TBM過站監(jiān)控量測(cè)方案

王海龍

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401121)

0 引言

地鐵工程為不可逆工程，對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求極高，尤其是在大荷載作用下，應(yīng)及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)變形的動(dòng)態(tài)信息。通過對(duì)TBM過大龍山車站、冉家壩車站及小凈距區(qū)間隧道的監(jiān)控量測(cè)工作和量測(cè)信息的動(dòng)態(tài)管理，確保了TBM過站在大荷載作用下結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)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(jí)別為IV級(jí)。本車站與規(guī)劃5號(hào)線車站形成平行換乘，為5，6號(hào)線同臺(tái)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(jié)構(gòu)，中板板厚70 cm，主支撐鋼柱(D609鋼管)98根，總質(zhì)量為170.2 t，柱間交叉支撐(L125×8角鋼)282根總質(zhì)量為13 t，底板和中板預(yù)埋鋼板和錨栓等預(yù)埋件1 176個(gè)。車站設(shè)5個(gè)出入口(其中1個(gè)預(yù)留出入口)和2組風(fēng)亭。另外還設(shè)有2個(gè)消防疏散通道出口。大龍山站小里程端區(qū)間隧道6號(hào)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(qū)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(hào)線區(qū)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(qū)，跨規(guī)劃路成南北向布置，與5號(hào)線車站形成南北向平行換乘，與規(guī)劃路東西走向的環(huán)線相交，環(huán)線軌面埋深41.04 m，圍巖級(jí)別為IV級(jí)，6號(hào)線與5號(hào)線在上，環(huán)線在下，本站為6號(hào)線的交通樞紐站，站址北側(cè)為規(guī)劃廣場(chǎng)，已建地下3層停車庫和商業(yè)開發(fā)，地上規(guī)劃數(shù)棟超高層商業(yè)建筑，南側(cè)為景觀大道，東側(cè)為海關(guān)辦公樓、西側(cè)為在建揚(yáng)子江商務(wù)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(zhì)量208.3 t，柱間交叉支撐(L125×8角鋼)339根總質(zhì)量17.3 t，底板和中板預(yù)埋鋼板和錨栓等預(yù)埋件1 368個(gè)。5，6號(hào)線底板埋深約36.5 m，環(huán)線底板埋深約45.5 m。共設(shè)置了10個(gè)出入口、3個(gè)物業(yè)出入口、3個(gè)消防疏散出入口和3組風(fēng)亭。本站為地下5層局部6層島式明挖車站。冉家壩站6號(hào)線小里程端區(qū)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(qū)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(hào)線小里程端區(qū)間隧道長均為10 m，東和里程端區(qū)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(jiān)測(cè)目的及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

2.1 監(jiān)測(cè)目的

監(jiān)控量測(cè)工作是整個(gè)項(xiàng)目工程的眼睛，不但可以為整個(gè)項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化管理提供依據(jù)，確保施工作業(yè)的安全，還為設(shè)計(jì)理論的發(fā)展積累經(jīng)驗(yàn)。

1)掌握TBM暗挖隧道對(duì)已完成區(qū)間隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)影響，為日常管理提供信息，保證作業(yè)安全。

2)通過施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，掌握TBM過站時(shí)中板的穩(wěn)定程度，通過信息反饋及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)。確保TBM施工作業(yè)的安全與質(zhì)量，確保項(xiàng)目的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

3)保證TBM過站時(shí)影響范圍內(nèi)的建筑物正常使用，為合理確定保護(hù)措施提供依據(jù)。

4)為項(xiàng)目的管理及時(shí)提供準(zhǔn)確的信息，以便整個(gè)項(xiàng)目管理達(dá)到科學(xué)、安全的目的。

2.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及設(shè)備

見表1。

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及設(shè)備表Table 1 Monitoring items and equipments

2.3 監(jiān)測(cè)注意事項(xiàng)

本工程投入的所有監(jiān)測(cè)儀器和設(shè)備必須經(jīng)過國家計(jì)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(jiān)測(cè)手段是進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作的首要任務(wù)，是監(jiān)測(cè)項(xiàng)目順利完成的前提，在選擇監(jiān)測(cè)項(xiàng)目手段時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題:

