碎岩层盾构法掘进技术的监控体系探讨

摘要：文章通过分析盾构法的发展历程和施工中的优缺点，结合碎岩层的地质特点，分析了建立监控体系的目的和意义，从监测内容、监测方法、测点布置和测量频率等方面探讨了建立一套“量测－记录－处理－反馈”功能和要素于一体的监控量测体系。

关键词：盾构法；碎岩层；盾构掘进新技术；监控体系

中图分类号：U455文献标识码：A文章编号：1009－2374(2009)12－0008－02

盾构是一种带有护罩的专用设备，利用尾部已装好的衬砌块作为支点向前推进，用刀盘切割土体，边排土边在开挖壁周围拼装预制混凝土衬砌块，形成永久衬砌。盾构法自19世纪初发明以来，应用范围已从坚实的岩土环境扩大到软土地基、破碎岩层地区。然而，复杂的地质环境也对盾构法掘进工程的质量、施工安全和防止伴生灾害提出了更高的要求。要解决上述问题，加大盾构掘进新技术和新工艺的研发是一个方面，更重要的是要建立一套切实可行的碎岩层盾构法掘进技术的监控体系。

一、碎岩层和盾构法施工的特性

(一)碎岩层的地质特点

地壳中有部分岩层由于含有较多的钙、锌等元素，在地裂隙水的侵蚀下，形成发育较完全的解理和裂缝。多年的地壳运动和外荷载(如爆炸力、冲击力等)作用，加速了岩层的崩解，逐渐形成碎岩层。一般碎岩层在开挖前，岩内应力主要靠碎岩的摩擦力、机械咬合力等进行传递，处于应力平衡状态，开挖后如支护不当则容易引起塌方、地陷、滑坡、山崩等灾害。

(二)碎岩层地带盾构法掘进技术的优缺点

在碎岩层采用盾构法施工，掘进速度快，安全系数高；盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低；盾构法是施工时不影响地面交通和地下管线等设施、不影响航道运输；同时施工过程噪音小、对岩体结构和内应力扰动小。但是盾构法施工也有设备投资金额大、前提地质勘查要求高等缺点，只有在不宜采用明挖法或矿山法，且地下水发育，围岩稳定性差，隧道很长而又工期要求紧迫的情况下，采用盾构法施工才是经济合理的。

然而任何地下工程施工都不可避免的要扰动岩体、改变其内应力状态，同时对地表建(构)筑物和路面设施产生各种不利影响；隧道的衬砌结构也容易产生沉降，影响整个工程的质量和安全，因此，必须建立一套盾构法掘进技术监控量测体系。

二、监控量测的目的和意义

通过定期或不定期监测，能及时掌握盾构施工可能对地表、岩体和毗邻建(构)筑物的影响，以便有针对性地制定盾构施工方案，降低出现安全和质量事故的风险；通过及时对地表和衬砌结构的监控量测，分析并预测岩体以上部分的沉降和变形，以便及时采取预防措施，杜绝事故的出现；通过监控量测，及时发现并纠正在工程在平竖曲线、高程等方面的误差，以保证工程质量。监控量测积累的数据，为后续科研和技术攻关提供原始素材。

三、建立监控体系

下面以某城市地铁西郊试验段盾构法掘进技术监控体系的建立为例进行探讨和说明。

工程概况：某城市地铁一号线由西郊段、市区段和东郊段三段组成，全长20.51公里，共设有17个站点，全线采用盾构法掘进技术施工。西郊段从柿林一村开始到市区环城两路与新兴路交叉路口止，起止桩号K0+000～K2+560。经地质勘察发现，西端沿线地质状态较复杂，碎岩层发育完全，地下裂隙水丰富；隧道通过菜地和橘树林，隧道中轴线两侧50m范围内多民房，且在距离K1+037桩号37m处建有西郊变电站1个和12层高框一剪结构职工宿舍楼1幢。

(一)监控量测的内容

1地表土层变形：竖向位移、地裂缝、水平位移和竖向转角。

2地表建(构)筑物的变形：房屋沉降与倾斜、地下管线的沉降。

3衬砌拱圈的变形：拱圈混凝土应变值、拱顶沉降、拱脚沉降和水平位移。

4地下水的流量和岩层性质的变化。

(二)监控量测的方法

高程(沉降)监测采用高精度水准仪，转角监测采用高精度经纬仪，水平位移监测采用全站仪，衬砌拱圈的变形测量采用应变仪，地下水流量采用水流量计和观察法监测，岩层性质变化采用现场观察法，具体见表1：

(三)监控量测点的布设

1地表土层变形。沿地铁中轴线方向每隔10m设1个固定监测点，横断面上每隔5m取1个监测点，形成一张地表土层变形监控网，从而能详细有效地获取地表变形数据。

2地表建(构)筑物的变形。离地铁中轴线左右各50m范围以内的建(构)筑物上均设立至少1个固定监测点，个别大体型建筑物不少于四个点，监测点设在建筑物的墙四角或屋顶固定的特征物体上。本工程西郊段变电站旁的职工宿楼平面图和监控点布设情况如图1所示：

3衬砌拱圈的变形。施工方在隧道中轴线每隔5m位置处即为拱圈横截面设一个监测面，监测点包含拱顶和两个拱脚不得少于5个点。西郊段隧道内衬砌拱圈的监测点如图2所示ABCDE五点位置：

4地下水的流量和岩层性质的变化。在离盾构机20m远处设1个地下水流量监测点。但是，与岩层性质监测一样，应加强现场观察，一旦发现异常情况应及时采取紧急措施。

(四)监控量测频率

施工方建立了一套定期监测的制度，监测频率见表2。当施工进入雨季，或者已发现施工过程出现地质异常、地表沉降等现象，应适当增加监测的频率。

(五)数据的记录、初处理和信息反馈

各类监测的数据应及时记录在案，经过去伪存真处理后，应对数据进行初步处理和结论判断。如施工方在该隧道的西端Kl+210～K1+235桩号间每隔5m处连续三天测得的拱顶沉降量记录见表3：

从表3中可以判断出，该隧道K1+210～K1+235间拱顶沉降量大致相同。3月17日上午量测到K1+225的沉降量稍大于其它桩号，偏差范围为15％，后逐渐趋于稳定，说明该段隧道整体性沉降好。

同时，为实现监控过程的信息化管理，有条件的企业应建立一套监控管理系统，通过录入原始的“地表土体监控参数”、“地表建筑物的监控参数”、“衬砌拱圈的监控参数”和“地下水的监控参数”，利用系统的线性回归分析系统预测即将发生的各类现象，以便施工单位提前做好相应准备；各类录入的参数可以通过后处理平台绘制相应的曲线，以便于进行直观分析。

四、结语

随着盾构机技术的发展，盾构法掘进技术的应用范围将更加广泛，在碎岩层修建隧道等地下结构，势必要遇到沉降、变形等各种难题，因此建立一套“量测－记录－处理－反馈”的监控体系对于保证盾构法隧道施工的安全和质量十分必要。文中探讨的盾构法掘进技术监控体系可以为施工管理和监测提供参考，更加完备的监测体系有待各位进一步探讨。

参考文献

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作者简介：丘添茂(1976-)，男，福建上杭人，福建省闽西交通工程有限公司工程师，研究方向：隧道施工管理。