敞開式TBM通過地鐵車站中板實時監測及反饋技術

李 輝

(中鐵隧道集團技術中心，河南 洛陽 471009)

0 引言

隨著地鐵建設速度的加快，在許多城市應用機械開挖(盾構技術)實現了地鐵建設的快速發展。重慶作為山地城市，地形、地質具有特殊性，采用鉆爆法施工具有一定的局限性，因此重慶軌道交通6號線一期選用TBM進行施工。根據地鐵設站要求及敞開式TBM快速、長距離掘進的特點，決定了TBM需頻繁過站。重慶軌道交通6號線一期作為國內首條應用敞開式TBM建設的城市地鐵，在TBM過站方面的經驗較少［1－2］，目前，只有一些盾構過站和山嶺隧道 TBM 步進方面的經驗［3－6］。

由于敞開式TBM機頭非常重，當敞開式TBM中板過站時，存在一定的風險，為保證敞開式TBM安全順利地中板過站，實時監測顯得非常重要。目前有關敞開式TBM中板過站實時監測方面的研究很少，因此，非常有必要對TBM中板過站實時監測技術進行詳細的研究。通過對TBM通過大龍山站中板過程中的施工監測進行研究，歸納和總結了這一過程中相關監測項目的變化規律以及安全控制措施，以期為今后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

重慶軌道交通6號線一期工程大龍山車站主體全長189.7 m，寬 26.46 m，埋深 32 ～35 m，圍巖級別為IV級。本車站與規劃五號線車站形成平行換乘，為5，6號線同臺換乘站，車站為地下4層(局部5層)島式明挖車站。由于區間隧道在車站端頭為重疊隧道，根據工期安排，右線TBM到達大龍山站時，車站中板已建成，因此，采用上洞TBM(右線)步進通過車站中板，避免了TBM的拆卸和轉場，節省了工期和費用。TBM步進過站位置如圖1所示。

圖1 大龍山站TBM過站位置圖Fig.1 Sketch of TBM and Dalongshan Metro station

2 施工風險

要保證重達350 t的TBM機頭安全地通過中板，這在全國乃至世界范圍內也是首次嘗試，所以，如何保證TBM順利步進過站和過站后減小對主體結構后期使用的影響是本次過站的重難點。TBM中板過站時，采用了98根主支撐鋼柱(D609鋼管)、282根柱間交叉支撐(L125×8角鋼)作為TBM從車站中板步進過站的臨時支撐，中板下支撐如圖2所示。為了保證TBM過站的安全性，在TBM過站期間對臨時鋼支撐的受力、中板撓度、中板軸線位移、中板、邊墻裂縫進行了實時監控，為中板結構變形分析提供了重要信息。

圖2 TBM過站鋼支撐布置圖Fig.2 Layout of steel support

3 監測目的及監測項目

3.1 監測目的

監控量測工作是整個工程的眼睛，不但可以為整個項目的動態設計和信息化管理提供依據，確保施工作業的安全，還可為設計理論的發展積累經驗。

1)通過施工現場監測，掌握TBM過站時中板的穩定程度;通過信息反饋及預測預報來優化施工組織設計，指導現場，確保TBM施工作業的安全與質量，項目的社會、經濟和環境效益。

2)為項目的管理及時提供準確的信息，以使整個項目管理達到科學、安全的目的。

3.2 監測項目

見表1。

表1 監測項目及設備表Table 1 Monitoring items

4 監測結果及分析

4.1 監測點布設

按照大龍山TBM中板過站監控量測方案，于2011年2月13日對大龍山中板進行鋼支撐軸力監測點、中板撓度監測點、中板軸線位移監測點布設，并對中板、邊墻裂縫點進行初始考察。

