地铁盾构施工影响下摩天轮实时监测技术研究

谢春光，王 磊，刘 洋

（天津市市政工程质量检测中心，天津 300074）

一、引 言

当前，地下隧道施工带来的环境扰动问题越来越受到重视，其中盾构施工对临近桩基的影响尤其具有代表性。由于地下隧道施工不可避免地会引起周围岩土层的变形和位移，当隧道施工至桩基附近时，必然会引起桩基的侧向应力和附加变形，桩基周围土体位移会增大桩基沉降，降低桩基承载能力。当地铁隧道穿越城市桥梁及其他建筑物时，必然会对临近桥梁及建筑结构产生不利影响，严重时还将对既有结构的正常使用产生严重影响。因此，必须在地铁施工过程对重要的地面建筑物进行监测以确保其安全。

天津永乐桥摩天轮为世界上唯一一座建立在桥梁上的摩天轮，结构复杂，所受影响因素众多。本文以天津西站至天津站地下直径线下穿永乐桥为例对摩天轮进行实时监测。

二、工程概况

永乐桥位于天津市河北区与红桥区交界处的子牙河上。主桥中央的河面上竖立起直径为110 m的摩天轮和两个高度达65 m的“人”字形钢结构塔架，摩天轮轮盘为辐射状拉索和钢管桁架轮箍组成的结构。“人”字形塔架结构则由互成120°的3条直线型钢箱体组成，摩天轮结构由在顶部连接两个“人”字形钢结构塔架的横梁支承。永乐桥集交通、商业和观光等功能于一体。主桥为两层，上层为机动车道，下层为非机动车和步行通道以及商业空间。

盾构从永乐桥4#、5#墩中穿过，地铁路线中线与永乐桥5#墩位中心线基本平行，夹角为1.45°。隧道结构外轮廓与5#号墩外侧桩基净距为4.5～5.8 m，与主桥4#号墩外侧桩基净距为15.9～16.4 m。为了保障永乐桥摩天轮运营安全，盾构施工期间采用全站仪对摩天轮“人”字形塔架进行实时变形监测。具体位置如图1、图2所示。

图1 隧道与摩天轮位置平面图

三、监测仪器

采用徕卡TM/TS30型全站仪，其标称精度为测角精度±0.5″，测距精度 ±（0.6 mm+1×10-6D），TM/TS30型全站仪使用压电陶瓷驱动技术，不受电场、磁场变化影响，仪器采用低压铸造工艺，能抵御恶劣天气影响，适应环境能力强。

本次监测采用GeoMoS自动化监测系统。该系统由徕卡TM/TS30型全站仪、GeoMoS监测软件、徕卡圆棱镜、计算机及专用通信供电电缆组成，集自动完成测量周期、实时显示变形趋势等智能化功能于一体，是进行自动变形监测的理想系统。

图2 隧道与摩天轮位置立面图

四、监测的等级与方式

本次监测的对象是永乐桥摩天轮，选择二级变形监测。依规范规定:观测点坐标中误差不超过3 mm，观测点绝对沉降中误差不超过0.5 mm。

工作基点离最远监测点372 m，最短308 m，平均340 m，监测方式采用自由设站法；沉降观测采用三角高程法。

计算各监测点的三维坐标极坐标公式为

极坐标三维坐标测量的精度估算公式为

按TM/TS30全站仪的标称精度、Dp取340 m进行估算，其一测回观测误差预计结果见表1。

表1 全站仪精度估算表 mm

监测周期为24天，从盾构距永乐桥25 m开始到离开永乐桥25 m结束（2011年10月5日—2011年10月29日），监测频率为每小时6次，一天24小时连续不间断监测。

五、监测点布设

在摩天轮转轴附近“人”字形钢结构塔架处布设2个点，在接近塔架底部设4点，共6个监测点。1#—3#监测点为永乐桥下游测点依河北侧至红桥侧顺序布设；4#—6#监测点为永乐桥上游测点依红桥侧至河北侧顺序布设。具体位置如图3所示。

图3 自动化监测点位布设示意图

六、监测成果

以盾构机通过永乐桥摩天轮前、中、后3部分进行成果分析。

盾构机施工阶段天气情况见表2。

表2 盾构机施工天气情况表

对监测点每天24 h不间断观测，因白天工作基点和监测点受外界因素影响较大，所以沉降位移-时间曲线图中数值取用凌晨0:00—1:00外业采集数据的平均值，单位为m，结果如图4、图5所示，盾构机通过前、中、后监测结果见表3。

图4 位移与时间曲线图

图5 沉降与时间曲线图

表3 盾构机通过永乐桥沉降位移表 mm

1.监测数据分析

从监测数据结合盾构机掘进来看，10月5日—10日盾构施工即将达到“人”字形塔架时，对摩天轮塔架影响位移在0.1～1.7 mm之间，高程在-0.13～0.14 mm；盾构施工进入监测区域后，对摩天轮塔架影响逐渐加大，10月18日—20日盾构日掘进分别为16.2 m、9 m、9 m，2号监测点最大位移达到5.8 mm，最大高程达到0.46 mm；盾构通过后，监测点的位移和高程逐渐回归，10月23日有7℃的降温，2#点与5#点位于钢结构顶端，受温度影响沉降幅度增大，分别至-10 mm、-11 mm，之后气温逐步回升，2号点与5号点的沉降量也随之上升，其余各监测点均在一定范围内波动，没有较明显的变化趋势。

2.温度对摩天轮数据的影响分析

与盾构施工通过永乐桥前气温相比，通过时降温6℃，通过后降温8℃，钢结构膨胀系数1.2×10-5，摩天轮高65 m，温度对钢结构伸长量的影响为

因此，永乐桥摩天轮2#、5#高程受气温变化分别为

通过中:65 m×（-6）×（1.2×10-5）=-0.004 7 m；

通过后:65 m×（-8）×（1.2×10-5）=-0.006 2 m；

经过温度修正后，盾构机通过永乐桥对摩天轮的影响见表4。

表4 温度修正后盾构机通过对摩天轮影响值 mm

根据评估报告可知，盾构掘进引起的土体扰动会对摩天轮基础产生一定的变位影响。盾构起始方向的摩天轮塔架脚点最大沉降值为4.7 mm，盾构前进方向的摩天轮塔架脚点最大沉降值为5.7 mm；摩天轮承台沿永乐桥顺桥向最大水平变位为2.6 mm。因此摩天轮塔架变形均在允许范围内。

七、结 论

1）徕卡TM/TS30型全站仪可以在城市中观测条件比较复杂的情况下实现全天候、高精度测量，提供可靠的观测结果，其自动功能不仅可以提高工作效率，还能减小人为误差，保证观测成果的准确性和可靠性，为工程的顺利施工提供有力的支持。

2）温度变化对钢结构的变形存在较大影响，在进行监测结果分析时应剔除温度的影响。

3）在地铁盾构过程中摩天轮的变形均在理论范围内，结构处于安全状态。

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