盾构隧道施工监测技术及后期数据分析浅谈
2015-05-20
一、工程概况
无锡市轨道交通1号线江海路站～火车站站区间线路长1300m,出江海路站后，在通顺桥前以350m（右线360m）曲线半径向东南偏转，于通顺桥和废弃水闸之间下穿庆丰河（区间下穿段河面宽度22米），再下穿锡澄二村大片居民楼后转至规划海澄路，近距离经过康桥丽景小区后线路以400m（右线410m）曲线半径向西南方向偏转，先后下穿庆丰河（区间下穿段河面宽度27米）、北新河（区间下穿段河面宽度26.5米）、庆丰集团厂房、庆丰里居委会、庆丰小区，垂直下穿锡沪西路后进入无锡火车站站。线路中线间距为13.0～17.3m。隧道断面穿越土层大部分为粉质粘土、粘土层，部分断面上部位于粉土夹粉质粘土层。
本工程采用一台Ф6380的土压平衡盾构， 在江海路站北端头左线组装调试完成后，向广石路站推进，推进结束后调头到右线；在广石路站南端头再次组装调试后，向江海路站推进。
二、监测方案的设计
在地下工程中进行沉降监测，绝不是单纯地为了获取信息，而是把它作为施工管理的一个积极有效的手段，因此监测数据应能确切地预报破坏和变形等未来的动态，施工监测是一项系统工程，监测工作的成败与监测方法的选取及测点的布置直接相关。按以下5条原则进行监测方案的设计：
1、可靠性原则2、多层次监测原则3、重点监测关键区的原则4、经济合理原则5、方便实用原则
2.1监测点的布置
2.1.1地表沉降和隧道沉降
沿两个盾构隧道轴线按5m间距布设地表沉降测点。同时，按30m间距布设地表横向沉陷槽测点，每个断面约9～12个测点。每个联络通道在中间各布置一个断面，每个断面约9个测点，横向间距1～7m。在隧道开挖影响范围内(2倍洞径)的主要地下管线上方地表沿管线轴线按5～10m间距布设地下管线沉降测点。地表及地下管线沉降监测布点应使测点桩顶部突出地面5mm以内。
2.1.2地面建筑物沉降监测
在区间盾构隧道施工影响范围内的房屋承重构件或基础角点、中部及其它构筑物特征部位布设测点。
2.2监测频率和周期
2.2.1监测频率
根据“无锡市地铁一号线GD01TJSG-07标区间设计方案T-55区间隧道监控量测图”监测范围及频率如表5-1。
表监测频率一览表
在区间隧道盾构出洞前布设监测点，取得稳定的测试数据，在盾构出洞后即开始监测，30m范围内监测频率保持每天2次。盾构正常推进后，监测频率基本保持在每天1次。在整个盾构推进施工过程中监测频率可根据工程需要随时调整，以满足现场施工需要。监测测量的周期应满足观测到测点变形达到相对稳定时为止。
2.2.2监测周期
本车工程施工监测总工期以委托方要求的监测开工日期为起点，至隧道施工完毕或施工影响区域内的受影响的建（构）筑物沉降变形稳定为止。沉降变形稳定标准：参照《建筑变形测量规范》JGJ 8-2007相关内容确定，即“当最后100d的沉降速率小于0.01～0.04mm/d时可认为已经进入稳定阶段”。
三、监测结果及其分析
根据以往工程实例，我们把盾构施工引发地表沉降过程划分为如下五个阶段，并根据这五个阶段来对监测的数据进行整理和分析。
第一阶段：盾构到达前较远处盾构距离监测点20m外时，沉降主要为因盾构施工对土层的轻微扰动、路面车辆活荷载碾压以及地下水位下降引起的固结沉降。
