福州电力隧道工程穿越地铁1号线城门站安全监测分析

徐兴芃

(中电建路桥集团有限公司，北京 100086)

1 概述

电力盾构隧道穿越既有线施工不仅需要管理施工的质量，还需要注重对既有线的保护，以及整个施工过程的安全性[1]。在施工过程中，由于地质条件、荷载条件、材料性质、施工条件和外界其他因素的复杂影响，很难单纯从理论上预测工程中可能遇到的问题。因此在区间隧道穿越施工期间，须周期性对周边环境进行监测，及时发现安全隐患，并根据监测成果及时地调整施工方法和采取相应措施[2]。本文以中电建路桥集团在福建省所承建的第一条220kV电缆隧道工程穿越城门站既有线区间为例，采用智能安全监测技术对既有线提前进行安全预警和保护、施工行为判断，保障电力隧道掘进时与地铁既有线始终处于安全状态。

2 电力盾构隧道穿越既有线安全监测分析

2.1 电力盾构隧道穿越既有线安全监测的必要性

2.1.1 既有线安全监测的必要性

《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T 202—2013)、《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911—2013)、《福州城市轨道交通控制保护区管理实施细则(试行)》等对既有线监测保护均提出了具体的要求，当电力隧道与地铁结构物长距离并行且与车站附属人行结构多次交叉时(见图1)，须对既有线保护区范围开展安全监测。

图1 电缆隧道与既有线位置关系图

2.1.2 电力隧道安全监测的必要性

本电力隧道盾构施工掘进的部位会对周边环境产生不同程度的影响。因此，通过及时、准确的现场监测结果判断盾构现有位置、工程结构、周边环境的安全，并及时反馈施工，调整设计、施工参数，达到减少结构及周边环境变形，保证工程安全是有必要的。

该区间电缆隧道位于地铁1号线现有隧道主体结构的水平净距最小约4.0m，下穿城门站2号出入口，接近程度为非常接近，距现有车站出入口最小净距为1.77m。根据该工程的对象特点、工程影响风险等级、外部工程施工作业特点、结构安全保护要求评估,其影响等级为特级，从施工的角度认为十分有必要开展监测工作(见图2)。

图2 电缆隧道与城门站2号出入口剖面关系图

2.2 电力盾构隧道穿越既有线安全预警技术的监测内容

2.2.1 既有线的安全监测内容

在既有线的安全预警技术监测中，一切都以既有线的安全为核心，根据既有线的监测位置划分为地铁隧道、地铁车站、地铁附属建(构)结构，每个位置都有不同的安全监测内容，如地铁隧道的水平位移、隧道拱顶沉降以及地铁车站结构物的位移与沉降等。

2.2.2 电力隧道的安全监测内容

按现有电力隧道掘进过程中所监测项目在作业时对本工程结构安全风险影响的重要变化情况，应采用如地表隆陷、隧道隆陷、邻近建筑物的沉降及倾斜、地下管线、衬砌环变形及接缝张开量、地层有害气体等监测内容，并按照规范进行布点，按照监测频率往复测点。

2.3 电力盾构隧道穿越既有线安全预警技术的监测频率

电力隧道监测范围还要考虑通过既有线这段时间内的监测频率，以推进量10m/d、施工期10d、稳定期100d估算(当最近100d最大沉降速率小于0.02mm/d 时，可认为达到稳定状态)；监测频率按施工期3次/d、稳定期1次/d计算，施工期监测30次、稳定期监测100次估算，共计130次。

2.4 电力盾构隧道穿越既有线安全预警技术的监测报警值

电力隧道盾构区间掘进时，需要对现有掘进隧道、邻近既有线以及周边建筑物速率(累积变化量)超限时进行监测预警。根据规范文件，对既有线、电力隧道、邻近既有线的周边建筑物开展监测，其监测报警值分别如表1～表3所示。

表1 既有线监测报警值指标

表2 电力隧道安全监测报警值指标

表3 周边建筑物监测报警值

3 研究方法

以往对盾构施工穿越既有线监测的方法只停留在数学与物理统计分析层面，从相关领域的研究来看，隧道监测监控作为设计和施工的连接点已经被广大学者所认同。其研究多是从监测项目的内容上，依赖于监测人员通过不同方式与频次来进行。该方法无法完整、准确地表现出各个监测项目对既有线的实时预警，无法实现岩土信息实时感知，也无法在把握掘进参数的同时开展智能决策，导致影响盾构掘进效率。

