土體分層沉降監測在盾構掘進中的應用

【摘" " 要】：為解決常規沉降監測不能較好反應深層土體變形特點這一工程難題，以實際工程為例，采用土體分層沉降儀對盾構穿越重大風險源時深層土體進行監測，并對測點標準化、控制值制定、數據銜接等問題提出合理化建議。

【關鍵詞】：地鐵；盾構隧道；土體分層；沉降監測

【中圖分類號】：TU196.2 【文獻標志碼】：C 【文章編號】：1008-3197（2024）02-13-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.02.004

Application of Soil Stratified Settlement Monitoring in Shield Tunneling

QU Xingbing1， XU Feng2

（1.China Railway Liuyuan Group Co. Ltd.， Tianjin 300308，China； 2.Ningbo Rail Transit Group Co. Ltd.，Ningbo 315000，China）

【Abstract】：Inorder tosolvethe engineering problemthatthe conventional settlement monitoring can not reflect the change of deep soil well. In this paper， through engineering examples， the soil layer settler is used to monitor the deep soil when the shield traverses through major risk sources， and reasonable suggestions are put forward for standardization of measuring points， formulation of control values， data connection and other issues.

【Key words】：subway; shield tunnel; soil layers;settlementmonitoring

地鐵盾構掘進過程中需要穿越不同地層、建（構）筑物、河流等眾多重大風險源，科學開展沉降監測工作對隧道安全具有重要意義。眾多學者對地面沉降監測進行了研究：岳建平等[1]對地面沉降監測理論及技術方法進行了研究；孫凱強等[2]采用最新的FBG傳感技術，利用FBG監測儀在高填方施工中進行分層沉降監測；陳中等[3]對富水砂卵石地層盾構施工引起地面塌陷的原因進行分析。分層沉降儀可監測由降水、掘進等施工引起的周圍深層土體的豎向位移變化[4]，本文對土體分層沉降監測的目的及必要性、系統設備組成、測點埋設位置要求、監測注意事項及目前存在的問題進行討論，給出一些合理化建議。

1 監測目的及必要性

1.1 監測目的

在地鐵隧道掘進過程中，只有對隧道掘進影響范圍內的土體及建（構）筑物等風險源及時進行監測，才能系統掌握地鐵施工的安全性和對周圍環境的影響程度；才能合理組織施工，最大限度保障生產和人民生命財產的安全。

1.2 監測必要性

常規地表及建（構）筑物沉降監測點位埋設較淺，當深層土體發生變化時，地面監測數據可能存在一定滯后性；城市路面硬化層較厚，監測點布設時可能未穿過硬化層，導致監測數據不能真實反應地層沉降變化；不同地層地質特性不同，其滯后沉降機理和沉降特征差別較大[5]。

城市地鐵隧道埋深較深，一般有多種復雜地層；因此在盾構下穿重大風險源時，需要了解不同地層土體的真實變化情況，當數據異常時，可提前預警并做好應急施工準備，采取必要控制措施，避免安全事故發生或已發生事故惡化，確保盾構掘進過程平穩順利。

2 分層沉降監測技術

2.1 系統設備組成

土體分層沉降監測系統由地下測點、分層沉降儀和管口沉降3部分構成。地下測點包括分層沉降管、底蓋、磁環、定位環等；分層沉降儀由探頭、測尺、數據接收系統和線盤等組成；管口沉降部分由水準儀、銦鋼尺、腳架、基準點等組成[6]。

2.2 監測原理及方法

2.2.1 監測原理

監測點埋設時分層沉降管和孔壁之間采用黏土或細砂回填密實，使得磁環與周圍土體能緊密接觸，與土體變形一致。分層沉降儀可測量出各磁環相對管口的深度，再由位置深度的變化計算出不同土層的豎向位移變化情況。

2.2.2 監測方法

先使用精密水準儀測出分層沉降管的管口高程值；將分層沉降儀的探頭放入分層沉降管中，采用進程和回程兩次觀測的方法，取進程讀數的平均數作為磁環相對管口距離的觀測值；最后用管口高程和磁環相對管口的距離來換算出分層沉降管各磁環的高程值。

