1、TBM 过站监控量测技术研究摘要：采用隧道掘进机（以下简称 TBM）是目前城市轨道交通隧道开挖施工的主要方法之一，考虑到 TBM 自身荷载大，可能对隧道及地铁车站结构造成变形，影响结构稳定性。以重庆轨道交通六号线一期大龙山及冉家坝车站监测实践为例，研究 TBM 过站的隧道及车站结构变形特征和主要影响因素，提出 TBM 过站监测方面的见解，为类似工程的变形监测提供一定的参考和借鉴。 关键词：重叠小净距隧道；地铁车站；变形监测 中图分类号：U455 文献标识码：A 1 工程概况 重庆轨道交通六号线大龙山车站为地下四层（局部五层）岛式明挖车站，主体全长 189.7m，宽 26.46m。车站为钢筋混凝
2、土箱型结构，中板板厚 70cm，底板埋深 3235m。重庆轨道交通六号线冉家坝车站为地下五层（局部六层）岛式明挖车站，车站主体全长 227.4m，宽度为29.36m，为地下 6 层岛式车站，中板板厚 70cm，底板埋深约 36.5m。 由于 TBM 要从车站结构中板过站，考虑到设备自身荷载较大，会对车站中板产生较大危害，乃至影响车站结构安全性能，过站的结构中板下层空间采用钢柱支撑的方式，提高结构承载能力。大龙山车站主支撑钢柱（D609 钢管）98 根总重 170.2t、柱间交叉支撑（L1258 角钢）282 根总重 13t，底板和中板预埋钢板和锚栓等预埋件 1176 个。冉家坝车站主支撑钢柱（
3、D609 钢管）118 根总重 208.3t、柱间交叉支撑（L1258 角钢）339 根总重 17.3t，底板和中板预埋钢板和锚栓等预埋件 1368 个。 2 监测目的及监测项目 2.1 监测目的 监控量测工作是整个项目工程的眼睛，不但可以为整个项目的动态设计和信息化管理提供依据，确保施工作业的安全，还可为设计理论的发展积累经验。 （1）掌握 TBM 暗挖隧道对已完成区间隧道的支护结构影响，为日常管理提供信息，保证作业安全。 （2）通过施工现场监测掌握 TBM 过站过程中中板的稳定程度；通过信息反馈及预测预报来优化施工组织设计，指导现场，确保 TBM 施工作业的安全与质量和项目的社会、经济和环
4、境效益。 （3）保证 TBM 过站时影响范围内建筑物正常使用，为合理确定保护措施提供依据。 （4）为项目的管理及时提供准确的信息，以便整个项目管理达到科学、安全之目的。 2.2 监测项目及设备 表 1 监测项目及设备表 序号 监测项目 监测仪器 精度指标要求 1 钢支撑应力 XB-120 振弦式钢筋计 数字式频率仪 0.5%(F.S) 2 裂缝宽度 游标卡尺或裂缝仪 0.02mm 3 中板挠度 SWJ-IV 型收敛计 0.01mm 4 TBM 轴线位移 徕卡 TPS800 全站仪 测角精度为 1“级 距离精度为 1mm 2.3 监测注意事项 投入本工程的所有监测仪器设备必须经过国家计量鉴定部门
5、合法鉴定并且合格后方可投入使用。选择合适的监测手段是进行监测工作的首要任务，是监测项目顺利完成的保证，在选择监测项目手段时应注意以下几个方面的问题： （1） 所采用的测试手段必须是可靠的和已经被工程实践证明是正确的。因为监测成果将直接被用来指导施工。是展开后续工作、调整施工工艺参数和施工作业方案的依据。 （2）监测手段必须简单易行，适应现场快速变化的施工状况。 （3）所采用的测试手段不能影响和妨碍结构的正常受力或有损结构的变形刚度和强度特征。 3 监测关键技术 3.1 钢支撑应力监测 3.1.1 检测仪器安装 对于初支钢架，钢筋计布置在型钢上，在型钢上焊接钢筋计，在焊接钢筋计的时候，注意不能使
