地铁盾构隧道施工监测

地下结构试验与测试技术
第七章 盾构隧道工程监测
夏才初
第七章 地铁盾构隧道施工监测
7－1 盾构概述 一、盾构隧道的用途 盾构隧道机械化程度高，对地层的 适应性好，广泛应用于：
水底公路隧道
延安东路隧道北段
延安东路隧道南段
城市地下铁道
新加坡隧道施工
上海地铁区间隧道
大型市政工程等
亮马河北路污水工程盾构段
★地表沉降的估算 地表沉降的估算方法主要有派克法、有限元 法和考虑固结因素的派克修正公式。 （1）派克(Peck)法 假设：沉降槽的体积等于地层损失的体积； 地层损失在隧道长度上均匀分布；
地面沉降的横向分布为正态分布，如图5－5所示。
地表沉降槽的横向沉降 量分布公式：(5-1) 式中：s (x)沉降量 (m)； Vi沿隧道长度的 地层损失量(m3/m)； x距隧道中心线的 距离(m)； i沉降槽宽度系数， 即隧道中心至沉降曲线 反弯点的距离(m)。
坝河污水截流管工程
二、盾构隧道的施工过程
三
盾构基坑监测目的
在盾构隧道施工中需进行监测是因为：
穿越地层的地质条件千变万化； 岩土介质的物理力学性质异常复杂； 勘察的局部的和有限的； 对岩土物理力学性质认识的不确定性和不完善性； 沉降预估理论的不准确性。
施工监测的主要目的：
及时反馈，改进施工工艺和参数，减少土体的变形； 预测土体变形，为是否或怎样保护地面建（构）筑物 提供依据； 控制隧道和地面建（构）筑的沉降在允许的范围内； 研究不同地层条件下施工工艺对土体变形的影响规律； 研究地表沉降和土体变形的分析计算方法等结累数据； 发生工程环境责任事故时，为仲裁提供证据；
(5-1)
地表沉降槽的纵向沉降量分布公式(5-2)（如图5－6）：
式中：s (y) 沉降量(m)； y、yf分别为沉降点和盾构开挖面至坐标轴原点o点的 距离(m)； y i盾构推进起始点处盾构开挖面至原点o点的距离(m)； L盾构长度；；； VL1盾构开挖面引起的地层损失； VL2盾尾空隙压浆不足及其它施工因素引起的地层损 失；
水准仪
分层沉降仪、频率计 深层回弹桩、水准仪 经纬仪 测斜管，测斜仪
水土 压力
(6)水土压力(侧、前面)
(7)地下水位 (8)孔隙水压
土压力盒、频率计
水位井、标尺 孔隙水压力计、频率计 水准仪 经纬仪 经纬仪 裂缝计
地面建(构)筑 (1)沉降 物，地下管 (2)水平位移 线铁路、道 (3)倾斜 路 (4)建(构)筑物裂缝
(5－3)
(5－4)
(3)考虑固结因素的Peck修正 公式 假设盾尾压浆引起固结沉 降为： (5－5)
p c H E
(5－5)
p 隧道顶部超孔隙 式中： 水压力的平均值(MPa)； E 土骨架的平均压 缩模量(MPa)； H盾构埋深(m)； c固结沉降量(m)。 由固结沉降而引起的单位 长度地层损失量为：



△
△
△
△
△
△
△
△



△
△
△
软粘土或粉土 地下水位 以下，用 砂土 压缩空气。 含漂石等 均匀粘性土



△ △


△ △ △
地下水位 以下，用 井点降水 或其它方 法控制地 下水位。
软粘土或粉土
砂土 含漂石等

△ △

△ △
△
△
必须监测的项目； 建筑物在盾构施工影响范围以内，基础已作加固，需监测； △ 建筑物在盾构施工影响范围以内，但基础未作加固，需监测。 *系指地面和地下的一切建筑物和构筑物的沉降、水平位移和裂缝。
二、施测部位和测点布置的确定
地表变形和沉降监测点的布置（前100米首推 段）： 沿轴线布设纵监测剖面，垂直轴线布设横监测剖面； 纵监测剖面上测点间距小于盾构长度，约为37米； 沿轴线每隔2030米布设一个横监测剖面； 横剖面上按距轴线2，5，9米递增布设测点； 横剖面上测点布设的范围为23倍盾构外径； 在该范围内的建筑物和管线等也需监测其变形；
盾构隧道施工监测的对象： 土体介质——隧道结构——地面周边环境。 盾构隧道施工监测的部位： 地面建(构)筑物——地表——土体内——隧道结 构。 盾构隧道施工监测的类型： 建筑物和管线及其基础等的沉降和水平位移； 土体的沉降和水平位移（地表和土体内）； 地层水土压力和水位变化； 盾构隧道结构内力、外力和变形。
测微计
结构 (5)隧道外侧水土压力 外力 (6)隧道外侧水压力
结构 (7)轴向力、弯矩 内力 (8)螺栓锚固力
压力盒、频率计
孔隙水压力计、频率 钢筋应力计或应变计、 频率计 锚杆轴力计，频率计
(1)地表沉降
沉降 (2)分层土体沉降 (3)盾构底部土体回弹 水平 地层 位移 (4)地表水平位移 (5)深层土体水平位移
验证结构的安全性和设计的合理性。
7－2
监测 监测 对象 类型
盾构隧道监测的项目和方法
表7－1 盾构隧道施工监测项目和仪器
监测项目 (1)隧道结构内部收敛
监测元件与仪器 收敛计，巴塞特系统 水准仪，全站仪
隧道 结构
结构 (2)隧道、衬砌环沉降 变形 (3)隧道洞室三维位移 (4)管片接缝张开度
全站仪
表7－2 盾构隧道基本监测项目的确定
监测项目
地下水 土壤情况 位情况 均匀粘性土
地下水 砂土 位以上 含漂石等 地下水 均匀粘性土 位以下， 且无控 制地下 软粘土或粉土 水位措 含漂石等 施。
地表 隧道 沉降 沉降
地下 水位
建筑物 深层
变形*
沉降
地表 水平 位移
其它




