大直径盾构隧道近接桥梁监测方案及全自动监测技术浅析

吴 琼

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司, 江苏南京 211800)

如今越来越多的高铁隧道经过城市，势必会遇到高铁下穿或者近接地铁的问题。针对此类问题，为保证施工的安全以及不影响邻近已完成的工程建筑，施工期间的监控量测就发挥着极为关键的作用。众多专家和学者对盾构掘进过程中周边建(构)筑物的监控量测进行了研究。冯夯[1]在地铁施工中，应用隧道监控量测技术，使施工进入动态化管理，及时保证了地铁施工的安全。司立虎[2]介绍了地铁施工中常用的监控量测对象、测试方法和对测试结果进行的数据处理。朱青[3]介绍了当用明挖法修建地铁车站时，在进行地下连续墙围护工程施工的对地下连续墙的监测技术。刘志春[4]以南京地铁区间为背景，该区间采用小导管超前预注浆加掌子面注浆的超前支护方法，在施工中进行监控量测。王书伟[5]以深圳地铁1号线为依托，介绍了地铁单洞双层隧道施工中的监控量测技术。杨翼[6]以深圳地铁科学馆地铁车站为依托，该车站以盖挖顺作法施工，对该车站进行监控量测。陈晓婷[7]以成都富水砂卵石地层采用浅埋暗挖法施工为背景，对浅埋暗挖法下修建的车站进行监控量测。同样路戈[8]结合北京地铁10号线某采用浅埋暗挖法的车站也进行了监控量测。贺文涛[9]在北京地铁10号线施工期间，对结构的沉变形和周边地表、建筑物的沉降等项目进行监控量测，确保了北京地铁10号线在施工期间的安全。陈立[10]在多学科交叉的基础之上，采用前沿的信息化监测技术，针对武汉地铁施工过程中的监测技术、数据处理及信息反馈三个方面进行了研究。

以上的专家和学者对隧道近接施工及监控量测的研究已经取得许多成果，但在大直径盾构隧道近接既有工程方面的研究不多，同时随着施工信息化、全寿命周期等新概念的提出，监控量测越来越往全自动、全方位、全覆盖的方向发展。本文以新建北京至张家口铁路清华园大直径盾构隧道为工程依托，提出了隧道工作井及配套基坑近接高架桥的监控量测方案，并介绍了全自动监测技术在本工程项目中的应用。本项目采用的监测方案及全自动监测技术可以保证工程施工时不对原来的既有工程产生干扰，同时可以为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 新建工程概况

新建北京至张家口铁路清华园隧道3号工作井(盾构始发井)及明挖盾构后配套基坑段，位于海淀区双清路北侧。地下水位位于地表下约9 m。明挖盾构后配套基坑段全长97 m，其中DK18+229～DK18+271段基坑开挖深度18.42 m，DK18+271～DK18+326段基坑开挖深度约为16.40 m。3号井及后配套段西侧10～16 m并行城铁13号线桥桩段6处。

1.2 既有地铁概况

既有地铁13号线五道口—上地区间为高架区间，桥墩承台距地表0.7 m，承台高1.5 m。3号施工基坑影响段为13号线五道口站—上地站部分区间线路。下部结构墩柱采用双柱式矩形墩+横梁，墩截面尺寸为1.4 m×1.0 m，基础采用钻孔灌注桩基础，桩径为1.0 m，桩长25 m。每个墩顶设1个板式橡胶支座。图1和图2为13号线桥梁结构剖面和墩柱结构概况。

1.3 新建工程与既有桥梁位置关系

地铁13号线临近清华园隧道3号工作井及明挖盾构后配套段为高架段，并行长度共130 m，13号线桥桩长度约为25 m。

3号工作井中心里程为DK18+214.5，围护桩内缘与地铁桥桩承台的水平净距11.3 m。

明挖盾构后配套基坑段全长97 m，其中DK18+229～DK18+271段长42 m，围护桩内缘和地铁桥桩承台的水平距离大概为15.0 m。图3、图4为新建工作井和新建后配套基坑与既有地铁的位置关系。

图1 地铁13号线桥梁结构剖面(单位：cm)

图2 地铁13号线桥梁墩柱结构概况

图3 清华园隧道3#工作井与既有桥梁位置关系(单位：cm)

图4 清华园隧道后配套与既有桥梁位置关系(单位：cm)

2 监测方案

2.1 监测对象

本工程自动化监测的对象、项目、仪器及精度见表1，需要人工监测的项目如表2所示。

2.2 监测点布设及监测方法

2.2.1 桥墩结构、桥梁结构竖向变形监测

影响范围内的桥墩结构竖向变形监测点布设于各桥墩的墩柱上，每个墩柱上布设1个测点，共布设20个桥墩结构竖向变形监测点。

表1 自动化监测的对象、项目、仪器及精度

表2 人工监测的对象、项目、仪器及精度

影响范围内的桥梁结构竖向变形监测点布设于各承台上方对应位置桥梁翼缘位置，有变形缝的位置，在变形缝两侧桥梁结构上各布设一个断面，每个断面2个测点，共布设12个断面，24个桥梁结构竖向变形监测点。