目前，智能安全监测是主流，同时，由于地质条件等因素，特别是穿越既有线的稳定监测的时效性越来越受到施工方的重视，相较于一般人工监测方法和设备监测方法，采取盾构掘进时立体互动式的智能监测控制方法是研究的主要对象。该方法通过电力隧道穿越既有线过程中盾构设备的土压力、推进速度、出土量、注浆量和注浆压力设定与地面岩土沉降关系进行对比论证分析，正确设定穿越既有线时的影响范围和盾构掘进时的施工参数，采取相应措施减少变形，从而达到安全穿越的目的。

3.1 提前介入并做好资料搜集工作

为了保证本项目穿越既有线路的安全，本电力隧道施工方与既有线运营方、施工方等在穿越施工前应提前介入，高度统一思想，在穿越既有线前进行条件核查会，协同各方踏勘现场，与相关产权(设备、设施)管理单位签订施工协议，并收集周边(地上、地下)管线、设备分布情况及具体位置，与既有线运营方共同采集，掌握监测点初始值，并深入分析与研讨，明确施工过程中的安全风险和专项方案。

提前介入可以有效提高与既有线运营方建立应急联动机制。同时，可以将既有线车站的监测情况向电力隧道施工方做好详细交底。施工方还可以提前对盾构机开展检查和选型，建立施工进度及盾构运行状态等相关情况台账，有效明确既有线运营时段的风险清单，降低了过站时进出人员的安全风险。根据资料及现场搜集调查，现有隧道沿线及周边建筑物情况见表4。

表4 隧道沿线周边建筑物及管线情况

3.2 科学布设监测点

大多数盾构施工方法在对监测点进行布设时，主要以人工垂直方向上的隧道拱顶下沉监测点布设为主，精密水准仪测地表沉降、管线沉降为辅的方式布设，其数据误差大、数据间断不连续、信息处理速度低，难以做到实时发现安全隐患。电力盾构隧道为了保证盾构机沿隧道设计轴线推进，提高盾构施工的精度，保证施工质量，盾构的运行采用地下监测与地上监测系统。

根据本项目的情况，同时依据上述电力隧道监测及既有线监测的安全风险控制报警值的原则，在距离既有线50m的范围内布设地表沉降(含管线)点，建筑物沉降观测点，保证盾构掘进沿中线每5m(即4环)设1组沉降观测点监测断面，每50m(即41环)设1组隧道净空收敛监测断面，沉降观测点每断面设置在拱顶(0°)及拱底(180°)位置，隧道净空收敛监测断面设置在拱腰(90°和270°)处进行布设(见图3)。

图3 隧道内监测断面布置图

盾构机头推进测量采用先进的盾构自动导向系统，主要包括高偏、平偏、方位角、俯仰角、滚动角和切口里程六个参数。盾构机姿态测量为自动导向测量，测量频率根据其导向系统的精度确定，误差一般控制在3mm以内。该方法以自动导向系统为主，同时采用人工测量的方法对自动导向系统的正确性和稳定性进行检核(见图4)。

图4 盾构姿态测量系统示意图

这种多点布设方法有利于随时监控盾构机的姿态以及轴线偏差，并将偏差数据及时反馈到盾构机的中心控制系统，由中心控制系统对数据进行分析，通过对反馈数据与掘进前已输入隧道轴线控制数据的分析比较，将这些数据及盾构设备状态数据反映到盾构操作台，供盾构操作手参考。同时，可将采集到的数据通过数据线传输给地面的电脑监视器，这些数据包括反映盾构姿态、轴线的数据和盾构设备状态的参数，有利于在穿越既有线过程中提前预警，保障穿越时的施工安全。

3.3 动态信息传递

在实际的盾构穿越中，还利用安全监测数据同步地面监测信息的自动化分析，结合盾构机自身的推力、推进速度、出土量以及千斤顶的编组等之间的关系，保持推进坡度相对平稳，控制一次纠偏量，减少对土体的扰动。同时，穿越中的每一次监测数据都及时汇报给施工技术部门，以便于施工技术人员及时了解施工现状和相应区域地面变形情况，确定新的施工参数和注浆量等信息和指令，并传递给盾构推进面，使推进施工面及时作相应调整，最后再监测确定效果，如此反复循环、验证、完善，确保隧道施工安全与质量。

4 安全监测技术的优势

4.1 监测数据的可视性

当监测范围内的监测对象出现了预警值，可以在施工现场的大屏幕内读取相应计算的数值，组织现场监测人员或技术顾问结合现场具体情况进行综合深入分析，对现场施工的安全做出提前判断，提出结论性意见，并向施工方发出警告，令其减缓或停止施工进度，同时继续密切注意周边情况的变化，增加观测频次。同时组织各方召开会议分析监测异常原因采取对应措施，待监测数据趋于稳定时再继续作业。

