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盾构施工测量与监测

一、施工测量
测量是盾构推进轴线与设计轴线一致的保证，是确保工程质量的前提和基础。采用定位技术完成对业主所给导线网、水准网及其它控制点的检核。在盾构机上配备 导向系统指导盾构机推进，降低人工测量的频率。同时，严格贯彻二级测量复核制度，精测组精测并交桩于工程项目部测量组，工程项目部测量组复核并负责施工放样测量，确保隧道贯通精度。
1、地表控制测量
我方中标后，立即组织精测组根据业主提供的工程定位资料和测量标志资料，对所给导线网、水准网及其它控制点用定位技术进行复测；同时测设施工过程中使用的固定桩，并将测量成果书报请监理工程师及业主审查、批准。
（1）引测近井导线点
利用业主及监理工程师批准的测量成果书由精测组以最近的导线点为基点，引测至少三个导线点至每个端头井附近，布设成三角形，形成闭合导线网。
（2）引测近井水准点
利用业主及监理工程师批准的水准网，由精测组以最近的水准点为基点、将水准点引测至端头井附近，测量等级达到国家二等。每端头井附近至少布设两个埋设稳定的测点，以便相互校核。

2、 联系测量
（1）平面坐标传递
用陀螺定向法将地面坐标及方向传递到竖井隧道中，见下图。
陀螺法坐标传递示意图
用逆转点法测出地面上和井下Z1Z2的陀螺方位角。
用全站仪做边角测量，测出L1、L2、L3、L4、L5、L6的边长及∠1、∠2、∠5、∠6、∠7的角度。利用空间三角关系计算∠3、∠4的角度，再结合控制点C的坐标推算出Z1、Z2、Z3三点的坐标。以Z1Z2、Z3Z2起始边作为隧道推进的起始数据。在整个施工过程中，坐标传递测量至少进行三次。
（2）高程传递
用检定后的钢尺，挂重锤10用两台水准仪在井上井下同步观测，将高程传至井下固定点。用6～8个视线高，最大高差差值≤2，整个区间施工中，高程传递至少进行三次。
3、地下控制测量
（1）地下平面控制测量
先以竖井联系测量的井下起始边为支导线的起始边，待明挖区间（盾构始发井）与中间风井连通后，立即进行贯通测量以明挖区间的左右线中线为支导线的起始边，沿隧道设计方向布设导线，直线段导线边长≥200m，曲线段导线边≥100m布设一点。导线采用左右角观测，圆周角闭合差≤2″。
（2）地下水平测量
以竖井或盾构井传递的水准点为基准点，沿隧道直线段每100m左右布设一固定水准点，曲线段每50m左右布设一个。按国家三等水准测量规范施测，相邻测点往返测闭合差≤3，全程闭合差≤12√（L为全程长度，单位：）。
（3）贯通后的控制测量
盾构到达吊出井后，联测车站的中线和水准点，并进行平差，为精密铺轨提供具有一定精度和密度的导线点与水准点。
4、盾构推进测量
（1） 导向系统主要组成部件
① 目标单元
此单元由接收激光束的光靶传感器和部分数据处理单元组成，用来测量以激光为参考的盾构机切口环的垂直和水平位移、激光入射水平角、盾构机切口环的仰角及滚动角。
② 控制单元
操作人员的显示屏及微机系统，用来数据输入、计算并将计算所得的盾构机位置偏差值显示在操作室屏幕上，指导盾构机操作人员准确操作。
③ 接口单元
是由激光发射装置、经纬仪、电子测距仪组成的经纬仪组合单元，它发射激光束，以此作为测量的基准。
（2）盾构机初始位置的测定和输入
用常规测量方法将盾构机切口环的仰角、滚动角、水平角三个数据测出，并将目标靶单元相对于盾构的位置（X、Y）测得并输入控制单元。
（3）经纬仪的坐标（X、Y、Z）的测量及经纬仪的安置
隧道直线段每50米左右、曲线段每20米左右要重新安装接口单元，使发射的激光束能够被目标单元有效接收，同时，用人工测量方法测出经纬仪的坐标（X、Y、Z），输入控制单元，作为计算盾构机位置偏差的标准。
（4）导向系统导向
导向系统以安装在隧道壁上的激光经纬仪发出的激光为基准，接口单元把激光数据、距离、经纬仪的坐标（X、Y、Z）与控制系统发生联系，并输给控制单元。
目标单元接受激光束，测出光点在靶上的位置（X、Y），靶单元计算出自身轴线与激光束的轴线关系、盾构机的仰角和滚动角，这些数据通过电缆输给控制单元，控制单元中的计算机系统计算时考虑靶单元与盾构机轴线的安装误差，计算出靶单元对应的地方盾构机轴线与隧道设计轴线偏差位置（X、Y通过盾构机实际轴线与隧道轴线的夹角关系，预测出盾构切口位置（X、Y）偏差。这些数据显示在盾构机操作屏上，盾构机操作人员以此来调节盾构推进方向。
5、测量精度控制措施
（1）严格执行项目部二级测量复核制度。
（2）项目部测量组由经验丰富、有合格资格证的技术人员担任，并配备足够数量、符合精度要求的测量仪器。
（3）所使用的测量仪器要定期到国家认可的检定部门进行检校。
（4）测量放样的有关数据，要记录完整、清晰，并报监理工程师核对。
（5）项目部测量组每周按监理工程师要求时向监理工程师提交测量报告。

