土木工程监测技术-地铁盾构隧道施工监测.doc

第五章地铁盾构隧道施工监测

贯穿北京的地铁五号线上海地铁一号线正线总长16.1公里
全线设置13个车站，总投资40亿元。
§5-1盾构概述

复合式直径6.14米盾构掘进机

一、盾构隧道的用途

盾构隧道机械化程度高，对地层的适应性好，广泛应用于：

水底公路隧道

延安东路隧道北段延安东路隧道南段

城市地下铁道

新加坡隧道施工上海地铁区间隧道

大型市政工程

3640盾构亮马河北路坝河污水截流管工程
污水工程盾构段

二、盾构隧道的施工过程

三、盾构基坑监测目的

在盾构隧道施工中需进行监测是因为：

●穿越地层的地质条件千变万化；

●岩土介质的物理力学性质异常复杂；

●勘察的局部的和有限的；

●对岩土物理力学性质认识的不确定性和不完善性；

●沉降预估理论的不准确性。

施工监测的主要目的：

●及时反馈，改进施工工艺和参数，减少土体的变形；

●预测土体变形，为是否或怎样保护地面建（构）筑物提供依据；

●控制隧道和地面建（构）筑的沉降在允许的范围内；

●研究不同地层条件下施工工艺对土体变形的影响规律；

●研究地表沉降和土体变形的分析计算方法等结累数据；

●发生工程环境责任事故时，为仲裁提供证据；

●验证结构的安全性和设计的合理性。

§5-2盾构隧道监测的项目和方法

表5－1盾构隧道施工监测项目和仪器
监测对象
监测类型
监测项目
监测元件与仪器
隧道结构
结构变形
(1)隧道结构内部收敛
收敛计，巴塞特系统
(2)隧道、衬砌环沉降
水准仪，全站仪
(3)隧道洞室三维位移
全站仪
(4)管片接缝张开度
测微计
结构外力
(5)隧道外侧水土压力
压力盒、频率计
(6)隧道外侧水压力
孔隙水压力计、频率计
结构内力
(7)轴向力、弯矩
钢筋应力计或应变计、频率计
(8)螺栓锚固力
锚杆轴力计，频率计
地层
沉降
(1)地表沉降
水准仪
(2)分层土体沉降
分层沉降仪、频率计
(3)盾构底部土体回弹
深层回弹桩、水准仪
水平位移
(4)地表水平位移
经纬仪
(5)深层土体水平位移
测斜管，测斜仪
水土压力
(6)水土压力(侧、前面)
土压力盒、频率计
(7)地下水位
水位井、标尺
(8)孔隙水压
孔隙水压力计、频率计
地面建(构)筑物，
地下管线
铁路、道路
(1)沉降
水准仪
(2)水平位移
经纬仪
(3)倾斜
经纬仪
(4)建(构)筑物裂缝
裂缝计