测点标志采用φ8 mm膨胀螺栓，按设计位置钻孔埋入。测点埋设不得影响地铁设施，保证埋设稳固，并做好清晰标记，方便保存。埋设形式如图5所示。

图5 桥墩结构测点埋设形式

监测点埋设时先在桥梁结构上用冲击钻钻出深约10 cm的孔，再把强制归心监测标志放入孔内，缝隙用锚固剂填充。监测点布置实景图如图6所示。

图6 监测点布置实景

2.2.2 桥墩结构、桥梁结构横向变形监测

影响范围内的桥墩柱结构横向变形监测点布设于临近基坑侧桥墩的墩柱上，每个墩柱布设1个测点，共布设10个桥墩结构横向监测点。

影响范围内的桥梁结构横向变形监测点布设于各承台上方临近基坑侧对应位置桥梁翼缘位置，有变形缝的位置，在变形缝两侧桥梁结构上各布设一个断面，共布设12个桥梁结构横向监测点。

2.2.3 轨道结构竖向变形及结构缝变形监测

在左、右线轨道两侧布设结构竖向变形测点，布设原则：沿地铁线路方向在影响范围内桥墩上方轨道各布设一个断面，在有桥梁缝的位置加密一组测点，每个断面左右线分别布设一个测点，共布设24个轨道结构竖向变形测点。

采用φ8 mm膨胀螺栓作为测点标志，在测点位置钻孔后将其埋入。需要注意的是，为了保证地铁设施的安全有效运作，测点埋设需确保埋设稳固。测点埋设形式与隧道结构竖向变形测点的埋设形式相同，埋设形式如图7所示。

图7 轨道结构测点埋设形式

2.2.4 轨道静态几何尺寸检查

本工程在影响范围内线轨道两侧布设测点，监测点的布置与轨道结构竖向变形位置对应，具体平面布置如附图。共设置轨距、水平测点24处。

对轨道静态几何形位(轨距、水平)检查：包括轨距、水平检查，轨距、水平测量使用专用轨道尺测量。各项目均测量三次取均值。布点位置及监测实景图见图8和图9。

图8 轨道几何形位测点埋设形式

图9 轨道几何形位监测实景

2.2.5 无缝线路钢轨位移

在施工影响范围外测边缘布设一组无缝线路位移观测测点，每条轨上设1个无缝线路临时位移观测标尺，共布设8个测点，如图10所示。

图10 无缝线路钢轨位移测点标志埋设形式

2.2.6 道床结构裂缝检查

使用游标卡尺、数字显微镜等工具，对道床结构裂缝宽度变化情况进行检查。根据检测报告，重点检测已有裂缝处及新增裂缝(图11)。

图11 裂缝监测示意

3 全自动监测技术

由于高架桥梁体结构变形控制要求较为严格，因此对桥梁体结构竖向变形和横向变形采用自动监测技术。

3.1 监测目的

清华园隧道明挖基坑临近并行地铁13号线施工，属一级重大风险源。为了保证施工过程中地铁运营，加强了隔离防护，且对地铁结构及线路开展变形监测。通过对基坑全自动四维监控，24 h全天不间断监控，每15 min刷新一次，并且监控数据能够自动生成累计形变曲线，根据控制值设定自动分析超限变形情况，提出预警。

3.2 创新功能

全自动监测系统通过四大技术组合，分别是传感器自动采集技术、GPRS无线分组传输技术、无线网络传输技术、计算机技术等，来实现监测信息的采集、处理及发布。图12和图13分别是全自动监测系统示意和现场监测示意。

图12 全自动监测系统

图13 现场监测示意

如果想要使数据可以完全采集，必须需要一个终端采集软件。数据采集终端软件是通用的管理各种各监测设备的信息系统。以多种方式，全方位体现出地铁沉降自动化监测的实际运行参数情况，保证了在线监测信息全面、及时、准确。图14和图15为终端采集系统现场布置和终端数据采集单元布置。图16为自动化监测平台界面示意。监测软件主要包括四大功能：数据分析、监测管理、预报预警、系统管理。

图14 终端采集系统现场布置

图15 终端数据采集单元

图16 自动化监测平台

3.3 自动化监测系统应用效果

针对本项目工程特点，布置的自动化监测系统，实现每15 min对风险源变形绝对值的采集和变形趋势预判(精度达到0.3 mm)，并将监测数据在平台发布。

4 结束语

本文对大直径铁路盾构隧道工作井及配套基坑段近接高架桥梁施工时的监测方案进行了详细介绍，该方案可以为类似的工程提供参考和借鉴。

同时本文也介绍了全自动监控技术，该技术的应用，可以有效控制沉降及变形值，将沉降及变形值控制在一定的范围内。

通过本文的监测方案及全自动监控技术实时监控分析对施工的指导，可以有效保证新工程修建时既有工程运营的安全性，为今后的类似工程提供参考和借鉴。