轨道交通盾构施工监测技术运用
2023-11-09姚德峰
姚德峰
(北京城建勘测设计研究院有限责任公司,北京 100101)
1 引言
轨道交通线路穿越老城区时,建筑物与施工区间会形成复杂的空间关系,施工人员必须根据相关数据加强分析研究,结合地质水文条件及周边环境,采用合适的施工方法。盾构法是一种在软土和软岩中均能获得良好效果的隧道施工方法,但同时也会引发意外情况。通过全面、准确的监测技术,能够获取相关的变形数据,及时采取有效措施,防止不良影响的进一步扩大。
2 工程概况
郑州市轨道交通5#线工程花园路站—经三路站区间工程,自经三路站西端盾构井始发,沿黄河路向西敷设,至花园路站东端盾构井处接收,区间长度约为643.8 m。河南省供销合作社家属院位于郑州市政六街—政七街间黄河路南侧,建造于20 世纪80 年代初。区间左线侧穿23#楼,最近距离为0.36 m;侧穿11#楼,最近距离2.11 m。右线隧道下穿23#楼、11#楼、综合楼,穿越长度207.890 m。侧穿22#楼,最近距离1.73 m。在竖向空间上,区间右线下穿23#楼、侧穿22#楼,区间隧道顶距离居民楼竖向距离为8.52~9.14 m。右线下穿11#楼、左线侧穿11#楼,区间隧道顶距离居民楼竖向距离为9.18~10.32 m。右线下穿综合楼,区间隧道顶距离居民楼竖向最大距离10.36 m。
3 轨道交通盾构施工监测技术运用
3.1 盾构施工工艺
盾构机由经三路站始发,花园路站接收。为避免盾构刚进洞即下穿既有的居民楼,盾构区间先施工左线,左线施工完成后,再利用左线施工经验指导右线施工。左右线应分别设置试验段,试验段长度为100 m。试验段施工注入克泥效,检验克泥效工法效果,以选取合理的克泥效注入参数和盾构施工参数。在到达风险源前,全面检查和维护盾构机,包括刀具、刀盘、注浆系统、监控系统、密封系统、千斤顶等主要设施,保证机械设备处于良好的运行状态。加强对同步注浆量、浆液质量、注浆压力的控制。盾构推进施工时,及时填充隧道壁后管片空隙,并加强监控量测。在施工中,做到勤量测、速反馈,及时掌握重要建构筑物沉降情况,若监测数据达到黄色预警值时,应加强监测;达到橙色报警值,应立即进行二次补充注浆,直至土体变形稳定,若发现建筑物与地面沉降超限达到红色预警控制值,并且可能出现影响房屋安全的情况,应立即停止推进。区间下穿和侧穿房屋段管片增设注浆孔,采用径向注浆加固。
3.2 监测方案设计
区间接收风险等级为二级,周边环境最大风险等级为一级,根据GB 50911—2013 《城市轨道交通工程监测技术规范》,本工程监测等级为一级,监测范围为工程自身施工及影响范围内的周边环境和岩土体。采用自动化监测与人工监测相结合的监测方式,通过静力水准仪、水准仪、游标卡尺等设备、设施监测建筑物沉降及差异沉降。周边环境监测主要为自动化监测法,辅以人工监测,监测频率应满足监测对象所测项目的重要变化过程。根据设计文件及评估文件要求,在对房屋加固前即进行自动化监测,直至工程完成为止,贯穿于整个施工全过程。自动化监测设计周期为6 个月,人工监测设计周期为8 个月。同时,加强现场巡查管理,着重将家属楼、地下管线、周边道路及地表、裂缝等作为巡查对象,现场巡查频率、周期与人工监测保持一致。当存在勘察未发现的不良地质条件、周边环境发生较大沉降、不均匀沉降造成监测数据异常或变化速率较大等特殊情况时,应立即提高监测频率。科学制定监测控制值和预警管理标准,当监测项目监测数值超过控制值时,应及时采取妥善的处置措施,保证施工过程安全、顺畅。各监测项目的监测点均应在房屋加固前一周完成监测点布设,并进行初始值的采集工作。初始值采集应取3 次测量值的平均值作为各监测项目监测点的初始值[1]。
3.3 自动化监测与人工监测技术结合运用
3.3.1 建筑物沉降及差异沉降监测
因在盾构下穿期间,供销社家属楼风险系数较高,设计要求监测频率较密,人工监测无法保证所需要的日常监测工作,所以,采用自动化监测技术,通过静力水准仪对23#楼、11#楼、综合楼3 栋建筑物进行全天候不间断监测。通过计算机平台进行数据处理,确保在盾构施工期间监测数据反馈的准确性和及时性,如果出现异常状况,能够及时给予科学指导,保证施工安全可控。在23#楼、11#楼、综合楼南侧及23#楼西侧两个单元1 楼地基基础上布设静力水准仪,其他单元全部布设在2 楼区域。各监测项目控制值见表1。
表1 各监测项目控制值
