李飞
（中国中铁科学研究院有限公司，四川 成都 610000）
【摘要】监控量测技术在地铁施工过程中的发挥着重要作用，通过监测对象分析、监测点埋设、监测数据采集、监测数据分析和监测数据反馈等措施信息化指导施工。本文以盾构下穿京广铁路工程为主线，从多方面对监控量测技术的开展进行了详细陈述。
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关键词 盾构施工；穿越铁路；监控量测
【Abstract】The monitoring measurement technology plays a significant role in the process of metro construction. Measures are taken under informationalized instructions such as analyzing monitoring objects, setting monitoring points, collecting monitoring data, analyzing and feeding back monitoring data. This paper focuses on the shield which passes underneath Beijing - Guangzhou Railway and detailedly states in many ways the carry-out of monitoring measurement technology.
【Key words】Shield construction; Railway crossing; Monitoring measurement
0 引言
21世纪是地下空间开发与利用的世纪，近年来科学技术创新成果不断呈现，盾构应用技术不断完善。盾构施工法作为现代隧道施工先进工法，在各大城市轨道交通建设中得到迅速推广运用。而监控量测系统的实施应用实现了城市轨道交通建设信息化施工的要求，提高施工效率，减少工程成本。监控量测技术的实施难点在于监测对象及监测数据的分析，也是监控量测技术的重要内容。
1 工程概况
长株潭城际铁路[1]是连接长沙、株洲、湘潭城市群的城际快速铁路，是推动长株潭城市群经济一体化的关键之一。盾构施工采用目前国内直径最大、最先进的土压平衡式盾构机，每台盾构机总长126米，总重1400多吨。其中盾构隧道在向树木岭站掘进过程中，左右线盾构机要先后10次下穿京广铁路，隧道埋设约18.4m～32.35m。京广铁路是中国最重要的一条南北铁路干线，具有极其重要的战略地位，因此穿越铁路段必须严格控制地层沉降和盾构开挖面的稳定性。
2 地质分析
盾构隧道地层主要为人工填土、粉质粘土、砾石层及泥质粉砂岩[1]。其中盾构隧道穿越穿越地层主要为泥质粉砂岩，具有透水性强，土体粘聚力小，地层自稳能力较差等特点。在各岩土地层交接处不同程度存在软弱不均匀地层对盾构穿越过程极为不利。且实际施工中会遇到各种复杂地层，地质资料提供的只是部分的钻探资料，不能完全准确反映实际地质情况，使盾构推进控制变得非常复杂。
其中土体较强的渗透性除了容易致使刀具磨损快之外，还容易导致土仓压力消散快，土仓难维持平衡。与此同时土体易附于刀盘表面及靠近中心区域的刀盘开口造成切削效率降低，刀盘扭矩增大，切削土体进入土仓后易附于仓板表面，影响土仓传感器数据准确性。
本隧道松散孔隙水类型主要为湘江二级阶地的第四系中更新统圆砾、卵石含水层组成，上部多为网纹红白土不透水层相隔，地下水具弱承压性，主要大气降水及地表水补给，与湘江河水呈互补关系。本隧道地下水类型按其埋藏分散特征分为上层滞水、孔隙潜水及强～弱风化基岩裂隙水。
3 监控量测实施应用
3.1 监测目的
（1）隧道工程结构为地下隐蔽工程，现有检测手段不可能全面反映其工程质量，而工程结构自身安全直接关系到工程成败，开展隧道工程结构监测有利于及时取得工程结构的变形、受力状态，对异常情况及时采取对策，防止事故发生；
（2）了解盾构穿越铁路过程中地表隆陷情况及其规律性，确保既有线运营安全和施工安全；