二、施工监测
施工监控量测是施工决策与管理的信息源与控制对象。它对于城市地铁安全施工极其重要。监控量测要做到安全、经济、快速。其运行状态与质量直接关系着工程的安全与质量。
1、监测目的
了解和掌握盾构施工过程中地表隆陷情况及其规律性；了解盾构掘进过程中因地表隆陷而引起的房屋及其它构筑物下沉及倾斜情况；了解明挖和矿山法施工时对地表及周围建筑的影响，确保建筑物、地下管线的安全；保证整个工程安全顺利进展；了解施工过程中地层不同深度的垂直变位与水平变位情况；了解施工过程中水位变化情况；了解围岩与结构物的相互作用力以及管片衬砌的变形情况，实现信息化施工。
2、监测管理与组织机构
针对本工程监测项目的特点建立专业组织机构，由我公司技术开发部派驻现场2～4人组成监控量测及通息反馈小组，成员由多年从事地下工程施工及监测工作的技术人员组成，组长由具有丰富施工经验，具有较高结构分析和计算能力的工程师担任。监测小组根据监测项目分为地面和地下两个监测小组，各设一名专项负责人，在组长的领导下负责地面和地下的日常监测工作及资料整理工作。监测组织机构及分工见下图：
组长：
负责监测工作的组织计划、外协及监测资料的质量审核
地面监测小组：
1） 地表隆陷、地下管线沉降观测
2） 地面建筑沉降及倾斜监测
3） 土体水平位移监测
4） 土体垂直位移监测
5） 地下水位监测
地下监测小组：
1） 拱顶下沉监测
2） 净空水平收敛监测
3） 围岩压力量测

4） 管片衬砌变形监测

3、盾构区间隧道施工监测
（1）地表隆陷监测开挖面周围的地表进行隆陷监测，并分析其变化规律，反馈到盾构机，通过优化掘进参数进一步控制地表变形。监测点的合理布置、监测数据的精确可靠是控制地表隆陷的关键。
① 测点布置
沿线路方向每隔一定距离S（S与隧道埋深H有关，见下表）布设一个监测横断面。在监测横断面上沿垂直于线路中线的方向在地表设4～8个测点，间距5～8m，测点数量及间距可根据埋深大小及地质情况具体选定。测点顶突出地表5以上，注意保护测点不被破坏和人为移位。测点布置横断面见下图：
② 监测方法
采用全自动电子水准仪和铟钢尺等高精度仪器进行地表隆陷监测。在盾构机到达前1次/天；盾构到达时2次/天；盾构过后1次/1～2天，每周进行一次后期观测，直至隆陷值稳定。可根据施工条件和隆陷情况增加或减少观测次数。随时将地表观测情况报告给施工人员。
（2）地面建筑物监测
对盾构隧道施工影响范围内的地面建筑物进行位移和倾斜等变形监测，控制其变形在安全范围以内。
① 测点布置
在每幢建筑物的每个角上分别设置1～2个沉降和倾斜观测点。
② 测量方法
采用全站仪、自动电子水准仪和铟钢尺进行测量，在盾构机开挖面附近每天观测一次，每周进行一次后期观测直至沉降稳定。当测量值较大或监理工程师有要求时，需增加观测频率。
（3）地下管线监测
施工影响范围内地层不同程度的沉陷，可能会引起地下管线的变形、断裂而直接危及其正常使用，甚至引发灾难性事故，因此需对地下管线进行严密监测。
① 测点布设
沿隧道轴线施工影响范围内的主要管线上方地表纵向每隔5m布设一个测点。
② 监测方法
采用全站仪、自动电子水准仪和铟钢尺进行测量，在盾构机开挖面附近每天观测一次，每周进行一次后期观测，直至沉降稳定。
（4）地中垂直水平位移监测
在离始发井约50m范围的监测试验段内进行该项监测。
① 测点布设
在试验段内的Ⅲ（Ⅱ）、Ⅳ类围岩中各选一个断面，在隧道中线顶部地层中各布设一个垂直位移测孔，两侧各布设一个水平位移测孔。 测孔布置见下图。