1)所采用的測(cè)試手段必須是可靠的、已經(jīng)被工程實(shí)踐證明是正確的。因?yàn)楸O(jiān)測(cè)成果將直接被用來指導(dǎo)施工，是展開后續(xù)工作、調(diào)整施工工藝參數(shù)和施工作業(yè)方案的依據(jù)。

2)監(jiān)測(cè)手段必須簡單易行，能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)快速變化的施工狀況。

3)所采用的測(cè)試手段不能影響結(jié)構(gòu)的正常受力或有損結(jié)構(gòu)的變形剛度和強(qiáng)度特征。

3 監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1 鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測(cè)

對(duì)于初支鋼架，鋼筋計(jì)布置在型鋼上，在型鋼上焊接鋼筋計(jì)，在焊接鋼筋計(jì)時(shí)，注意不能使其溫度過高，以免熱傳導(dǎo)致使鋼筋計(jì)零漂增加，所以要做降溫處理。比如在焊接的同時(shí)用濕毛巾或流水冷卻，使其溫度降低，以保證鋼筋計(jì)的成活率在80%以上且支撐軸力小于設(shè)計(jì)值的80%，超過時(shí)要發(fā)報(bào)警文件。注意盡可能使鋼筋計(jì)處于不受力狀態(tài)，避免處于受彎狀態(tài)，將鋼筋計(jì)的導(dǎo)線逐段捆在鄰近型鋼上，引到外露的測(cè)試匣中，布設(shè)好后用頻率儀進(jìn)行測(cè)試，看是否完好，并檢查鋼筋計(jì)的電阻值和絕緣情況，同時(shí)做好引出線和測(cè)試匣的保護(hù)措施。

數(shù)據(jù)采集:

1)在施加鋼筋測(cè)力計(jì)預(yù)應(yīng)力前，把鋼筋測(cè)力計(jì)的電纜引至方便正常測(cè)量的位置，在混凝土澆筑前進(jìn)行鋼筋測(cè)力計(jì)初始頻率的測(cè)量，并記錄在案。

2)施加在鋼筋測(cè)力計(jì)上的預(yù)應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后即可開始正常測(cè)量。

3)測(cè)試值應(yīng)考慮溫度變化的影響，要用溫度計(jì)測(cè)量氣溫，進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

4)監(jiān)測(cè)頻率及數(shù)據(jù)處理:在埋設(shè)初期進(jìn)行首次初測(cè)，TBM過站時(shí)對(duì)鋼支撐進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，量測(cè)所得鋼筋軸力的數(shù)值及時(shí)繪成軸力－應(yīng)力變化曲線。

5)出渣過程中進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)直到穩(wěn)定后(1～2)次/1 d、10 d后1次/3 d、1個(gè)月后1次/周;量測(cè)所得鋼筋軸力的數(shù)值繪成軸力－應(yīng)力變化曲線。

鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖3。

圖3 鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of stress monitoring points of steel support

3.2 裂縫監(jiān)測(cè)

TBM過站時(shí)必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力調(diào)整而產(chǎn)生裂縫，裂縫開展?fàn)顩r的監(jiān)測(cè)通常作為其過站和出渣過程中影響程度的重要依據(jù)之一。通常采用直接觀測(cè)的方法，將裂縫進(jìn)行編號(hào)并劃出測(cè)讀位置，觀測(cè)裂縫的發(fā)生發(fā)展過程，必要時(shí)通過裂縫觀測(cè)儀進(jìn)行裂縫寬度測(cè)讀。主要采用的儀器為游標(biāo)卡尺，量測(cè)頻率1～2次/d，監(jiān)測(cè)數(shù)量和位置依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定。

3.3 中板撓度監(jiān)測(cè)

TBM過站時(shí)對(duì)中板產(chǎn)生一定變形，因此需要進(jìn)行中板撓度監(jiān)測(cè)，量測(cè)儀器采用SWJ－IV型收斂計(jì)，量測(cè)精度為0.01 mm。

在中板上每隔16 m一個(gè)斷面埋設(shè)1組監(jiān)測(cè)點(diǎn)直到車站的末端，每組監(jiān)測(cè)點(diǎn)有3個(gè)監(jiān)測(cè)值，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 中板撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.4 Layout of deflection monitoring points of false ceiling