第二阶段：盾构到达前较近处盾构距离监测断面20～10m时，因盾构推力对土体扰动影响的进一步加大、地下水位变化、施工参数(如土压、推力等)变化等多方面因素影响，地表产生轻微沉降或隆起。
第三阶段：盾构掘进阶段盾构切口到达监测点时，因盾构刀盘对土体的扰动和盾构参数的设置共同对其地表沉降造成的影响。
第四阶段：盾尾脱离监测点，沉降主要为浆液未及时充填、同步注浆量不足、施工中土体应力状态变化较大等多种因素引起地层损失，这是盾构施工过程中产生地表沉降最主要的组成部分。
第五阶段：固结沉降阶段由于盾构推进中的挤压作用和盾尾压浆作用等因素，土体骨架还会发生持续较长的压缩变形。在此土体蠕变过程中产生的地面沉降为施工后期沉降。
3.1纵、横向地表沉降分析
3.1.1横向地表沉降分析
经过实测数据分析，隧道中线上方沉降量最大，沿两侧逐渐减小，大部分沉降曲线形状基本符合PECK的正态分布曲线。如下图所示：
由上图分析得出，盾构掘进主要影响区域在隧道轴线8m范围内。沉降槽曲线基本沿隧道轴线点呈典型的正态分布,在轴线处的沉降值最大，在隧道洞径范围是沉降的主要范围(距轴线4m处的沉降分别是最大沉降的67%、51%、)；距轴线4～8m为次要沉降区，距轴线6m处的沉降分别是最大沉降的25%、30%、) 距轴线10m外的沉降量小于1mm，12m外的沉降量小于0.5mm。
3.1.2纵向地表沉降分析
在敞开式掘进情况下，在刀盘切口前方约6m（约1倍隧道直径）以外，地面基本无沉降迹象，部分出现轻微隆起趋势（隆起量在2mm左右）；在刀盘切口离开监测点约8m左右开始产生沉降，刀盘切口离开监测点5m至10m（约等于盾构机长度9m）是沉降主要发展阶段，这个范围的地层主要受盾构刀盘旋转及开挖面出土卸载影响，以及盾构机通过时盾壳对围岩扰动的影响，沉降量约占总沉降量的80%以上；刀盘切口离开监测点13~15m后沉降趋于稳定，在这个范围，盾构已通过，对地层的扰动消失，同时，盾尾脱出后产生的围岩与管片间的建筑空隙得到了盾尾同步注浆的及时同步填充，对地层产生了很好的支撑作用，有效地抑制了地层沉降的进一步发展。
3.2建筑物的沉降分析
本区间，盾构隧道主要下穿锡澄二村两栋六层民房，该民房建筑年代久远，为浅基础砖混结构，施工风险较大，这也对沉降监测提出了很高的要求。
锡澄二村房屋沉降统计表
盾构隧道通过锡澄二村产生的影响非常较小，累计沉降值普遍小于3mm，差异沉降不到1mm。由此可见，如果盾构掘进过程中的各项参数的选择合理，就能大大降低施工的风险，说明是可控的。
3.3沉降与掘进土仓压力的关系
（1）掌子面土仓压力的平衡状态变化对开挖面前方的地层影响不大，盾构掘进期间土仓压力总体控制较好。
由掌子面土仓压力的平衡状态变化引起的地表沉降在-3mm左右，沉降数值普遍很小，说明盾构土仓压力设置合理。从总体上看，地表绝大多数表现为下沉，这也说明盾构掘进时土仓压力仍可调整得大一些。一般情况下，盾构土压压力的设置应使盾构上方的地表有略微隆起为好。
⑵在掘进160米后，根据监测结果，修正了盾构掘进参数(土仓压力)，建立有效土仓压力平衡，是控制地层损失、减小地层变位的有效手段。由上图可见，在同等条件下，土仓压力增大则地表沉降减小，甚至有略微的隆起，达到了较好的效果。
在城市盾构施工比例越来越大的今天，上述认识对于盾构隧道沉降监测设计、盾构施工等有使用价值。具有一定的优势以及广阔的应用前景。
