地铁盾构隧道施工变形观测方法

4 监测数据整理与分析
监测数据整理
• 监测数据整理的主要工作是对现场观测所 取得的资料加以整理、编制成图表和说明， 使它成为便于使用的成果。其具体内容如 下：
• 校核各项原始记录，检查各次变形观测值的计算是否有误； • 变形值计算； • 绘制各种变形过程线，建筑物变形分布图。
监测数据分析
• 监测数据分析是分析归纳地表、管线及周边建筑物的变形 过程、变形规律和变形幅度。分析变形的原因，变形值与 引起变形因素之间的关系，并找出它们之间的函数关系， 进而判断地表、管线及周边建筑物的情况是否正常。
图12-11 抱箍式布点法示意图
图12-12 套筒式布点法示意图
隧道沉降和水平位移监测
• 传统的隧道沉降和水平位移监测方法是在隧道的 顶部或腰线处设立观测点，然后用常规的水准测 量方法进行沉降量的测量，同时，以隧道轴线和 其轴线的垂直方向建立坐标系，用导线测量的方 法测量所有观测点的坐标，以此来推算隧道水平 位移量。
方案设计的原则
• 在熟悉隧道施工方案，了解施工区域内土 壤及地下水和隧道施工影响范围内现有结 构物情况的基础上，根据工程的特殊要求， 设计出确保工程安全的、经济有效的、便 于监测工作的实施和工程项目施工的监测 方案。
方案设计前的准备工作
（1）收集各种资料 主要包括：隧道施工方案，施工区域内地质分析 报告，施工影响范围内结构物的设计图纸和竣工 资料，施工区域内的管线图，施工区域内的交通 情况等。
图12-9 裂缝观测仪
图12-10 薄铁片标志法观测裂缝示意图
相邻地下管线的变形监测
• 相邻地下管线的监测内容主要为管线垂直 沉降，其测点布置和监测频率应在对管线 状况进行充分调查，与管线单位充分协商 后确定。
• 调查内容包括以下几个方面：①管线埋置 深度和埋设年代；②管线所在道路的地面 人流与交通状况；③隧道施工过程中地下 管线的预计沉降。
• 这种方法是利用免棱镜自动跟踪全站仪和 专业的断面测量系统软件组成的仪器系统 来实现断面自动扫描，以此进行隧道断面 收敛变形监测。
应力测量
• 应变和应力测量是在隧道的结构物上，焊 接应变计和应力计等一些传感器，根据传 感器测量的结果计算结构构件的轴力和弯 矩，判断结构物的安全性能。
3 地铁盾构隧道监测方案设计
监测内容
• 土体介质的监测。包括：地表的沉降监测、土体 分层沉降和深层位移监测、土体回弹测量、土体 应力和孔隙水压力测量。
• 周围环境的监测。包括：相邻房屋和重要结构物 的变形监测、相邻地下管线的变形监测。
• 隧道变形的监测。包括：隧道沉降和水平位移监 测、隧道断面收敛位移监测、隧道应变和预制管 片凹凸接缝处法向应力测量。
• 施工过程中对各种设施的影响评价。分析隧道项 目施工对周边结构物、管线的影响程度，分析盾 构推进引起的地表位移特征，并估算地表沉降量， 分析隧道本身的变形特征。
• 监测的具体内容。根据具体工程项目和地质的具 体情况，确定监测的具体项目内容，同时，可以 包含对于一些具体施工工艺和参数的测定。
• 监测点的布置。根据收集的资料和踏勘的实际 情况，具体确定监测点的数量和位置，绘制监 测点位分布图。
• 按照监测方案规定的观测频率，用精密水准仪进行测量， 并计算每次观测的地表桩高程。
• 如果地铁盾构隧道上方是道路，在进行道路沉降观测时， 必须将地表桩埋入地面下的土层里，才能比较真实地测量 出道路的沉降。
• 如果地铁盾构隧道上方有地下管线，在监测时，对重点保 护的管线，应将测点设在管线上，并砌筑保护井盖，一般 的管线可在其周围设置地表桩进行监测。
地铁盾构隧道施工变形观测方 法
主要内容
• 概述 • 施工监测内容与方法 • 地铁盾构隧道监测方案设计 • 监测数据整理与分析 • 工程实例
1 概述
概述
• 盾构掘进机是集机、电、液、传感、信息技术于 一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道 衬砌、测量导向纠偏等功能的工程机械。
• 盾构法隧道的基本原理是利用一件有形的钢质组 件沿隧道设计轴线开挖土体而向前推进。
