敞开式TBM通过地铁车站中板实时监测及反馈技术

李 辉

(中铁隧道集团技术中心，河南 洛阳 471009)

0 引言

随着地铁建设速度的加快，在许多城市应用机械开挖(盾构技术)实现了地铁建设的快速发展。重庆作为山地城市，地形、地质具有特殊性，采用钻爆法施工具有一定的局限性，因此重庆轨道交通6号线一期选用TBM进行施工。根据地铁设站要求及敞开式TBM快速、长距离掘进的特点，决定了TBM需频繁过站。重庆轨道交通6号线一期作为国内首条应用敞开式TBM建设的城市地铁，在TBM过站方面的经验较少［1－2］，目前，只有一些盾构过站和山岭隧道 TBM 步进方面的经验［3－6］。

由于敞开式TBM机头非常重，当敞开式TBM中板过站时，存在一定的风险，为保证敞开式TBM安全顺利地中板过站，实时监测显得非常重要。目前有关敞开式TBM中板过站实时监测方面的研究很少，因此，非常有必要对TBM中板过站实时监测技术进行详细的研究。通过对TBM通过大龙山站中板过程中的施工监测进行研究，归纳和总结了这一过程中相关监测项目的变化规律以及安全控制措施，以期为今后类似工程提供借鉴。

1 工程概况

重庆轨道交通6号线一期工程大龙山车站主体全长189.7 m，宽 26.46 m，埋深 32 ～35 m，围岩级别为IV级。本车站与规划五号线车站形成平行换乘，为5，6号线同台换乘站，车站为地下4层(局部5层)岛式明挖车站。由于区间隧道在车站端头为重叠隧道，根据工期安排，右线TBM到达大龙山站时，车站中板已建成，因此，采用上洞TBM(右线)步进通过车站中板，避免了TBM的拆卸和转场，节省了工期和费用。TBM步进过站位置如图1所示。

图1 大龙山站TBM过站位置图Fig.1 Sketch of TBM and Dalongshan Metro station

2 施工风险

要保证重达350 t的TBM机头安全地通过中板，这在全国乃至世界范围内也是首次尝试，所以，如何保证TBM顺利步进过站和过站后减小对主体结构后期使用的影响是本次过站的重难点。TBM中板过站时，采用了98根主支撑钢柱(D609钢管)、282根柱间交叉支撑(L125×8角钢)作为TBM从车站中板步进过站的临时支撑，中板下支撑如图2所示。为了保证TBM过站的安全性，在TBM过站期间对临时钢支撑的受力、中板挠度、中板轴线位移、中板、边墙裂缝进行了实时监控，为中板结构变形分析提供了重要信息。

图2 TBM过站钢支撑布置图Fig.2 Layout of steel support

3 监测目的及监测项目

3.1 监测目的

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。

1)通过施工现场监测，掌握TBM过站时中板的稳定程度;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，项目的社会、经济和环境效益。

2)为项目的管理及时提供准确的信息，以使整个项目管理达到科学、安全的目的。

3.2 监测项目

见表1。

表1 监测项目及设备表Table 1 Monitoring items

4 监测结果及分析

4.1 监测点布设

按照大龙山TBM中板过站监控量测方案，于2011年2月13日对大龙山中板进行钢支撑轴力监测点、中板挠度监测点、中板轴线位移监测点布设，并对中板、边墙裂缝点进行初始考察。

4.1.1 钢支撑轴力

钢支撑轴力监测把钢筋计布置在钢支撑上，在钢支撑上焊接钢筋计。注意在焊接钢筋计时不能使其温度过高，以免热传导使钢筋计零漂增加，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%，超过时要发报警文件。应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临近型钢上，引到外露的测试匣中，布设好后用频率仪中的F2进行测试，检查钢筋计的电阻值和绝缘情况，还要做好引出线和测试匣的保护工作［7－8］。

共布设轴力监测点14组，每组布设4个监测点，前1，3，5跨钢支撑均布置1组断面，后面钢支撑每隔16 m布设1组轴力监测点。钢支撑轴力监测点布置如图3所示。

图3 钢支撑轴力监测点布置图Fig.3 Layout of monitoring points for axial force of steel support

4.1.2 中板挠度

TBM过站时，中板因受荷载变化必会产生变形，因此需要进行中板挠度监测，量测仪器采用NA2水准仪，量测精度为0.01 mm。上翻梁挠度监测点布置在钢支撑柱分隔的梁段跨中，第1，3，5跨，自第5跨开始，每隔16 m，即每间隔3跨后布置挠度监控测量点，直至车站末端。1个断面埋设1组监测点［9－10］。