4.1.1 鋼支撐軸力

鋼支撐軸力監測把鋼筋計布置在鋼支撐上，在鋼支撐上焊接鋼筋計。注意在焊接鋼筋計時不能使其溫度過高，以免熱傳導使鋼筋計零漂增加，要做降溫處理。比如在焊接的同時可用濕毛巾或流水冷卻水澆，使溫度降低，以保證鋼筋計的成活率在80%以上，且支撐軸力應小于設計值的80%，超過時要發報警文件。應盡可能使鋼筋計處于不受力狀態，特別不應處于受彎狀態，將鋼筋計的導線逐段捆在臨近型鋼上，引到外露的測試匣中，布設好后用頻率儀中的F2進行測試，檢查鋼筋計的電阻值和絕緣情況，還要做好引出線和測試匣的保護工作［7－8］。

共布設軸力監測點14組，每組布設4個監測點，前1，3，5跨鋼支撐均布置1組斷面，后面鋼支撐每隔16 m布設1組軸力監測點。鋼支撐軸力監測點布置如圖3所示。

圖3 鋼支撐軸力監測點布置圖Fig.3 Layout of monitoring points for axial force of steel support

4.1.2 中板撓度

TBM過站時，中板因受荷載變化必會產生變形，因此需要進行中板撓度監測，量測儀器采用NA2水準儀，量測精度為0.01 mm。上翻梁撓度監測點布置在鋼支撐柱分隔的梁段跨中，第1，3，5跨，自第5跨開始，每隔16 m，即每間隔3跨后布置撓度監控測量點，直至車站末端。1個斷面埋設1組監測點［9－10］。

4.1.3 裂縫

TBM過站時必然導致結構構件的應力調整而產生裂縫，裂縫開展狀況的監測通常作為其過站和出碴過程中影響程度的重要依據之一。通常采用直接觀測的方法，將裂縫進行編號并劃出測讀位置，觀測裂縫的發生發展過程［10－11］，必要時通過裂縫觀測儀進行裂縫寬度測讀，主要采用的儀器為游標卡尺，量測頻率為1～2次/d，監測數量和位置根據現場情況確定。

4.2 監測情況

當TBM步進到相應監測斷面前20 m、后40 m進行24 h監測，鋼支撐軸力監測頻率為2次/h，裂縫監測為TBM過站機頭、支撐靴通過時連續監測，中板撓度監測頻率為1次/h。其中，鋼支撐軸力共進行了1 120次監測，裂縫共進行了640次監測，中板撓度共進行了360次監測。

4.3 監測結果分析

由于在TBM過站期間監測數據很多，因此，在此只對具有代表斷面相應變化的曲線進行分析。

4.3.1 鋼支撐軸力監測

見圖4。

圖4 鋼支撐軸力現場監測圖Fig.4 Pictures of monitoring of axial force of steel support

在監測數據的基礎上，經過計算，繪制出最具有代表性的 YDK24+238、YDK24+244、YDK24+252 里程斷面(即中板第1，3，5根鋼支撐所在里程)鋼支撐軸力曲線圖，如圖5所示。

從圖5可以看出，鋼支撐均受壓，且P2點應力整體上大于P1點應力。隨著TBM步進，鋼支撐應力呈現先增后減的趨勢，P1和P2點的變化趨勢基本一致，并與TBM步進吻合。在TBM步進到距離該斷面20 m時，鋼支撐應力基本不發生變化;TBM步進到距離該斷面10 m時，鋼支撐軸力明顯增大，說明雖然TBM還未步進到該里程，但該里程鋼支撐已經承擔了TBM傳遞到中板下翻梁的壓力;隨著TBM步進，鋼支撐受力逐漸增大，當TBM機頭完全在該里程時，鋼支撐受力最大，P2點最大值為139 kN，P1點最大值為70 kN，P3點最大值為98 kN，P4點最大值為89 kN，遠小于TBM自身的重量，也說明下翻梁起到了很好的傳遞壓力作用，保護了中板后期安全。當TBM支撐靴和后支撐通過時，鋼支撐受力明顯增大，通過后，應力值呈明顯減小趨勢，最后趨于穩定。