• 地表横向沉陷槽测点按50～80m间距布设一组。
• 沿区间隧道施工影响范围内的主要地下管道上方 地表每隔30m左右布设一个测点。
• 在区间隧道两侧距隧道边线约15m，特别是对隧 道两侧10m范围内地面构筑物进行监测，测点主 要布设在构筑物四角及其周围基础上。
• 在两个测试断面上共布设3个水位孔，5个土体水 平位移孔。
布点方式
• 目前，管线垂直沉降布点方法主要采用间接测点 和直接测点两种形式。
• 间接测点又称监护测点，常设在管线轴线相对应 的地面或管线的窨井盖上，由于测点与管线本身 存在介质，因而测试精度较差，但可避免破土开 挖，可以在人员与交通密集区域，或设防标准较 低的场合采用。
• 直接测点是通过埋设一些装置直接测读管线的沉 降，常用方案有抱箍式、套筒式 。
• 土体应力和孔隙水压力测量主要是采用钻孔埋设 法埋设土应力盒和空隙水压力探头等传感器。
• 利用这些传感器获取土体的温度和水压力，通过 事后计算得到需要的观测数据。
• 这些测点主要埋设在隧道外围。
相邻房屋和重要结构物的变形监测
• 地铁盾构隧道掘进中，对盾构直接穿越和影响范 围内的房屋、桥梁等构筑物必须进行保护监测。
• 监测方法。针对每一项监测内容，提出采用何 种监测方法以及如何实施监测工作，使用何种 监测仪器，并详细阐述使用方法的实施效果。
• 监测频率和报警值的确定。根据规范，结合实 际情况确定每一监测项目的监测频率和报警值。
• 监测的组织结构和质量保证体系。为保障监测 工作的顺利实施和监测结果的准确性，要制订 科学的质量保证体系。
现场监测内容
① 地表沉降和地下管线安全观测。 ② 地面房屋沉降和倾斜观测。 ③ 水位测试。 ④ 土体水平位移监测。 ⑤ 隧道沉降、净空水平收敛监测。 ⑥ 玄武湖公路隧道相关监测及其他盾构机掘
进参数的采集。
测点布置
• 地表沉降点在区间隧道两端各50m范围内及规划 玄武湖隧道、金川河地段沿隧道轴线按10m间距 布设，其余地段按20m间距布设。
图12-8 双孔隧道上方的地表沉降槽和分层沉降的实测曲线
土体回弹测量
• 在地铁盾构隧道掘进中，由于卸除了隧道内的土 层，因而引起隧道内外影响范围内的土体回弹。
• 土体回弹测量就是测量地铁盾构隧道掘进后相对 于地铁盾构隧道掘进前的隧道底部和两侧土体的 回弹量。
• 一般是在盾构前方埋设回弹桩，观测施工过程中 底部土体的回弹量，其具体的测量方法可以采用 精密几何水准测量的方法进行。
（1）成因分析（定性分析）。成因分析是对结构本身 （内因）与作用在结构物上的荷载（外因）以及观测本身， 加以分析、考虑、确定变形值变化的原因和规律性。
（2）统计分析。根据成因分析，对实测数据进行统计 分析，从中寻找规律，并导出变形值与引起变形的有关因 素之间的函数关系。
（3）变形预报和安全判断。在成因分析和统计分析的 基础上，可根据求得的变形值与引起变形因素之间的函数 关系，预报未来变形值的范围和判断建筑物的安全程度。
5 工程实例
工程概况
• 南京地铁一号线盾构15标沿途穿越金川河、 玄武湖隧道、龙蟠路隧道、廖家巷密集建 筑群、南京古城墙等及众多地面建筑和地 下管线；
• 该区间隧道上覆地层为冲积层、残积层和 风化岩层因此工程施工难度很大；
• 为了保证盾构机推进时的安全，防止周围 已建构筑物的安全，必须对其进行监测和 分析。
图12-3 各种盾构掘进机的支护面板
图12-4 土压平衡盾构工法和盾构结构示意图
图12-5 土压平衡盾钩掘进机
图12-6 泥水加压平衡盾构掘进机
图12-7 泥水加压平衡盾构掘进机工法示意图
监测的主要作用
（1）监测和判断各种施工因素对地表变形的影响，提供改 进施工的方法和减少地面沉降的重要依据；
施工监测管理
（1）工程施工前，根据现场的实际情况(尤其危房建筑)及工 程的施工进度，编制详细的监测实施作业计划及其相应的 保证措施，作为施工生产计划中的一项重要内容，同时报 请监理工程师和业主批准。
（2）成立专门的监测小组，保证监测人员有确定的时间、 空间和相应的监测工具，确保监测成果及时准确。
