地铁变形监测

地铁变形监测（1） (2010-03-24 19:17:53)

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标签： 分类： 地铁顶管

地铁

盾构

变形监测

变形预测

变形控制

杂谈

地铁工程大都穿越城市繁华地区，埋深浅，地层岩石条件复杂，且多数情况下采用暗挖形式，隧道工程施工和地铁运营期间，自身结构的安全和沿线环境的稳定至关重要，长期进行变形测量是十分必要的。

盾构隧道施工技术随着盾构机性能的改进有了很大发展，但施工引起的地层变形仍不可避免。在市区地下施工，为保护地表建筑物和各类地下管线的的安全，必须严格控制地表的沉降量。从某种意义上讲，能否有效控制地层位移(主要是地面沉陷)是盾构隧道施工成功与否的关键因素之一。盾构法修建地铁隧道引起地层位移的主要原因，包括施工过程中地层的损失、地层原始应力状态的改变、土体的固结与蠕变效应、衬砌结构的变形等。

变形预测：

目前，地层位移预测的主要方法有:经验公式、数值模拟、模型试验研究、专家系统和灰色理论等。专家系统和灰色理论是近年来热点研究课题，是一种变形预测的新思路，但该方法考虑因素繁多，模型复杂，在工程上应用较困难。模型试验方法费用高，可控性差。国内、外盾构法地铁隧道实际量测数据表明，以实际测量资料统计分析为基础的经验估计法，尽管模型简单，但比较实用，能够在设计阶段大致估计出可能产生的变形值大小，对施工有较好的指导作用。

对于盾构隧道，经验公式己经成为预测地层位移的一个重要手段，但它在应用上存在一定困难，表现在经验公式的应用受隧道几何形状、地层条件、施工方法和施工质量等因素的限制，而专家系统提供了解决这一难题的新思路，具体方法是通过总结以往的工程经验和研究成果，提炼出条理化的经验法则，上升到专家系统的知识库，在计算机上模拟专家的推理方式，这样做不仅可以绕过硬科学无法避让的种种困难，而且可以使预测结果更具有现实指导意义。

在研究隧道开挖过程中地层位移的规律方面，数值模拟占据着重要地位。通过详尽的数值分析，总结出地层位移的规律，也是一种极为有效的方法。

变形控制：

盾构法施工引起的地层损失和对相邻结构的破坏，是与施工的具体细节分不开的，因此控制好盾构法施工的各个环节，就能很好地控制地层位移。盾构法施工过程的控制主要包括:

1)盾构机推进

盾构机推进过程中应控制好推进速度，并防止盾构机后退，推进速度由千斤顶的推力和进出土量决定，推进速度过快或过慢都不利于盾构机的姿态控制，速度过快易使盾构机上抛，速度过慢易使盾构机下沉。

2)盾构机姿态和纠偏量的控制

盾构机姿态包括俯仰角、扭转角、水平方位角、切口和盾尾的水平/竖直偏差等参数。影响盾构机方向的因素，包括出土量的多少、覆土厚度的大小、开挖面土层的分布情况、千斤顶作用力的分布情况等。盾构机的前进轨迹一般为蛇形，要保持盾构机按设计轴线掘进，推进过程中一定要及时了解、掌握盾构机姿态，并适时进行纠偏，且控制好纠偏量。

3)土方的挖掘和运输

盾构机施工过程中，必须保持挖土量与排土量的某种平衡关系，否则将会引起地层隆起或沉降。因此在推进过程中，以进、出土量为目标，经常调节盾构机有关设备，使土方的挖掘和运输维持在一定的平衡状态。

4)衬砌管片拼装

衬砌管片拼装过程中，一定要减小盾构机后退，拼装工作的关键是保证环面的平整度，防止因环面不平整造成管片破裂，甚至影响隧道轴线。同时保证管片与管片之间和管片与盾尾之间的密封性，防止隧道涌水。

5)壁后注浆

盾构机外径与衬砌外径大小不等，衬砌管片脱离盾尾后形成的间隙圈，必须及时、足量注浆，否则将造成地层沉降。

综合以上施工环节，可以设定盾构机施工的控制参数。通过参数的优化和匹配，使盾构机达到最佳推进状态，以地层损失小、超孔隙水压力小和对周围土层扰动小为前提，控制地面的沉降和隆起，保证盾构机推进速度快、隧道管片拼装质量好。通常盾构机出发后，都要进行一段距离的试掘进，结合地表沉降等环境变化参数的量测，进行盾构机掘进参数的优化。

地铁隧道通常位于软弱破碎岩层，稳定性差。如果对地铁隧道变形控制不力，将会出现围岩迅速松弛，发生冒顶坍方或地表有害下沉，危及地表建筑物安全。因此，地下铁道在修建和运营期间进行变形观测是完全必要的，通过变形监测随时了解、掌握隧道本身及周围环境的沉降和位移，采取措施防止形变继续，避免危害工程结构和威胁列车运营安全；还可以累积监测资料，分析变形规律，为地铁轨道、设备检修及后续地铁设计、施工提供参考依据。

进行地表下沉观测，能及时了解洞体稳定状态，预测可能发生的危险，保护洞顶附近环境。地表及其建筑物的下沉观测，是在洞顶地面布置沉降观测点，用测量方法定期观测监测点相对于基准点的高差，然后求得监测点的高程，比较不同时期测得的高程，获取地表沉降情况的资料。

隧道结构物发生裂缝，要了解形变现状和掌握发展趋势，必须进行变形监测。根据获取资料分析裂缝产生的原因和对建筑物安全的影响，恰切、及时采取有效措施控制形变。观测频数视裂缝的发展情况确定，一般情况下，裂缝有显著发展变化时，适当增加观测次数;裂缝发展变化缓慢时，适当减少观测次数。隧道结构物受周围所处地质条件和所受外力变化的影响，必会产生沉降和偏移，垂直沉降和水平位移观测宜与裂缝监测同时进行，且监测次数保持一致。

地铁另一项重要的变形监测任务，是对地下隧道结构和车站的长期位移和沉降进行必要的重复观测。已经竣工并交付运营，但有严重病害的隧道、结构复杂的大隧道或采用某些新技术设计施工的隧道，必须进行长期的位移和沉降观测，从而了解、掌握隧道的技术状态和病害的发展变化，分析变形规律或考查、验证新技术的可靠性与稳定性。

地铁工程的安全施工与环境稳定，涉及的条件是多方面的，制定变形测量和施工监测方案要充分考虑施工方法、工作进度、支护质量、作业时间、工程岩石和水文等因素，工程施工前要测量其初始位置，且保证初始值的准确。

运营中的隧道也要进行垂直沉降观测和水平位移观测，用来检核隧道在平面与高程上的稳定性和平整度，确保行车安全。

对每单元变形体进行变形测量，应采用相同的观测线路与观测方法，使用同一仪器或设备，并固定观测人员，以利于减弱系统误差影响，提高观测精度。为便于分析变形原因，有针对性地采取控制措施，观测记录时，应附施工现状、荷载变化、地层岩土条件、气象等情况的简单描述。