

明挖盾構后配套基坑段全長97 m，其中DK18+229～DK18+271段長42 m，圍護樁內緣和地鐵橋樁承臺的水平距離大概為15.0 m。圖3、圖4為新建工作井和新建后配套基坑與既有地鐵的位置關系。

圖1 地鐵13號線橋梁結構剖面(單位：cm)

圖2 地鐵13號線橋梁墩柱結構概況

圖3 清華園隧道3#工作井與既有橋梁位置關系(單位：cm)

圖4 清華園隧道后配套與既有橋梁位置關系(單位：cm)

2 監測方案

2.1 監測對象

本工程自動化監測的對象、項目、儀器及精度見表1，需要人工監測的項目如表2所示。

2.2 監測點布設及監測方法

2.2.1 橋墩結構、橋梁結構豎向變形監測

影響范圍內的橋墩結構豎向變形監測點布設于各橋墩的墩柱上，每個墩柱上布設1個測點，共布設20個橋墩結構豎向變形監測點。

表1 自動化監測的對象、項目、儀器及精度

表2 人工監測的對象、項目、儀器及精度

影響范圍內的橋梁結構豎向變形監測點布設于各承臺上方對應位置橋梁翼緣位置，有變形縫的位置，在變形縫兩側橋梁結構上各布設一個斷面，每個斷面2個測點，共布設12個斷面，24個橋梁結構豎向變形監測點。

測點標志采用φ8 mm膨脹螺栓，按設計位置鉆孔埋入。測點埋設不得影響地鐵設施，保證埋設穩固，并做好清晰標記，方便保存。埋設形式如圖5所示。

圖5 橋墩結構測點埋設形式

監測點埋設時先在橋梁結構上用沖擊鉆鉆出深約10 cm的孔，再把強制歸心監測標志放入孔內，縫隙用錨固劑填充。監測點布置實景圖如圖6所示。

圖6 監測點布置實景

2.2.2 橋墩結構、橋梁結構橫向變形監測

影響范圍內的橋墩柱結構橫向變形監測點布設于臨近基坑側橋墩的墩柱上，每個墩柱布設1個測點，共布設10個橋墩結構橫向監測點。

影響范圍內的橋梁結構橫向變形監測點布設于各承臺上方臨近基坑側對應位置橋梁翼緣位置，有變形縫的位置，在變形縫兩側橋梁結構上各布設一個斷面，共布設12個橋梁結構橫向監測點。

2.2.3 軌道結構豎向變形及結構縫變形監測

在左、右線軌道兩側布設結構豎向變形測點，布設原則：沿地鐵線路方向在影響范圍內橋墩上方軌道各布設一個斷面，在有橋梁縫的位置加密一組測點，每個斷面左右線分別布設一個測點，共布設24個軌道結構豎向變形測點。

采用φ8 mm膨脹螺栓作為測點標志，在測點位置鉆孔后將其埋入。需要注意的是，為了保證地鐵設施的安全有效運作，測點埋設需確保埋設穩固。測點埋設形式與隧道結構豎向變形測點的埋設形式相同，埋設形式如圖7所示。

圖7 軌道結構測點埋設形式

2.2.4 軌道靜態幾何尺寸檢查

本工程在影響范圍內線軌道兩側布設測點，監測點的布置與軌道結構豎向變形位置對應，具體平面布置如附圖。共設置軌距、水平測點24處。

對軌道靜態幾何形位(軌距、水平)檢查：包括軌距、水平檢查，軌距、水平測量使用專用軌道尺測量。各項目均測量三次取均值。布點位置及監測實景圖見圖8和圖9。

圖8 軌道幾何形位測點埋設形式

圖9 軌道幾何形位監測實景

2.2.5 無縫線路鋼軌位移

在施工影響范圍外測邊緣布設一組無縫線路位移觀測測點，每條軌上設1個無縫線路臨時位移觀測標尺，共布設8個測點，如圖10所示。

圖10 無縫線路鋼軌位移測點標志埋設形式

2.2.6 道床結構裂縫檢查

使用游標卡尺、數字顯微鏡等工具，對道床結構裂縫寬度變化情況進行檢查。根據檢測報告，重點檢測已有裂縫處及新增裂縫(圖11)。

圖11 裂縫監測示意

3 全自動監測技術

由于高架橋梁體結構變形控制要求較為嚴格，因此對橋梁體結構豎向變形和橫向變形采用自動監測技術。

3.1 監測目的

清華園隧道明挖基坑臨近并行地鐵13號線施工，屬一級重大風險源。為了保證施工過程中地鐵運營，加強了隔離防護，且對地鐵結構及線路開展變形監測。通過對基坑全自動四維監控，24 h全天不間斷監控，每15 min刷新一次，并且監控數據能夠自動生成累計形變曲線，根據控制值設定自動分析超限變形情況，提出預警。

3.2 創新功能

全自動監測系統通過四大技術組合，分別是傳感器自動采集技術、GPRS無線分組傳輸技術、無線網絡傳輸技術、計算機技術等，來實現監測信息的采集、處理及發布。圖12和圖13分別是全自動監測系統示意和現場監測示意。

圖12 全自動監測系統

圖13 現場監測示意

如果想要使數據可以完全采集，必須需要一個終端采集軟件。數據采集終端軟件是通用的管理各種各監測設備的信息系統。以多種方式，全方位體現出地鐵沉降自動化監測的實際運行參數情況，保證了在線監測信息全面、及時、準確。圖14和圖15為終端采集系統現場布置和終端數據采集單元布置。圖16為自動化監測平臺界面示意。監測軟件主要包括四大功能：數據分析、監測管理、預報預警、系統管理。

圖14 終端采集系統現場布置

圖15 終端數據采集單元

圖16 自動化監測平臺

3.3 自動化監測系統應用效果

針對本項目工程特點，布置的自動化監測系統，實現每15 min對風險源變形絕對值的采集和變形趨勢預判(精度達到0.3 mm)，并將監測數據在平臺發布。

4 結束語

本文對大直徑鐵路盾構隧道工作井及配套基坑段近接高架橋梁施工時的監測方案進行了詳細介紹，該方案可以為類似的工程提供參考和借鑒。

同時本文也介紹了全自動監控技術，該技術的應用，可以有效控制沉降及變形值，將沉降及變形值控制在一定的范圍內。

通過本文的監測方案及全自動監控技術實時監控分析對施工的指導，可以有效保證新工程修建時既有工程運營的安全性，為今后的類似工程提供參考和借鑒。