（3）施工监测紧密结合施工步骤，测出每一施工步骤时的 变形影响，同时计算出各测点的累计变形。
地表沉降监测
• 地表沉降监测是采取精密水准测量的方法测量地铁盾构隧 道上方地表的标高。
• 在沉降测量区域埋设地表桩，地表桩一般沿盾构隧道的轴 线每隔3～5m设置一个，同时，适当布置几排横向地表桩， 便于测量盾构施工引起的横向沉降槽的变化。
• 在远离沉降区域，并沿地铁隧道方向布设监测基准点，并 进行基准点联测。
• 这个钢质组件在初步或最终隧道衬砌建成前，主 要起防护开挖出的土体、保证作业人员和机械设 备安全的作用，同时还承受来自地层的压力、防 止地下水或流沙的入侵。
• 隧道拱内圈的空洞由盾构本体防护，同时还需要 其他辅助措施对工作面进行支护。
图12-1 盾构掘进机示意图
支 护 土 体 方 法 和 相 匹 配 的 盾 构 类 型 示 意 图
土体沉降和深层位பைடு நூலகம்监测
• 监测盾构施工引起的土体分层沉降和深层位移量 可了解土层被扰动的范围和影响程度。
• 土体分层沉降是指土层内离地表不同深度处的沉 降或隆起，通常用磁性分层沉降仪量测。
• 土体深层位移是指土层不同深度的水平位移，通 常采用测斜仪进行测量。
• 土体沉降和深层位移监测都是在隧道两边或底部 钻孔预埋测管，两者可共用一个测管。
• 埋设回弹桩时，要利用回弹变形的近似对称性， 应埋入隧道底面以下20~30cm，根据土层土质的 情况，可采用钻孔法或探井法。
土体应力和孔隙水压力测量
• 对土体应力和孔隙水压力测量，能了解盾构的施 工性能，了解盾构的施工对土层的扰动程度以及 预测固结沉降量，可及时调整施工参数，减少对 土层的扰动。
• 建筑物的变形观测可以分为沉降观测、倾斜观测 和裂缝观测三部分内容。
• 沉降观测的观测点设在基础上或墙体上，另外在 构筑物外的表面上和构筑物底板上有时也需设一 些观测点，用精密水准仪进行测量。
• 构筑物倾斜监测可采用经纬仪测量方法，也可在 墙体上设置倾斜仪，连续监测墙体的倾斜。
• 构筑物的裂缝可用裂缝观测仪测得。
（2）根据前一段的观测结果，预测下一段的地表沉降和对 周围建筑物及其它设施的影响；
（3）检验施工方法是否达到控制地面沉降和隧道沉降的要 求；
（4）研究土壤特性、地下水条件、施工方法与地表沉降的 关系，作为将来设计的参考依据；
（5）通过施工监测可取得减少沉降、减少保护工程费的效 果；
（6）保证工程安全，减少总造价。
（1）正常施工情况下的具体监测要求，如不同的施 工工艺对各项变形的限差等；
（2）施工区域土壤及地下水情况； （3）隧道施工影响范围内现有房屋建筑、各种构筑
物的形状、尺寸、与隧道轴线的相对位置； （4）隧道填埋的深度； （5）双线隧道的间距或施工隧道与近旁大型、重要
公用管道的间距； （6）隧道设计的安全储备系数。
（4）监测人员及时整理分析监测数据，绘制各种变形和时 间的关系曲线，预测变形发展趋向，及时向总工程师、监 理和业主汇报，若发现异常情况，随时与监理、业主联系， 采取有效措施，做好预防。
（5）根据监测结果及时调整施工步骤及采取相应的技术措 施，确保施工及周围环境的安全。
2 施工监测内容与方法
监测依据
（2）实地进行踏勘 实地进行踏勘主要是进行施工影响范围内结构物 和管线的调查。调查管线的位置、种类、大小； 结构物形状以及其是否有裂缝等情况。调查的主 要目的是便于观测点的布置和施工对其影响的评 价。
方案设计的内容
• 工程项目概况。主要介绍工程项目的基本情况和 施工区域内的地质情况。
• 监测的目的和意义。详细阐述监测对安全施工、 保障人民财产的重要性以及进行各项科学研究的 重要意义。
• 目前，为了能够连续准确地监测到隧道的沉降及 水平位移变形情况，可采用具有先进功能和高精 度的自动跟踪全站仪进行观测。
隧道断面收敛位移监测
• 常规收敛位移监测采用收敛计进行测量， 但最大的问题是重复精度不高，而且因操 作人而异；其次是工作量大，效率低。
• 目前，用断面自动扫描的方法进行隧道断 面收敛变形监测。