在TBM過站時(shí)，測(cè)量中板頂部和底部3個(gè)測(cè)點(diǎn)的距離，即可繪出中板原始撓度;過站后，再進(jìn)行相同的監(jiān)測(cè)，與原始值進(jìn)行對(duì)比。必須指出，前后2次觀測(cè)時(shí)的量測(cè)方法相同，即收斂計(jì)懸掛方向相同，鋼帶尺張緊力調(diào)整過程相同，這樣可以消除儀器懸掛、調(diào)整張力等系統(tǒng)讀數(shù)，以提高量測(cè)精度。

3.4 區(qū)間隧道水平收斂及拱頂下沉

對(duì)暗挖隧道周邊水平收斂和拱頂下沉進(jìn)行量測(cè)，量測(cè)儀器采用 SWJ－IV型收斂計(jì)，量測(cè)精度為0.01 mm。

3.4.1 水平收斂量測(cè)

收斂值是指已知兩測(cè)點(diǎn)間在某一時(shí)間段內(nèi)距離的改變量。令t1時(shí)刻觀察值為R1，t2時(shí)刻觀測(cè)值為R2，則收斂值μu=R1–R2，此值除以時(shí)間差(μt=t2–t1)，即為收斂速度。必須指出，前后2次觀測(cè)時(shí)的量測(cè)方法相同，即收斂計(jì)懸掛方向相同，鋼帶尺張緊力調(diào)整過程相同，這樣可以消除儀器懸掛、調(diào)整張力等系統(tǒng)讀數(shù)，以提高量測(cè)精度。

3.4.2 拱頂下沉量測(cè)

見圖5－6。

拱頂下沉量的大小，根據(jù)測(cè)線A，B，C的實(shí)測(cè)值并利用三角形面積公式換算求得，即拱頂下沉量Δh=h1－h(huán)2，如圖7所示。

式中:a，b，c為前次量測(cè)A線、B線、C線所得的實(shí)測(cè)值;a'，b'，c'為后次量測(cè)A線、B線、C線所得的實(shí)測(cè)值。

3.4.3 監(jiān)測(cè)頻率及監(jiān)測(cè)斷面埋設(shè)統(tǒng)計(jì)

每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)取讀數(shù)的頻率均符合規(guī)范要求，當(dāng)量測(cè)斷面工作狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，如埋設(shè)的測(cè)點(diǎn)在量測(cè)期間遭到破壞，恢復(fù)以后按新埋測(cè)點(diǎn)要求采集讀數(shù)，如表2—表3所示。

表2 量測(cè)頻率表Table 2 Monitoring frequency

表3 監(jiān)測(cè)斷面埋設(shè)組數(shù)表Table 3 Monitoring groups

3.5 TBM軸線位移監(jiān)測(cè)

TBM沿導(dǎo)軌過站時(shí)，在軸線方向上可能會(huì)出現(xiàn)偏差，因此需要對(duì)整個(gè)過站時(shí)的軸線方向上進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，測(cè)量儀器采用徠卡TPS800全站儀，測(cè)角精度為1"，距離精度為1 mm。

在TBM導(dǎo)軌上每個(gè)斷面布設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每隔16 m布設(shè)一個(gè)斷面。在TBM過站前對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)初測(cè)，待其過站后對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，與初始值進(jìn)行對(duì)比，即可得出過站時(shí)的軸線偏移量。

3.6 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

1)各測(cè)試項(xiàng)目的位移速率明顯收斂，圍巖基本穩(wěn)定;

2)已產(chǎn)生的各項(xiàng)位移已達(dá)到預(yù)計(jì)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(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)及警戒值

4.1 監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)

1)軸力監(jiān)測(cè):根據(jù)TBM設(shè)計(jì)，主機(jī)步進(jìn)時(shí)機(jī)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(jì)算的鋼支撐的最大軸力不應(yīng)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(yīng)超過4 mm。

2)洞內(nèi)水平收斂及拱頂下沉穩(wěn)定評(píng)判標(biāo)準(zhǔn):①各測(cè)試項(xiàng)目的位移速率明顯收斂，圍巖基本穩(wěn)定;②已產(chǎn)生的各項(xiàng)位移已達(dá)到預(yù)計(jì)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(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到監(jiān)測(cè)控制基準(zhǔn)值的70%時(shí)，定為警戒值。