4.3.2 中板撓度監測

在TBM進站前對中板撓度進行3次初始值監測，取其平均值為初始值。當TBM步進到距該斷面20 m時開始監測，監測頻率為1次/h，直至TBM步進到該斷面。現取有代表性的A1和A2點中板撓度沉降時態曲線圖進行分析，如圖6所示。

從圖6可以看出，TBM通過中板發生了一定量的沉降，其中A1點最終累計沉降量為1.41 mm，A2點最終累計沉降量為1.28 mm，說明TBM很大一部分都施加給了上翻梁，鋼支撐起到了良好的支護作用，最終使得中板穩定，未發生較大變形。

從圖中還可以看出，在TBM距離監測斷面20 m左右時，其步進對監測斷面沉降影響較小，基本不發生變化;當TBM步進到距離監測斷面10 m左右時，監測點發生明顯沉降，但沉降值較小，在0.05 mm/h以內;當TBM步進到該斷面時，沉降速度達到最大，最大值在0.1 ～0.2 mm/h，并持續3 ～4 h，隨著 TBM 步進，中板沉降速度逐漸減小，在TBM主要施壓部分通過后，中板有小幅回彈，最終趨于穩定。從整體上看，沉降速度呈現先增后減、先負后正的趨勢。

4.3.3 裂縫監測

在TBM過站前對中板、邊墻所有裂縫進行考察，進行初始寬度、長度監測，并在測量點進行標記。在TBM通過時，對相應里程的裂縫進行實時監測，尤其是中板采用裂縫寬度檢測儀進行定點、定時連續監測，裂縫寬度匯總如表2所示，取側墻L5和L8裂縫點寬度變化時態曲線圖進行分析，如圖7所示。

表2 裂縫寬度匯總表Table 2 Crack widths of intermediate ceiling

從表2可以看出，各裂縫寬度變化值基本小于0.20 mm，裂縫寬度較小，說明TBM中板過站時，中板基本穩定。

從圖7可以看出，裂縫寬度變化較小，其中L5裂縫寬度變化最大值為0.17 mm，L8裂縫寬度變化最大值為0.14 mm，裂縫寬度變化最大值分別為0.04 mm/h和0.05 mm/h，中板基本穩定。

從整體變化趨勢可以看出，在TBM未到達該里程時，裂縫基本不發生變化;在TBM機頭到達該里程時，裂縫寬度發生明顯變化，變化速度較快，隨后繼續發生一定量的變化;支撐靴到達該處后，變化量達到最大，TBM支撐靴通過該斷面后裂縫發生明顯的收縮現象。說明TBM機頭對中板的主要作用為垂直方向的壓力，支撐靴對中板的作用為側向施壓，導致裂縫發展明顯。

5 結論與討論

重慶軌道交通6號線一期大龍山車站TBM順利通過，標志著我國地下工程在大荷載作用下結構的安全穩定性得到突破，通過本工程TBM中板過站實時監測研究，可以得出以下結論。

1)監控量測工作是整個工程的眼睛，不但可以為工程的動態設計和信息化施工管理提供依據，確保施工作業的安全，還可以為設計理論的發展提供積累經驗。

2)從鋼支撐軸力監測、裂縫監測、中板撓度監測結果來看，各監測項目的變化值均在設計要求范圍內，鋼支撐對中板起到了良好的支撐作用，TBM順利通過大龍山車站，車站中板撓度沉降和應力值在設計限值以內，處于穩定狀態。

3)TBM機頭對中板的主要作用為垂直方向的壓力，支撐靴對中板主要作用為側向壓力。

4)TBM中板過站期間應加強監控量測措施，制定應急加強處理方案。TBM通過后，應重新進行檢測，并根據檢測結果，合理采取補強中板的措施。

5)實時掌握TBM中板過站對既有結構的影響程度，全面評價TBM中板過站的安全性，確定更全面的安全評價體系將是下一步研究的重點。

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