在开展自动化监测时,同步进行人工监测。按照设计文件、安全评估报告及现场情况,监测范围取1.5~2.0 倍隧道埋深,在建筑物四角、新旧连接、高低悬殊、伸缩缝、不同埋设基础两侧和沉降缝等部位,沿外墙间隔10~15 m,或间隔2~3 根柱基布点,且每侧不少于3 个监测点。建筑物内部监测点布置在每根结构柱或承重墙下。同时,在盾构影响范围之外,设置人工水准基准点,用于校核静力水准基准点。监测点埋设要满足相关技术要求,采用预制件进行竖向位移监测点埋设。将外露端顶部加工成球形,标志采用钻孔埋入的方式,用锚固剂把周围缝隙回填密实,严格控制各距离尺寸。埋设测点时,应尽可能避开障碍物,比如,电器开关、窗台线、雨水管等。根据立尺需要,与墙柱面及地面保持一定距离,埋设完毕后,在端头立尺部位做好防腐处理[2]。
本工程自动化监测采用压力式静力水准仪,经过实践验证,该仪器设备具备良好的操作性和精确度。由计算机及相关数据采集管理软件构成信息管理系统,能够实现远程在线监测,进行高效的数据处理和成果输出。通过分析计算各期变形观测点高程值,得到各期阶段变形速率、阶段沉降量以及累计沉降量,遵循监测点稳定性分析和监测点预警判断分析原则,基于平差计算结果,合理判断监测点的有效变动情况,根据阶段变形速率和累积变形量与设计控制值的对比,判断相应警戒状态。如果出现预警,应该结合施工情况和巡查信息,着重检查盾构掘进参数、注浆压力及注浆量等相关方面,通过综合分析得出科学论断,并及时采取有效处置措施。为了提高建筑物沉降及差异沉降的准确性,本工程采用自动化监测与人工监测成果相互校正分析的方法,通过两种监测方法的数据比对与校验,保证监测数据的准确性和全面性,以指导信息化监测施工。
3.3.2 道路及地表沉降监测
盾构隧道穿越及邻近工程,会对地表下方土体进行扰动,从而造成地表变形,甚至开裂、塌陷等事故。根据设计文件要求,本工程花园路站盾构接收端100 m、下穿建筑物范围内在沿隧道轴线上方,每隔5 m 布置1 个地表沉降测点,每隔20 m设1 个监测断面,每个主断面设13 个监测点,测点的埋设要符合相关技术要求。采用几何水准测量的方法进行地表竖向位移观测,并采用天宝DINI03 电子水准仪,通过内置记录软件记录外业观测相关数据。严格按照垂直沉降监测三等技术要求施测,将道路及地表竖向位移监测点纳入附和或闭合路线观测。在特殊情况下,可以采用间视法观测。当水准测量采用闭合水准路线时,可以只观测单程,如果采用附合水准路线,那么则应该往返观测。严格按照观测顺序执行,取2 次观测高差中数进行平差,主水准路线视线长度不能超过50 m,观测前后视的距离较差不能超过2 m,前后视距差累积值不能超过3 m,视线离地面高度不能小于0.3 m。地表沉降监测点布置如图1 所示。
图1 地表沉降监测点
本工程监测点按照三等垂直位移监测精度进行观测,能够达到垂直变形监测要求。在监测开始前、过程中、结束后,都要对仪器设备进行检验,正确设置各项控制参数。如果出现与仪器设备有关的异常结果,要及时进行检验和校正。监测过程中,应做到测站固定、仪器固定、人员固定,在标尺分划线成像稳定的条件下进行观测,同时,还应注意外部环境的影响,保证仪器温度与外界温度的一致性。数字水准仪的望远镜要避免太阳直射,不得遮挡视线。如果出现较大振动,要适当增加重复观测次数。每测段往测和返测的测站数应该为偶数。当从往侧转向反侧时,注意仪器设备的重新整置。完成附和或闭合路线时,注意检查电子记录的附和或闭合差情况。观测完成后,形成原始电子观测文件,使用专业水准网平差软件严密平差,平差后数据应该精确到0.1 mm,最后得到各点高程值。通过高程值计算沉降数据,得到道路及地表沉降情况,分析施工活动的影响程度和影响范围[3]。
3.3.3 地下管线沉降及差异沉降
按监测断面间距5~15 m 布点,在位移变化敏感处、变径处、拐弯处单加测点。对于埋设在3 m 及以上的管线,可采用位移杆法侧埋至管底旁的测点形式;对于埋设在3 m 以下的管线,将位移杆底部埋至管线上方2 m 左右。如果2 条管线外皮水平距离在2 m 之内,可以按1 条管线处理;2 条管线外皮水平距离大于2 m 时,应分别考虑各布点。观测点埋设时,有检查井的管线应打开井盖,直接将监测点布设到管线上或管线承载体上;无检查井的管线可在对应的地表埋设间接观测点。管侧土体竖向位移测点布设在管线旁边,测杆深度应与管外底标高持平。管线竖向位移测点埋设时,应注意准确调查核实管线位置,确保测点能够准确反映管线变形。采用钻孔埋设方式测点埋设前,应探明有无其他管线,确保埋设安全。地下管线沉降及差异沉降监测方法、数据采集及分析处理同道路地表沉降监测相关内容,通过变形观测点各期高程值,计算各期阶段沉降量、阶段变形速率、累计沉降量等数据。
4 结语
轨道交通施工需要穿越复杂的地质条件,尤其是在旧城区、老建筑区域更容易产生安全隐患,可能会对建筑物、构筑物及周边环境产生不良影响,出现不同程度的沉降、裂缝等问题,所以,必须加强施工监测,根据工程特点和实际条件,科学制订监测方案,保证监测技术应用的合理性和有效性。