量测主断面测点布置图

② 监测方法
采用50型分层沉降仪和沉降管等对垂直位移进行监测，采用倾斜测试仪和测斜管对水平位移进行监测。
（5）地下水位观测
① 测点布设
在试验段内的Ⅲ（Ⅱ）、Ⅳ类围岩中各选取一个断面，在隧道两侧施工影响范围内，水文地质条件在施工过程中可能有变化的区域布设测孔各1个，其位置见“量测主断面测点布置图”。
② 监测方法
采用水位观测仪及水位观测管等进行观测，其观测频率与地中垂直位移观测相同。
（6）围岩压力监测
① 在试验段内的Ⅲ、Ⅳ类围岩中各选取一个断面，与主断面相对应，测点布置于盾构管片与围岩之间，见“量测主断面测点布置图”。
② 监测方法
采用钢弦式压力盒及1型频率接收仪量测，在埋设初期1次/天；10天后1次/2天；1个月后1次/周。
（7）管片变形监测
① 测点布置
每10环管片设1个监测面，每个监测面布设5个测点。测点采用贴片固定在管片内侧（不破坏管片），其布置见“量测主断面测点布置图”。
② 监测方法
采用全站仪进行三维监测，注浆后3天内2次/天，3天～10天1次/天，10天后1次/2天，1个月后1次/周。
（8）联络通道监测
为了解通道施工区附近地层变化情况以及附近建筑物和管线的影响程度，在施工区上部地面布设地表沉降监测点。
① 测点布设
地表沉降点沿通道的中线，每隔5m布设一个纵向观测点，监测范围为80m。
为确保通道施工安全，掌握围岩位移情况，在通道内沿通道轴线每隔3m布设一组测点，观测拱顶下沉和水平收敛。其布置见下图。

② 监测方法
通道内拱顶下沉和水平收敛量测，自通道钢管片打开后1次/天。拱顶下沉采用全自动电子水准仪，水平位移采用数显式收敛计进行量测。
在通道施工期间，其上部地表沉降监测频率初期为1～2次/天，后期1～2次/3天；在沉降速率较大时加密观测次数。
4、明挖结构施工监测
（1）基坑围护结构变形监测
围护结构变形监测采用测斜管、测斜仪，测量每一个点的连续变形情况。测斜管安装在支护钢筋笼中，随钢筋笼浇筑在砼中，测量测斜管导槽方位、管口坐标及高程，及时做好孔口保护装置，作好记录。变形量测采用测斜仪，将测头插入测斜管，沿导槽自孔底开始每隔一定距离测量一次。位移的初始值采用基坑开挖之前连续三次测量无明显差异读数的平均值。开挖阶段，每天测1次，当侧向位移明显增大时，加密观测次数，并及时采取措施减缓变形的发展。变形趋于稳定后，每周测1～2次。
（2）地表下沉监测
测点在基坑四周每10m布置三个测点，离基坑边分别为1m、5m、10m。测点要稳固，用精密水准仪和铟钢尺进行量测，开挖过程1次/天，稳定后2次/7天。
（3）地下水位监测
在距基坑外侧5m左右布设地下水位观测孔，监测基坑开挖期间地下水位变化。水位观测孔采用地质钻机钻孔，孔径φ128，钻孔深度为基坑底面下2m，用钢尺量测地下水位。
（4）钢支撑轴力监测
在各个施工阶段及地质变化较大部位的钢支撑上粘贴表面应变计，测量监测其轴力因基坑开挖而产生的变化。当轴力大于设计值时，加强监测，必要时采取措施，增加支撑数量。
5、矿山法区间隧道施工监测
（1）围岩与支护状态的观察
① 洞室开挖后，立即进行工程地质状况的观察记录和地质描述，对拱架支护状态进行观测记录。这有助于判断围岩稳定性和预测开挖面前方的地质条件，并为地层超前支护提供真实的地层资料。
② 初期支护完成后，进行喷层表面观察、记录和裂缝描述，若发现初期支护有不稳定趋势，及时采取补强措施，并为后续工程提供支护改进参数。
（2）地表沉降监测
① 测点布置
在地表沿隧道轴线方向每10m设一个量测断面，每断面对称布置7～11个测点，中线方向每10m布设一个测点，测点为埋入地表下一定深度的钢桩，并用砼固定，以保证其不移动、不丢失，如下图所示：