6、其温度过高，以免热传导使钢筋计零漂增加，所以要做降温处理。比如在焊接的同时可用湿毛巾或流水冷却水浇，使温度降低，以保证钢筋计的成活率在 80% 以上，且支撑轴力应小于设计值的 80%，超过要发报警文件。注意尽可能使钢筋计处于不受力状态，特别不应处于受弯状态，将钢筋计的导线逐段捆在邻近型钢上，引到外露的测试匣中，布设好后用频率仪进行测试看是否完好，并检查钢筋计的电阻值和绝缘情况，同时做好引出线和测试匣的保护措施。 3.1.2 数据采集 （1）在施加钢筋测力计预应力前，把钢筋测力计的电缆引至方便正常测量时为止，在混凝土浇筑前进行钢筋测力计的初始频率的测量，并记录在案。 （2）施加在钢筋测力计预应力
7、达设计标准后即可开始正常测量。 （3）测试值宜考虑温度变化的影响，要用温度计测量气温，进行温度补偿。 （4）监测频率及数据处理：在埋设初期进行首次初测，TBM 过站时对钢支撑进行实时监测，量测所得钢筋轴力的数值及时绘成轴力、应力变化曲线。 （5）出渣过程中进行跟踪监测直到稳定后（12）次/1 天；10 天后 1 次/3 天；1 个月后 1 次/周；量测所得钢筋轴力的数值绘成轴力、应力变化曲线。 3.2 裂缝监测 TBM 过站时必然导致结构构件的应力调整而可能产生裂缝，裂缝开展状况的监测通常作为其过站和出渣过程中影响程度的重要依据之一。通常采用直接观测的方法，将裂缝进行编号并划出测读位置，观测裂
8、缝的发生发展过程。必要时通过裂缝观测仪进行裂缝宽度测读，主要采用的仪器为游标卡尺，量测频率 12 次/天。监测数量和位置根据现场情况确定。 3.3 中板挠度监测 TBM 过站时对中板产生一定变形，因此需要进行中板挠度监测，量测仪器采用 SWJ-IV 型收敛计，量测精度为 0.01mm。 在中板上每隔 16m 一个断面埋设一组监测点直到车站的末端，每组监测点有 3 个监测值，分别设在左右两条导轨顶面和导轨中心的中板上。在 TBM 过站时，测量中板顶部和底部 3 个测点的距离，即可绘出中板原始挠度；过站后，再进行相同的监测，与原始值进行对比。必须指出，前后两次观测时的量测方法相同，即收敛计悬挂方向
9、相同，钢带尺张紧力调整过程相同，这样可以消除仪器悬挂，调整张力等系统读数，以利提高量测精度。 监测频率：实时监测。 3.4TBM 轴线位移监测 TBM 沿导轨过站时，在轴线方向上可能会出现偏差，因此需要对整个过站时的轴线方向上进行位移监测，测量仪器采用徕卡 TPS800 全站仪，测角精度为 1“级，距离精度为 1mm。 在 TBM 导轨上每个断面布设 2 个监测点，每隔 16m 布设一个断面。在 TBM 过站前对监测点进行坐标初测，待其过站后对监测点进行持续监测，与初始值进行对比，即可得出过站时轴线偏移量。 监测频率：实时监测。 4 监测控制标准及警戒值 4.1 监测控制标准 根据 TBM 设
10、计，主机步进时机头下方作用 350T，纵向作用长度为 2米，水平支撑靴下方作用 250T，纵向左右长度 2.5 米，后支撑作用150T，纵向作用长度为 1.6 米。计算得钢支撑的最大轴力不应大于1200KN；中板上翻梁底最大挠度为 4mm；不利荷载作用下裂缝宽度为0.1mm；步行中线与线路中线偏差不应超过 4mm。 4.2 警戒值及处理措施 当监测数据达到监测控制基准值的 70%时，定为警戒值。 当监测数据达到监测控制基准值的 70%，或发生突变时（即变形曲线明显偏离原始曲线） ，应加强监测频率并及时提供可靠准确的数据，为指导施工作业提供依据。 当监控量测数据达到监控基准值或者超过监控基准值时