（3）根据监测结果用于反馈优化施工参数，为改进施工参数提供依据。对现场监测结果进行分析、研究，验证掘进参数设计的正确性。通过局部的修改、补充和完善，进而优化掘进参数。对关键问题进行分项分析，及时反馈信息，组织信息化施工，更好的预测系统的变化趋势，及时指导施工，从而使施工更加符合工程实际情况，保证盾构穿越铁路的顺利完成。
3.2 监测对象分析
按照《铁路运输安全保护条例》，保护区范围设定为隧道边线各外放30m范围，并将距隧道边线6.5m范围内设置为特别保护区。基于盾构施工工程主体结构及线路周边环境，通过调查分析及认证，确定监控量测的重点实施对象主要分为以下五类：区间隧道主体结构、铁路路基基床、供电接触网、轨道三角坑、铁轨间差异沉降。
3.2.1 区间隧道主体结构
盾构法施工段的主要构件是预制砼盾构环片（简称管片），管片是隧道防水、防火和耐久等综合性能的保证，所以对管片的质量要求极高。本盾构隧道按照设计采用厚度450mm钢筋混凝土管片衬砌，衬砌结构设计使用年限级别为一级，设计使用年限为100年。管片与周围土体之间存在的环形间隙采用衬背注浆工艺进行填充。
3.2.2 铁路路基基床
基床由基床底层和基床表层组成，它是铁路路基的关键部位，具有较大的刚度和强度、较强的水稳性和冰冻稳定性、足够的平整度等特点，主要功能是承受列车产生的长期重复作用的动荷载。基床出现病害，将影响线路质量、行车速度，增加轨道养护工作量、给运输能力带来很大影响，严重的将危及行车安全。
3.2.3 供电接触网
接触网是沿铁路上空架设的一条特殊形式的输电线路，由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础几部分组成。它是电气化铁道中主要供电装置之一，其功用是通过它与受电工的直接接触，而将电能传送给电力机车。接触网是一种露天装置，没有备用的户外供电装置，一旦损坏将中断行车，给铁路运输带来巨大损失。
3.2.4 轨道三角坑
轨道三角坑是指左右两股钢轨顶面相对于轨道平面发生的扭曲状态，表现为先是左股钢轨高于右股钢轨，接着是右股钢轨高于左股钢轨，反之亦然。盾构施工在两平行铁轨的纵向和横向都可能产生不均匀沉降。三角坑将会引起车辆的侧滚和侧摆，极易引起轮载变动。严重的三角坑，将导致车辆转向架呈三轮支撑一轮悬浮的恶劣状态，甚至引起车辆倾覆脱轨，严重危及行车安全。
对监测对象和风险源的分析，是为了掌握监控量测实施要点，以实现监测的动态特性，同时加大监测的覆盖性，使监测工作更细化严谨。针对上所述监测对象及潜在风险源，本工程具体监测项目与监测频率如表1所示。
3.3 监测方法与监测原理
3.3.1 拱顶下沉与净空收敛监测
监测方法：
拱顶下沉所采用的水准监测网以本工程高程系统为基准建立。控制点由基准点和工作基点组成，同沉降监测点一起布设成闭合线路、附合线路等形式。净空收敛采用1条水平测线即可，将成对的布设在初支结构左、右侧边墙上。
监测原理：
净空收敛观测收敛值按下式计算：
C=R-R0
式中：C——本次观测收敛值；
R0——初始观测的表读数值；
R——本次观测表读数值。
注意：初始值R0的准确与否，对最终收敛值的大小起关键性作用，因此应多观测几次。
拱顶下沉量测时，工作基点为已知高程，利用测得的各监测点与基准点的高差ΔH，可得到各监测点的高程H，与上次测得的高程的差值Δh即为该监测点的沉降值，亦即：Δh=Hn-Hn-1
3.3.2 基床沉降监测
监测方法：
盾构下穿铁路区域内，为加强铁路监测，沿铁路路基在基床上对沉降监测点进行加密，保证约10m有一沉降监测点。基床沉降监测点埋入基床深度不小于30cm，用砂浆将观测点在基床中固定。
监测原理：
工作基点为已知高程，利用测得的各监测点与基准点的高差ΔH，可得到各监测点的高程H，与上次测得的高程的差值Δh即为该监测点的沉降值，亦即：Δh=Hn-Hn-1
3.3.3 接触网沉降与倾斜监测
监测方法：
基于接触网的风险性极大（接触网高压危险），监测点采用埋设测量专用的反射膜片（规格40mm×40mm）的形式，埋设于立柱底部和靠近顶部附近（视现场具体情况进行调整和优化），以测定接触网顶部观测点相对底部固定点或上层相对下层观测点的倾斜度、倾斜方向及倾斜速率。