2.3 測點布設及保護

2.3.1 布設位置

以單線隧道為例，監測點布設要求見表1。

如設計點位涉及重要管線或存在地下結構等，監測點埋設位置可根據現場情況做適當調整。監測點埋設在隧道中線上方土體中，鉆孔深度為隧道頂以上5 m的位置。

2.3.2 測點布設及保護

1）在測點埋設預定位置開展管線交底工作，同時開挖探坑，探明地下管線；探坑深度≮4 m，避免鉆孔過程中管線事故發生。

2）安裝鉆孔機，鉆孔施工，隨時檢查成孔是否偏斜，鉆孔傾斜度要求≯1°。根據地質情況必要時埋設護筒，防止孔壁坍塌。

3）在分層沉降管預定位置上安裝磁環與定位環，再沿成型后的鉆孔放入分層沉降管。分層沉降管底部2 m范圍內按1 m間隔安裝1個磁環，上部按每2 m間隔安裝1個磁環。

4）分層沉降管安裝完成后，蓋上保護蓋即可進行鉆孔回填工作。分層沉降管孔口要做保護裝置，與現場施工人員做好技術交底，加強測點保護工作，避免因施工機械、材料渣土堆載等對測點造成壓蓋或破壞。

3 工程實例

3.1 工程概況

某地鐵盾構區間左右線下穿河流和建筑物。左線穿越河流段約55.5 m，右線穿越河流段約58.1 m，左右線與河流平面夾角約為46°。河床距隧道頂部豎向最小距離約4.2 m，隧道與河堤豎向最小凈距2.3 m。穿越段掌子面上半部為lt;2-5-3gt;中密卵石層和lt;4-3gt;黏土卵石層，下半部為lt;5-1-2gt;強風化泥巖和lt;5-1-3gt;中風化泥巖。建筑物采用柱下墩基，基礎埋深2.9 m，地基為硬塑黏土地層。樓基礎與左右線隧道的垂直凈距為14.6 m，與右線隧道的水平凈距為1.8 m。穿越段隧道埋深約17.5 m，主要穿越強、中風化泥巖地層，隧道上覆約5 m厚的含黏土卵石、6 m厚的強風化泥巖。

3.2 初始值采集

土體分層沉降點在盾構到達一周前布設完成，同時對磁環位置進行監測，待磁環位置穩定后方可進行初始值采集，采用高精度水準儀測量管口高程并計算各磁環的高程。初始值應至少采集3次，取較差滿足規范要求的3次測量成果均值作為最終成果。

3.3 監測情況

1）監測頻率根據相關規范、設計圖紙及審批合格的監測方案要求綜合執行，一般為2次/d。當數據異常時，進行加密監測和巡視。

2）儀器設備：Trimble Dini03水準儀1臺，精度0.3 mm/km；配套銦鋼尺1套；金土木土體分層沉降儀1臺，測尺精度1.0 mm。

3）土體分層沉降累積控制值30 mm，變形速率控制值3 mm/d。對區間盾構始發、穿越河流、穿越建筑物、盾構到達等重大風險源進行安全監測，取特征點位數據進行統計。見表2。

3.4 監測數據分析

將盾構始發、到達、穿越河流、建筑物等土體分層沉降數據與土體分層沉降監測點附近位置常規地表監測數據進行對比。見表3和表4。

由表2-表4分析可知，土體分層沉降數據存在以下特點。

1）差異性：土體分層沉降孔不同深度及不同地層磁環沉降變化趨勢不同；土體分層沉降最大值一般比常規地表沉降值偏大，二者最大差值為7.05 mm。

2）一致性：土體分層管口沉降與鄰近地表沉降變化趨勢一致，二者最大差值為1.45 mm。

3）相關性：土體分層沉降數據與鄰近地表沉降數據之間整體關聯性較好，各監測項目沉降變化值接近，變化趨勢一致。

4）相輔性：土體分層沉降點數量少、點位深、覆蓋面窄；常規地表及建筑物沉降點數量多、點位淺、覆蓋面廣，二者相輔相成。

3.5 監測注意事項

1）探頭通過一個磁環時，會發出兩次響聲，現場監測時，做好技術交底，確保數據記錄時均以第一次響聲為標準?，F場嘈雜、蜂鳴聲聽不清楚時，建議使用指針模式，當指針偏轉最大時，即是磁環的位置。

2）分層沉降管管口應設置為規則斜角，噴涂紅漆作為標記，每次銦鋼尺放置和測量電纜尺讀數時都以該斜角作為標準，避免位置有誤。測尺數據讀取時應多次估讀，提高觀測精度，避免出現粗差。