當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到監(jiān)測(cè)控制基準(zhǔn)值的70%，或發(fā)生突變時(shí)(即變形曲線明顯偏離原始曲線)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率并及時(shí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為指導(dǎo)施工作業(yè)提供依據(jù)。

當(dāng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到監(jiān)控基準(zhǔn)值或者超過監(jiān)控基準(zhǔn)值時(shí)，應(yīng)立即停止作業(yè)狀態(tài)，并進(jìn)行連續(xù)不間斷的監(jiān)測(cè)，待修正支護(hù)參數(shù)，確保無異常情況后方可繼續(xù)作業(yè)。

5 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)處理及信息反饋

監(jiān)控量測(cè)資料均由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理與管理，當(dāng)取得各種監(jiān)測(cè)資料后，及時(shí)進(jìn)行處理，并繪制各種類型的表格及曲線圖。對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，預(yù)測(cè)最終位移值，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)物的安全性，確定工程技術(shù)措施。因此，對(duì)每一測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果都要根據(jù)管理基準(zhǔn)和位移變化速率(mm/d)等綜合判斷結(jié)構(gòu)和建筑物的安全狀況，并編寫日、周、月匯總報(bào)表，及時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，調(diào)整施工參數(shù)，達(dá)到安全、快速、高效的目的。

取得各種監(jiān)測(cè)資料后，及時(shí)進(jìn)行處理，排除儀器、讀數(shù)等操作過程中的失誤，剔除和識(shí)別各種偶然和系統(tǒng)誤差，避免漏測(cè)和錯(cuò)測(cè)，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和完整性，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)資料的整理和初步定性分析工作，見圖8—圖9。

數(shù)據(jù)處理方法:

1)數(shù)據(jù)整理。把原始數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的分布情況顯示出來，進(jìn)行數(shù)據(jù)的數(shù)字特征值計(jì)算，離群數(shù)據(jù)的取舍。

2)插值法。在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用函數(shù)近似的方法，求得符合測(cè)量規(guī)律而又未實(shí)測(cè)到的數(shù)據(jù)。

3)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行回歸分析。尋找一種能夠較好反映監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律和趨勢(shì)的函數(shù)關(guān)系式，對(duì)下一階段的監(jiān)測(cè)物理量進(jìn)行預(yù)測(cè)，如預(yù)測(cè)最終位移值，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)物的安全性，并據(jù)此確定工程技術(shù)措施等。因此，對(duì)每一測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果要根據(jù)管理基準(zhǔn)和位移變化速率(mm/d)等綜合判斷結(jié)構(gòu)和建筑物的安全狀況，并編寫周、月匯總報(bào)表，及時(shí)反饋指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)。

當(dāng)作業(yè)中出現(xiàn)下列任何一種情況，應(yīng)立即停止作業(yè)，并采取處理措施:①監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有不斷增大的趨勢(shì);②暗挖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大，超過控制基準(zhǔn)或出現(xiàn)明顯的受力裂縫并不斷發(fā)展;③時(shí)態(tài)曲線長時(shí)間沒有變緩的趨勢(shì)等。

6 結(jié)論

重慶軌道交通6號(hào)線一期大龍山及冉家壩車站TBM順利通過，標(biāo)志著我國地下工程在小凈距、大荷載作用下結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性得到突破。通過本工程TBM過站監(jiān)控量測(cè)工作總結(jié)，可以得到以下結(jié)論:

1)監(jiān)控量測(cè)工作是整個(gè)工程的眼睛，不但可以為工程的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化管理提供依據(jù)，確保施工作業(yè)的安全，還可以為設(shè)計(jì)理論的發(fā)展積累經(jīng)驗(yàn)。

2)除工程施工質(zhì)量外，成熟的監(jiān)控量測(cè)管理體系和管理經(jīng)驗(yàn)，能降低地下工程安全風(fēng)險(xiǎn)，確保結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。通過本次工程監(jiān)測(cè)實(shí)踐，也為其他類似工程實(shí)施相關(guān)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目提供了一定的借鑒意義。

［1］ GB 50026—2007工程量測(cè)規(guī)范［S］.北京:中華人民共和國建設(shè)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(yàn)收規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)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(cè)規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.(GB/T 50308—2008 Urban rail transit measurement procedure［S］.Beijing:China Architecture and Buiding Press，2008.)