11、，应立即停止作业状态，并进行连续不间断的监测，待修正支护参数确保无异常情况后方能继续作业。 5 监测结果及分析 5.1 钢支撑应力监测 在监测数据的基础上，经过计算，绘制出最具有代表性的YDK24+238、YDK24+244 里程断面（即中板第四根钢支撑所在里程）监测情况见图 1。 图 1YDK24+244 断面监测图 从图 1 中可以看出：随着 TBM 步进，钢支撑应力呈现先增后减的趋势，P3、P4 点变化趋势基本一致，并与 TBM 步进吻合。在 TBM 步进到距离该断面 20m 时，钢支撑应力基本不发生变化；TBM 步进到距离该断面10m 时，钢支撑轴力明显增大，说明虽然此时 TBM 还未
12、步进到该里程，但该里程钢支撑已经承担了 TBM 传递到中板下翻梁的压力；随着 TBM 步进，钢支撑受力逐渐增大，当 TBM 机头完全在该里程时，钢支撑受力最大，P3 点最大值为 98KN，P4 点最大值为 89KN，远小于 TBM 自身的重量，也说明下翻梁起到了很好的传递压力作用，保护了中板后期安全。当 TBM支撑靴和后支撑通过时，钢支撑受力明显增大；通过后，应力值呈明显减小趋势，最后趋于稳定。 5.2 裂缝监测 在 TBM 过站前对区间隧道、中板、边墙所有裂缝进行考察，并进行初始宽度、长度监测，并在测量点进行标记。在 TBM 通过时，对相应里程的裂缝进行实时监测，尤其是中板采用裂缝宽度检测仪
13、进行定点、定时连续监测。现取侧墙 L5 裂缝点进行分析。 图 3L5 裂缝宽度变化时态曲线图 从图 2 可以看出，裂缝宽度变化较小，其中 L5 裂缝宽度变化最大值为 0.17mm，裂缝宽度变化最大值为 0.04mm/h，中板基本稳定。 从整体变化趋势可以看出，在 TBM 未到达该里程段时，裂缝基本不发生变化；在 TBM 机头到达该里程时，裂缝宽度发生明显变化，变化速度较大，随后继续发生一定量的变化量；随后支撑靴到达该处后，发生最大的变化量，随着 TBM 支撑靴通过该断面后，裂缝发生明显的收缩现象。说明 TBM 机头对中板主要作用为给予垂直方向的压力，支撑靴对中板作用为侧向施压，导致裂缝发展明显
14、。 5.3 中板挠度监测 当 TBM 步进到距该断面 20m 时开始监测，每小时进行一次监测，直至 TBM 步进到该断面。现取有代表性的 A1 点进行分析。 图 3A1 点中板挠度沉降时态曲线图 从图 3 中可以看出，TBM 通过造成了一定量的中板沉降，其中 A1 点最终累计沉降为 1.41mm，说明 TBM 很大一部分都施加给了上翻梁，钢支撑起到良好的支护作用，最终使得中板未发生较大的变形，中板稳定。 从图 1 中还可以看出，在 TBM 距离监测断面 20m 左右时，其步进对监测断面沉降影响较小，基本不发生变化；当 TBM 步进到距离监测断面10m 左右时，监测点发生明显沉降，但沉降值也较小
15、，在 0.05mm/h 以下；当 TBM 步进到该断面时，沉降速度达到最大，最大值在0.1mm/h0.2mm/h，并持续 34 小时，随着 TBM 步进，中板沉降速度逐渐减小，在 TBM 主要施压部分通过后，中板有小幅回弹，最终趋于稳定。从整体上来看，沉降速度呈现先增后减，先负后正趋势。 6 结束语 通过对中板钢支撑轴力监测、裂缝监测、中板挠度监测，各监测项目变化值均在设计要求范围内，钢支撑对中板起到了良好的支撑作用，TBM 顺利通过大龙山及冉家坝车站，车站中板整体变形量较小，处于稳定状态，标志着 TBM 中板过站技术取得成功。通过本次工程监测实践，在为其他类似工程实施相关监测项目提供了一定借鉴的同时，也使笔者体会到： （1）监控量测工作是整个工程的眼睛，不但可以为整个项目的动态设计和信息化管理提供依据，确保施工作业的安全，还可为设计理论的发展积累经验。 （2）除过关的工程质量外，成熟的监控量测管理体系和管理经验，能降低地下工程安全风险，确保结构安全稳定。 作者简介： 刘家留（1970.2- ）男，本科，2010 年毕业于延边学经济学专业，工程师，主要从事公路隧道及地下工程的施工管理工作。