●盾构隧道施工监测的对象：

土体介质--隧道结构--地面周边环境。

●盾构隧道施工监测的部位：

地面建(构)筑物--地表--土体内--隧道结构。

●盾构隧道施工监测的类型：

(1)建筑物和管线及其基础等的沉降和水平位移；

(2)土体的沉降和水平位移（地表和土体内）；

(3)地层水土压力和水位变化；

(4)盾构隧道结构内力、外力和变形。
§5-3盾构隧道监测方案的设计

盾构管片钢筋应力计

盾构管片土压力盒

一、监测项目的确定

监测项目的选择要考虑的因素：

(1)工程地质和水文地质情况；

(2)隧道埋深、直径、结构型式和施工工艺；

(3)双线隧道与临近隧道或管道的间距；

(4)地面临近建（构）筑物的尺寸、位置、结构特点等；

(5)设计提供的变形及其它控制值及其安全储备系数。

(6)工程的具体情况和特殊要求。

表5－2盾构隧道基本监测项目的确定

二、施测部位和测点布置的确定

地表变形和沉降监测点的布置（前100米首推段）：

●沿轴线布设纵监测剖面，垂直轴线布设横监测剖面；

●纵监测剖面上测点间距小于盾构长度，约为3～7米；

●沿轴线每隔20～30米布设一个横监测剖面；

●横剖面上按距轴线2，5，9米递增布设测点；

●横剖面上测点布设的范围为2～3倍盾构外径；

●在该范围内的建筑物和管线等也需监测其变形；

●根据以上监测结果可绘制纵、横断面的地表变形曲线。
布设实例见图5－2

地表变形和沉降监测点的布置（正常段）：

●测点沿轴线布设，间距小于盾构长度，约为3～7米；

●监测距隧道轴线2～3倍盾构外径范围内的建筑（构）物的变形。

其它监测项目的布设：

●土体分层沉降测孔一般布置在隧道中心线上；

●土体深层水平位移沿盾构中心线前方和两侧设测孔；

●土体回弹测点设在盾构前方一侧的盾构底部以上土体中；

●隧道沉降每10～15个衬砌环设置一个沉降点；

各种类型的水位观测井见图5－3。

三、监测频率的确定
L=-20米～w+30米：1次/天；

其中：L=-D米，t<3天：加密到2次/天；
L=w+30米，t>3天：1次/天；
L>w+30米，t>3天：1～2次/周。

注：-盾构切口前后，+切口后；
D、w盾构直径和长度。

四、盾构推进引起的地层移动特征及估算方法
★盾构推进引起地层移动的因素（如图5－4）：

主观因素：
盾构型式、辅助工法、衬砌壁后注浆、施工管理情况等；
客观因素：

隧道线型、盾构外径、埋深等设计条件；
土的强度和变形特性、地下水位等地质条件。

★地层移动特征

L=l3m～(H+D)m，地下水位下降引起的前期固结沉降；

近切口处，欠挖导致地表隆起，超挖导致地表沉降；

从切口到达至盾尾通过，土体扰动后引起的沉降；

盾尾通过后，盾尾间隙的沉降；

后期沉降，地层扰动引起的次固结沉降。

注：H为隧道上部土层的覆盖深度。
★地表沉降的估算

地表沉降的估算方法主要有派克法、有限元法和考虑固结因素的派克修正公式。
(1)派克(Peck)法
假设：沉降槽的体积等于地层损失的体积；
地层损失在隧道长度上均匀分布；
地面沉降的横向分布为正态分布，如图5－5所示。

地表沉降槽的横向沉降量分布公式：
（5－1）
式中：s(x)-沉降量；

Vi-沿隧道长度的地层损失量；

x-距隧道中心线的距离；

i-沉降槽宽度系数，即隧道中心至沉降曲线反弯点的
距离。

地表沉降槽的纵向沉降量分布公式（如图5－6）：

(5-2)
式中：s(y)－沉降量(m)；
y、yf－分别为沉降点和盾构开挖面至坐标轴原点o点的距离(m)；
yi－盾构推进起始点处盾构开挖面至原点o点的距离(m)；
L－盾构长度；；；
Vi1－盾构开挖面引起的地层损失；
Vi2－盾尾空隙压浆不足及其它施工因素引起的地层损失；

(2)竹山乔实用公式
用弹性介质有限元法分析得出的地表沉降估算公式：

(5-3)
式中：H－隧道的覆盖深度(m)；
D－盾构外径(m)；
－多层土的等效平均弹性模量。
Rowe和Hack提出的间隙值g与地层损失的关系：

(5-4)
式中：Dm为隧道外外径(m)。
盾尾通过后周围土体向隧道外周位移，
由此引起地表沉降曲线与正态分布曲线基本相似。
(3)考虑固结因素的Peck修正公式
假设盾尾压浆引起固结沉降为：

(5-5)
式中：－隧道顶部超孔隙水压力的平均值(MPa)；
－土骨架的平均压缩模量(MPa)；
H－盾构埋深(m)；
－固结沉降量(m)。
由固结沉降而引起的单位长度地层损失量为：

距隧道中心线x处在t时间内的固结沉降量为：

(5-6)

式中：－隧道顶部土体加权平均渗透系数(m/d)。
考虑施工因素和固结因素，则沉降量s(x+t)的计算公式为：

(5-7)