△
△
△
△ △ △ △

★盾构推进引起地层移动的因素（如图5－4）：

主观因素：盾构型式、辅助工法、衬砌壁 后 注浆、施工管理情况等；

客观因素：隧道线型、盾构外径、埋深等 设计条件； 土的强度和l3m(H+D)m，地下水位下降引起的前期固结沉降； 近切口处，欠挖导致地表隆起，超挖导致地表沉降； 从切口到达至盾尾通过，土体扰动后引起的沉降； 盾尾通过后，盾尾间隙的沉降； 后期沉降，地层扰动引起的次固结沉降。 注：H为隧道上部土层的覆盖深度
地表变形纵剖面曲线（见图5－7）
地表变形横剖面曲线（见图5－8）
变形的特点为： (1)盾构到达前(L=-3-l2m [<(H+D)])，地表已产生 变形: L=-5-l2m，地表隆陷量小于0.5cm； L=-3-5m，地表隆陷量小于1cm； (2)盾构到达时(L=-3+lm)，隆陷量增大到1.5cm； (3)盾构通过时(L=l w)，沉降量达1.02.0cm，一 般沉降； (4)盾尾通过时(L=w w+4m)，沉降量最大可达 1.02.0cm；
地面监测点的布设：用道钉打入地下，再用 水泥固牢。沿轴线每隔5米布一个测点；每隔30米 布设一个横监测剖面；横剖面上测点按距离轴线 2、 5、9米布设； 地下管线监测点的布设：用道钉打入地下，再 用水泥固牢。在地下管线所在的地面上每隔10米布 设一个监测点。 建筑物监测点的布设：用“L”型钢筋，固定在 墙体内。 在建筑物墙上每隔5～10米布设一个监测点。
(5)盾尾通过后，固结沉降， 10天后的沉降速 率约为1mm/d； 30天后降至0.2mm/d； 100天后0.06mm/d； 100天内的后期固结沉降可达3.0cm。 (6)横向地表沉降槽为正态曲线分布，两侧影 响范围离轴线约12m； (7)主要影响范围离轴线约5m以内，其沉降量 是沉降槽总面积的80%
Vl Hkt 2 i
e
(
x2 2i 2
)
(5－7)
５－4 盾构隧道施工监测实例 一、监测实例之一 １、上海地铁一号线工程概况 盾构：外径6.2m，内径5.5m， 管片：厚35cm，宽100cm，一环6片； 螺栓：环向：12根M27400，环间： 16根 M30950； 覆土：厚度：68m，淤泥质粉质粘土 和淤泥质粘土层。 ２、地表沉降监测结果
Vl 2 ic
'
距隧道中心线x处在t时 间内的固结沉降量为： (5－6) 式中： k 隧道顶部土 体加权平均渗透系数 (m/d)。 考虑施工因素和固结因 素，则沉降量s(x+t)的 计算公式为： (5－7)
Hkt ( 2i 2 ) ( x, t ) e 2 i
(5－6)
x2
s( x t )
7－3
盾构隧道监测方案的设计
一、监测项目的确定
监测项目的选择要考虑的因素： (1)工程地质和水文地质情况； (2)隧道埋深、直径、结构型式和施工工艺； (3)双线隧道与临近隧道或管道的间距； (4)地面临近建（构）筑物的尺寸、位置、结构特点 等； (5)设计提供的变形及其它控制值及其安全储备系数。 (6)工程的具体情况和特殊要求。
由查表得。
(2)竹山乔实用公式 用弹性介质有限元法分析得 出的地表沉降估算公式： (5 －3) 式中：H隧道的覆盖深度 (m) ； D盾构外径(m)； E多层土的等效平均弹性 模量。
Rowe和Hack提出的间隙值g 与地层损失的关系： (5－4) 式中：Dm为隧道外外径(m)。 盾尾通过后周围土体向隧道 外周位移， 由此引起地表沉降曲线与正 态分布曲线基本相似。
二、监测实例之二 1、上海地铁二号线工程概况 盾构：外径6.2m，内径5.5m， 管片：厚35cm，宽100cm，一环6片； 螺栓：环向：12根M27400，环间： 16根 M30950； 覆土：厚度：68m，淤泥质粉质粘土和淤泥 质粘土层。 2、监测内容和测点布设 监测内容：地面沉降监测、轴线附近建筑物 及地下管线沉降； 监测范围：距离隧道轴线：左右10米； 距离盾构机头：前方20米，后方30米。