3）監測完畢，安排專人保養和管理儀器，及時對探頭的污漬進行清理；定期做好自檢和檢校，確保儀器處于優良狀態。

4）當原設計點位無法布設時，應上報上級管理部門申請變更測點，采用其他輔助手段進行監測。

4 相關問題探討

4.1 測點標準化

測點埋設的標準化是保證監測數據真實性和準確性的重要環節，也是監測工作的重點和難點。為防止泥漿進入分層沉降管，先在鉆孔內注入清水，直至渾濁的泥漿水變成清水或清混水為止；再用膠水粘貼分層沉降管底部和接頭處，所有接縫處包裹多層寬膠帶，確保沉降管密封完整，避免管底泥水長時間涌入堵塞管道，造成無法監測。

磁環的安裝不僅要牢固，還要保證有足夠的沉降距離。用專用紙帶綁扎磁環上的彈簧片，避免分層沉降管下放過程中彈簧片被破壞或擠壓變形。分層沉降管應一邊采用細砂回填，一邊加水沖實以免形成空隙，造成后期監測數據有誤。

此外，應留出足夠時間，使監測點自然沉降，避免后期監測過程無法正確進行數據分析。

4.2 控制值制定

城市軌道交通工程監測技術規范中監測項目控制值和預警章節內容無明確關于土體分層沉降監測的控制值的描述，而監測設計圖紙中一般也無明確要求；實際監測過程中，土體分層沉降監測控制值一般按照地表沉降的要求執行。由于土體分層沉降的變形機理、監測埋點方法、監測手段、數據特點、儀器監測精度等均與常規地表及建筑物沉降不同；因此土體分層沉降監測累計控制值和單次變化指標直接參考地表沉降會給現場監測工作造成一定困擾。

4.3 數據銜接

目前沉降儀的監測原理雖然大致相似，但是不同廠家及不同型號的沉降儀探頭外觀尺寸、測尺零刻度起點等不相同。對常見的3種規格沉降儀進行比較。見圖1。

使用3種沉降儀對同一分層沉降孔進行測量，同一儀器不同點位往返較差基本相同，同一點位不同儀器的往返測值及往返較差不同。見表5。

不同儀器往返較差數據不同，不同儀器的分層沉降觀測數據無法像常規沉降數據等直接用來對比和累加計算；因此當儀器檢校或損壞需要更換時，需測量不同儀器探頭及測尺的初值差值，保證數據的連續性。

5 結論及建議

1）隧道安全事故的發生往往是由于盾構掘進速度過快、同步注漿不及時、土壓力不平衡，盾構上方土體失穩造成的，采用土體分層沉降監測技術在盾構穿越重大風險源時進行重點監測，可以較好地針對盾構施工及不同地層特點，及時監測出深層土體的變化情況，及時做出預警，避免安全事故的發生。

2）針對土體分層沉降監測數據特點，建議采用土體分層沉降與地表、建（構）物沉降等常規沉降數據相結合，綜合現場巡視、水文地質情況等系統分析、綜合預警的工作模式。必要時采用地質雷達、微波探測等輔助手段探測數據異常區域，確保盾構順利掘進，減少安全事故發生。

3）細化相關監測技術規范中土體分層沉降監測的控制值內容；加大土體沉降理論體系研究和土體監測儀器的研發力度，使盾構掘進過程中土體監測系統更科學、更高效。進一步完善監測管理辦法，在地鐵盾構穿越重大風險源時開展土體分層監測和數據分析工作。

參考文獻：

[1]岳建平，方露.城市地面沉降監控理論與技術[M].北京：科學出版社，2012.

[2]孫凱強.FBG監測儀在機場高填方分層沉降監測中的應用[J].山西建筑，2021，47（9）：61-63.

[3]陳中.富水砂卵石地層盾構施工引起地面塌陷的原因及建議[J].都市快軌交通，2014，27（6）：87-91.

[4]潘茁.盾構施工全過程引起的土體擾動與分層沉降特性研究[D].北京：中國礦業大學，2016.

[5]萬朝棟.卵石地層盾構施工地層分層沉降特點及減沉技術[J].四川建筑，2021，41（1）：123-125.

[6]GB 50911—2013，城市軌道交通工程監測技術規范[S].

作者簡介：屈興兵（1982 - ）， 男， 高級工程師， 從事城市軌道交通工程測量及監測工作。