4.1.3 裂缝

TBM过站时必然导致结构构件的应力调整而产生裂缝，裂缝开展状况的监测通常作为其过站和出碴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，观测裂缝的发生发展过程［10－11］，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，量测频率为1～2次/d，监测数量和位置根据现场情况确定。

4.2 监测情况

当TBM步进到相应监测断面前20 m、后40 m进行24 h监测，钢支撑轴力监测频率为2次/h，裂缝监测为TBM过站机头、支撑靴通过时连续监测，中板挠度监测频率为1次/h。其中，钢支撑轴力共进行了1 120次监测，裂缝共进行了640次监测，中板挠度共进行了360次监测。

4.3 监测结果分析

由于在TBM过站期间监测数据很多，因此，在此只对具有代表断面相应变化的曲线进行分析。

4.3.1 钢支撑轴力监测

见图4。

图4 钢支撑轴力现场监测图Fig.4 Pictures of monitoring of axial force of steel support

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、YDK24+252 里程断面(即中板第1，3，5根钢支撑所在里程)钢支撑轴力曲线图，如图5所示。

从图5可以看出，钢支撑均受压，且P2点应力整体上大于P1点应力。随着TBM步进，钢支撑应力呈现先增后减的趋势，P1和P2点的变化趋势基本一致，并与TBM步进吻合。在TBM步进到距离该断面20 m时，钢支撑应力基本不发生变化;TBM步进到距离该断面10 m时，钢支撑轴力明显增大，说明虽然TBM还未步进到该里程，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，P2点最大值为139 kN，P1点最大值为70 kN，P3点最大值为98 kN，P4点最大值为89 kN，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。

4.3.2 中板挠度监测

在TBM进站前对中板挠度进行3次初始值监测，取其平均值为初始值。当TBM步进到距该断面20 m时开始监测，监测频率为1次/h，直至TBM步进到该断面。现取有代表性的A1和A2点中板挠度沉降时态曲线图进行分析，如图6所示。

从图6可以看出，TBM通过中板发生了一定量的沉降，其中A1点最终累计沉降量为1.41 mm，A2点最终累计沉降量为1.28 mm，说明TBM很大一部分都施加给了上翻梁，钢支撑起到了良好的支护作用，最终使得中板稳定，未发生较大变形。

从图中还可以看出，在TBM距离监测断面20 m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10 m左右时，监测点发生明显沉降，但沉降值较小，在0.05 mm/h以内;当TBM步进到该断面时，沉降速度达到最大，最大值在0.1 ～0.2 mm/h，并持续3 ～4 h，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。从整体上看，沉降速度呈现先增后减、先负后正的趋势。

4.3.3 裂缝监测

在TBM过站前对中板、边墙所有裂缝进行考察，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进行定点、定时连续监测，裂缝宽度汇总如表2所示，取侧墙L5和L8裂缝点宽度变化时态曲线图进行分析，如图7所示。

表2 裂缝宽度汇总表Table 2 Crack widths of intermediate ceiling

从表2可以看出，各裂缝宽度变化值基本小于0.20 mm，裂缝宽度较小，说明TBM中板过站时，中板基本稳定。

从图7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0.17 mm，L8裂缝宽度变化最大值为0.14 mm，裂缝宽度变化最大值分别为0.04 mm/h和0.05 mm/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，变化速度较快，随后继续发生一定量的变化;支撑靴到达该处后，变化量达到最大，TBM支撑靴通过该断面后裂缝发生明显的收缩现象。说明TBM机头对中板的主要作用为垂直方向的压力，支撑靴对中板的作用为侧向施压，导致裂缝发展明显。

5 结论与讨论

重庆轨道交通6号线一期大龙山车站TBM顺利通过，标志着我国地下工程在大荷载作用下结构的安全稳定性得到突破，通过本工程TBM中板过站实时监测研究，可以得出以下结论。

1)监控量测工作是整个工程的眼睛，不但可以为工程的动态设计和信息化施工管理提供依据，确保施工作业的安全，还可以为设计理论的发展提供积累经验。

2)从钢支撑轴力监测、裂缝监测、中板挠度监测结果来看，各监测项目的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顺利通过大龙山车站，车站中板挠度沉降和应力值在设计限值以内，处于稳定状态。

3)TBM机头对中板的主要作用为垂直方向的压力，支撑靴对中板主要作用为侧向压力。

4)TBM中板过站期间应加强监控量测措施，制定应急加强处理方案。TBM通过后，应重新进行检测，并根据检测结果，合理采取补强中板的措施。

5)实时掌握TBM中板过站对既有结构的影响程度，全面评价TBM中板过站的安全性，确定更全面的安全评价体系将是下一步研究的重点。

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