埋设监测点过程中，需要铁路方相关技术人员提供配合，并应确保监测点与测站仪器间的通视，测点埋设完毕后，应进行必要的保护，并作明显标记。
监测原理：
已知供电接触网结构上竖向相邻的两点A、B，通过全站仪测量得到点A、B的三维坐标XA、YA、ZA和XB、YB、ZB，进行接触网倾斜计算。
θ角即为所求接触网倾斜产生的倾斜角。
式中：ΔS1——本次观测A、B两点间水平距离值；
ΔS0—初始观测A、B两点间水平距离值。
3.3.4 深层土体水平位移与地下水位监测
监测方法：
首先在土体中钻孔，孔径略大于测斜管外径，一般测斜管是外径Φ76mm，钻孔内径Φ110mm的孔比较合适，孔深一般要求穿出结构体3m～8m比较合适，硬质基底取小值，软质基底取大值，然后将在地面连接好的测斜管放入孔内。地下水位测孔与深层土体位移共用。
监测原理：
深层土体水平位移的监测宜采用在土体内预埋测斜管、通过测斜仪观测各深度处的水平位移的方法。测斜装置包含三部分：测斜仪（如下图）、测斜导管和测读仪。
活动式测斜仪及其导轮是沿测斜导管的导槽沉降或提升，测斜探头内加速度计传感器可以敏感的测出导管在每一深度处的倾斜角度，其结果是输出一个电压信号，在读数仪的面板上显示出来，测斜仪测出的电压信号是以测斜导管导槽为方向基准，在某深度处，测斜仪上下导轮标准间距L上的倾斜角的正弦函数，该函数可换算成水平位移。
如下图所示，加速度计敏感轴在水平面内时，矢量g在敏感轴上的投影为零，加速度计输出为零，当加速度计敏感轴与水平面存在一个倾角时（等同于加速度计敏感轴与垂直基准线的夹角记为θ），加速度计输出一个电压信号。
A+=K0+K×g×sinθ
sinθ=Δx/L
式中：K0为加速度计偏值；
K为加速度计灵敏度；
g为重力加速度；
Δx为导管某深度处位移偏量；
L为上下导轮间距。
为消除K0的影响，可以将探头调转180°进行第二次测量，则有：
A-=K0+K×g×Δx/L
为将偏值K0消去，将A+与A-进行作差，得差数：
A+-A-=2×K×g×Δx/L
当把这些水平位移偏量累积起来，从测孔底部始绘成曲线，结果就是初次观测与后来的任一次观测之间的水平偏移变化曲线，代表此观测期间土体发生的变形，即水平位移，从这个偏移曲线上很容易看出在某个深度正在发生偏移。
地下水位观测孔孔口为已知高程，利用测得的各地下水位面与孔口的高差ΔH，可得到地下水位面的高程H，与上次测得的高程的差值Δh即为该水位孔的变化值，亦即：Δh=Hn-Hn-1
4 监测数据分析及反馈
各项监测数据收集后及时整理、绘制位移-时间曲线，即随施工作业面的推进时间变化规律曲线。见《时态曲线示意图》。
当位移-时间曲线趋于平缓时，对初期时态曲线进行回归分析以预测可能出现的最大变形值，掌握位移变化规律，还应视散点的数据分布状况选择合适的函数，根据我单位盾构施工实践情况，回归分析时在下列函数中选用：
对数函数
U=alg（1+t）
U=a+b/lg（1+t）
指数函数
U=ae-b/t
U=a（1-e-bt）
双曲函数
U=t/（a+bt）
U=a{1-[1/（1+bt）]}
式中：a、b——回归系数；
t——初读数后的时间（d）；
U——位移值。
为确保万无一失，在下穿既有线铁路前50m范围内，施工单位以驻地房屋为试验区段，模拟下穿既有线铁路施工。施工期间及时进行监测数据的整理分析，并及时反馈给业主、施工单位、监理单位，施工部门根据监测分析成果开展沉降控制措施，有效调整盾构掘进速度、土仓压力、刀盘转速、同步注浆量等施工参数，采取三次注浆的施工工艺和通过加水设备向土仓内注水等措施，成功将各项指标控制在铁路要求的控制值以内，实现了信息化指导施工。
5 结论
从本工程实例来看，通过采用监控量测技术对盾构穿越京广铁路段进行实时监测，结合实际工况，可以对盾构施工运转状况进行比较快速、准确的现场判断，避免施工的盲目性。由于准备充分、措施到位，历时208天，最终盾构安全、稳定、成功的通过京广铁路，在大直径盾构施工史上实现了重大突破，为以后的施工积累了宝贵的经验。
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参考文献
［1］新建铁路长株潭城际铁路树木岭隧道施工图[Z].
［责任编辑：汤静］