现场安全预警可视化信息是在穿越既有线施工过程的安全风险状况的直接体现，实施监测的同时进行可视化巡视。与人工监测同监测频率，能够避免监测、巡视脱离的弊端，有效消除安全风险管控的盲区。本项目盾构掘进风险云智能系统平台，可成功对盾构掘进状态及临近既有线和建筑物进行异常感知、连续追踪及智能预判预置，异常信息感知速度1s以内，异常事件响应速度10s以内，预判准确度达到90%以上，有利于对监测数据的全面分析。特别是每日现场巡视工作完成之后，整理现场巡视时所记录的资料(书面记录、影像资料)后，再结合重点巡视监测数据(累计变形量、变形速率双控指标、变形较大的区域)，为监测预警分析提供基础资料。同时根据监测情况对既有地铁稳定性状态进行综合判断，及时通知报告相关各方，提出建议并督促现场采取有效防范措施。

4.2 监测数据的指导性

在电力隧道掘进过程中，还可根据监测数据穿越既有线设定合理土压力，保持开挖面稳定。依据沉降监测数据，控制同步注浆量，及时实施二次补浆，以“匀速、均衡、连续”的原则安全穿越既有线风险点。

①当监测范围内的变形等出现了预警值，盾构操作室可以直接调整掘进的技术参数，如土压、注浆量、推速、轴线等，以免造成地层与盾构机的沉降与隆起。

②监测提前预警时，可以有效控制注浆的位置及压力。由图5可见，2021年4月2日当天，累计隆起值最高约为-1.7mm，经过未来几天盾构注浆量参数的预判调整，隆起的趋势逐级减缓，使得盾构在穿越既有站厅的时间、空间范围内，其沉降、隆起数值控制在合理区间内。若未提前获取监测预警数据，则无法准确获取偏差信息，无法控制盾构掘进姿态，导致注浆压力过大。注浆压力过大一方面会对地层的扰动较大，容易造成地表隆起，另一方面也会使得盾构向注浆位置反方向移动，不利于盾构的轴线控制。所以，监测预警数据的提前获取既有利于注浆压力的控制，还有利于配合调整盾构千斤顶的编组及分区油压的控制。而推进时的及时注浆和对千斤顶选择的正确与否，直接关系到盾构轴线的轨迹安全。

图5 一定时间范围内穿越城门站地铁区间竖向位移的曲线图

③监测数据合理载入盾构风险分析系统，还可以提前使用盾构的铰接装置。当盾构偏离隧洞设计轴线较多、进行小半径曲线施工，盾构姿态极差，或通过调整千斤顶的编组与选择及分区油压控制都较难以达到目的时，可通过开启盾构铰接装置，根据盾构的偏离程度计算盾构中折每一步的转折角度。可先开启盾构的仿形刀进行超挖施工，然后根据计算调整盾构的中折装置，再辅以千斤顶编组及分区油压控制，进行掘进施工，推进时根据盾构姿态的测量数据随时调整中折角度，直到盾构回到设计轴线上来。

④在既有线段工程施工时，建立严密的结构受力、变形、沉降的预警监测体系，对施工过程进行全面的监控，在发生既有结构沉降速率超限时，有利于分析造成既有结构沉降速率超限的原因和采取相应的控制措施，如既有线机构开裂、剥落，包括裂缝宽度、深度、数量、走向、剥落体大小、发生位置、发展趋势等[3]。

4.3 监测数据的新颖性

在穿越既有线的前提下，优化盾构掘进参数，使得安全风险得到提前预警和智能控制是该监测数据最具新颖性的地方。其能在浅埋复杂地层中，对地质信息精细探测及关键参数提取，有效地确定盾构掘进控制参数及典型地层关键监测参量，优化地质条件下盾构高效掘进参数，提高盾构始发和掘进效率。同时建立的盾构掘进在线监控系统及风险智能控制平台，能提高盾构施工安全水平和施工效率。

5 结束语

隧道穿越既有线施工监测是盾构工程的重要环节，特别是邻近既有线的隧道变形和施工风险控制尤为关键。因此，对监测数据的预判和分析则是信息化施工提供反馈信息的重要手段。本文结合福州电力隧道施工过程监测点的布设、盾构数字监测、数值模拟平台进行风险分析，根据变形监测的控制值来提前判断盾构隧道的变化，实时感知、传输与智能化控制、优化控制盾构施工参数，有效控制盾构姿态，指导盾构工程安全高效掘进，验证了预警可视化功能。