② 量测方法
利用精密水准仪和铟钢塔尺。按照一定的量测频率和时间进行观测，并做好记录，绘制散点图。在便于长期保存的稳定位置埋设基准点，进行水准布网，测得量测点初始读数。
③ 量测频率
当开挖面距量测断面前后距离小于2倍开挖洞径时，每天对该断面量测点观测1～2次；当距离小于5倍洞径时，每2天观测1次；当距离大于5倍洞径时，每周观测1次。
（3）地中位移量测
① 仪器安装与埋设
在有代表性地段设断面进行监测布点，每断面布点2～3个，用潜孔钻机钻出φ120的孔，孔深比设计要求深20～30。安装位移计前将孔冲洗干净，并检查钻孔的位置方向、孔深，钻孔轴线偏差不大于3o，仪器在现场按设计要求的长度组装，一次整体运到孔位处装入孔中，孔洞用水泥砂浆密封固定。
② 监测方法
仪器安装稳定后，用频率计观测读数，测取初始值，初始值为多次测读，待读数稳定后取3～5个数的平均值。在施工的不同阶段，按照一定的频率测取读数，列表计算位移量的增加值和累加值。
③ 监测频率
当开挖面距量测断面前后距离小于2倍开挖洞径时，每天对该断面量测点观测1～2次；当距离小于5倍洞径时每2天观测1次；当距离大于5倍洞径时，每周观测1次。
（4）初期支护位移量测
① 拱顶下沉量测
沿隧道轴线方向每10m设置一个量测断面，每个断面布1~3个测点，测点采用钢桩预埋在拱顶初期支护中，用精密水准仪和经校验的钢尺进行测量。观测频率同地表沉降。
② 周边净空收敛量测
沿隧道纵向每20m设一个量测断面，该断面与拱顶下沉量测断面为同一断面，每断面设2对测点，采用收敛仪进行量测，通过测微计读取隧道周边两点相对位置的变化，从而计算出该两点在连线上的相对位移值，量测频率同拱顶下沉。
拱顶下沉及收敛测点布置见下图。

（5）围岩与初期支护间的接触应力量测
沿隧道纵向选取有代表性地段设置量测断面，在每个断面的拱顶、拱腰、起拱、边墙、仰拱等处布置15~20个测点，各测点均在初期支护背后埋设钢弦式双模压力盒，配合频率接收仪量测压力值。量测频率同拱顶下沉。
6、监测资料的处理与信息反馈
监控量测资料均利用计算机进行处理与管理。当取得各种监测资料后，随时进行处理，绘制各种类型的表格及曲线图，对监测结果进行回归分析，预测最终位移值，预测结构物的安全性，确定工程技术措施。对每一测点的监测结果根据管理基准和位移变化速度等综合判断结构和建筑物的安全状况。并编写周、月汇总报表。及时反馈指导施工，调整施工参数，达到安全、快速、高效施工目的。
监测工作始于施工，通过数据分析处理，又起到指导施工的作用，其运作过程见下图。

是
施工
施工监测
数据分析
预测变形量
与基准值比较
是否安全
采取技术措施
调整施工参数
否
信息反馈流程图

7、控制标准
（1）地面沉降
盾构法施工引起的地面沉降值：+10～-30
矿山法因施工引起的地面沉降：≤30，地表沉陷槽曲线最大坡度不大于1/300。
（2）管线沉降控制标准
由于水泥砂浆抹口的砼管道对沉降最为敏感，故其允许沉降量可作为地下管线控制的基准。另外，管线的允许沉降量是随着围岩类别的提高而减少。各种常用管线材料在各类围岩条件下的允许沉降值[S]见下表。

管线允许沉降值表

材料
允许拉应力（）
弹性模量×104
[S]（）
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
C7.5
0.055
0.145
82.92
91.54
42.24
C15
0.090
0.220
86.11
95.07
43.87
C25
0.130
0.280
91.74
101.1
46.74
C35
0.160
0.315
95.95
105.93
48.88
C45
0.190
0.335
101.39
111.94
51.66
C55
0.210
0.355
103.55
114.32
52.75
水泥砂浆
0.005～0.01
0.123
27～38
30～42
14～20
Q235钢
38～47
20～21
185～201
204～222
95～103
灰口铸铁
100～200
11.5～16
397～476
438～526
202～243

注：以C10砼弹模的70%取值；在施工过程中，如遇有关部门对管线的沉降有特殊要求时，以其要求为准；初期支护结构相对水平收敛值不大于15~30，趋于基本稳定；建筑物下沉及倾斜：
按《建筑地基基础规范》中规定值执行；砼结构最大裂缝允许值
盾构法：0.15～0.2
矿山法：0.2～0.3。

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