大直径铁路盾构隧道的施工监测

季清清

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏南京211899)

近年来我国公共基础交通事业发展迅猛，我国的高铁线路总里程不断增加，随之出现了一大批高铁隧道。高铁隧道修建过程中不免会出现下穿既有工程的情况，此时必须对既有工程进行监测，以保证其工程安全性。在隧道下穿施工和监控量测方面国内已有许多专家和学者进行了研究。唐文栋［1］等在了解现有隧道监控量测发展现状的基础上，分析了现有监测的主要问题，介绍了新型监控量测技术手段及实际应用，最后提出对现存问题的解决意见；张栋［2］基于实际工程提出周边的深基坑工程开挖会导致地铁出现变形，从而造成质量隐患；并以此对紧邻地铁隧道深基坑开挖时隧道变形监测进行分析，具有一定参考价值。胡贵松［3］以上跨既有隧道施工为例，探讨了在既有隧道内进行自动监测，总结了自动监测的优越性，能为类似工程提供参考；关清辉［4］以某铁路隧道下穿既有桥梁施工为依托，对施工前检测，施工中监控量测进行研究，为此类工程的施工提供了基础数据和参考实例；张新［5］以金牛山隧道为例，对隧道下穿既有公路的综合施工技术进行研究，通过合理的监控量测技术指导施工，保证下穿施工段的沉降符合标准；曾继光［6］结合龙洞堡机场隧道下穿既有建筑施工，综合多种监控量测方法，将监测数据结果应用至实际施工中，保证了既有建筑的安全运营；彭放枚［7］以实际工程为背景，对邻近桥桩隧道施工监测方案进行设计并对监测数据进行分析，提出了对保证隧道邻近桥桩安全施工建议措施；贺文涛［8］以实际地铁工程为依托，提出对地铁下穿施工时对周边建筑沉降的监控量测进行管理，保证监测结果的准确性，辅助施工任务的顺利完成；张英［9］以重庆市大坪地铁车站为例，介绍了隧道下穿施工时监控量测方法，并与隧道拱顶下沉和拱架应力量测结果进行对比分析，验证了隧道围岩支护的稳定性；齐卫涛［10］以隧道下穿环城高速为例，对浅埋暗挖CRD法下穿施工时进行监控量测，并以此为基础提出相应的施工措施，保障了隧道安全施工及高速公路的安全运营。

以上各位专家和学者对隧道下穿施工及监控量测的研究已取得许多成果，但在大直径盾构隧道下穿既有工程方面的研究不多，本文即以新建北京至张家口铁路JZSG-1标段大直径盾构隧道为工程依托进行隧道下穿施工监控量测，探究下穿施工各阶段对既有工程沉降变化的影响，揭示下穿施工对既有工程的影响规律，以保证上覆地铁区间的安全运营，同时为以后类似工程提供相关借鉴。

1 工程概况

1.1 既有隧道情况

新建京张铁路清华园隧道盾构段于DK15+826～DK15+847下穿紧邻地铁10号线知春路站的区间段，清华园隧道与10号线区间段交叉角度为79°，垂直净距为6.5 m；清华园隧道距离地铁10号线知春路站西侧最小水平间距为1.5 m，具体位置关系可见图1。

图1 京张高铁下穿地铁10号线位置关系剖面

清华园隧道下穿的10号区间段采用暗挖施工，马蹄形断面高度为6.7 m，宽度为6.5 m，采用φ377夯管管棚支护，上下两个台阶开挖，衬砌采用C25喷射早强混凝土厚度为30 cm。

10号线知春路地铁站沿东西走向长度约172 m，南北方向西侧宽度约为24 m、东侧宽度约为37 m，清华园隧道从地铁站西侧区间段下穿；10号线知春路地铁站左线(北侧线)为单层结构、右线(南侧线)为双层结构，站厅层位于右线第一层。左线采用暗挖法施工，采用马蹄形断面高度为9.25 m，宽度为10.3 m，初支采用30 cm厚C25早强喷射混凝土，二衬采用50 cm厚C30模筑防水钢筋混凝土。右线(南侧)采用明挖法施工，采用双层矩形断面，西侧顶板厚度为80 cm，西侧边墙厚度为70 cm，西侧底板厚度为90 cm，围护结构采用φ800@1.4 m钻孔桩，临近清华园隧道桩底标高为22.127 m，桩底距离盾构管片最小距离为1.75 m。

1.2 工程重难点

(1)盾构机直径大，本工程修建高铁隧道选用盾构机直径为12.64 m。

(2)本工程采用泥水平衡盾构机进行高铁隧道施工。

(3)下穿施工风险大，本工程是为高铁隧道下穿既有地铁线路10号线，垂直净距仅6.5 m，下穿施工时必须保证既有地铁线路的安全运营。

2 监测方案及监测结果

2.1 监测项目及频率

本次监测采用自动化监测方式对10号线轨道结构及车站结构进行监测。监测项目及频率见表1。

表1 监测项目及频率

2.2 监测点布设及监测方法

2.2.1 基准点与工作基点的埋设

基准点采用城勘院给定的水准网控制点或自行制作。基准点和工作基点应埋设在沉降影响范围以外的稳定区域内；其次应埋设最少两个基准点和若干工作基点，以便基准点及工作基点互相校核；基准点与工作基点的埋设要牢固可靠，采用标准地表桩，必须将其埋入原状土，并做好井圈和井盖。在坚硬的道面上埋设地表桩，应凿出道面和路基，将地表桩埋入原状土，或钻孔打入1 m以上的螺纹钢筋做地表观测桩，并同时打入保护钢管套，如图2所示。

图2 基准点埋设示意

基准点埋设完毕并稳定后，按国家精密水准测量的要求进行高程的引测。基准点和工作基点的联测也应按国家二等水准测量的要求进行。监测工作开始后也应对基准点和工作基点进行定期的检测，检测时间间隔一般不超过3个月，具体也可视联测结果作适当调整。

利用水准仪，采用几何水准测量方法，将监测点与基准点或工作基点组成闭合环或附合水准路线，条件不具备时采用支点观测。

监测期每月不少于一次对水准仪i角进行检查校正，观测时严格控制各项限差，每测点读数高差不超过0.3 mm，对不在水准路线上的观测点，一个测站不宜超过2个，超过时应重读后视点读数，以作核对。

2.2.2 地表沉降及管线沉降监测

(1)测点布置与埋设

严格按照审查后的监测图纸布点，运营道路沉降监测点应优先考虑设置在辅路上，其次是道路两侧路边及应急停车带，在道路中间的监测点，应尽量避免将测点布置在道路中间。地表沉降点采用标准设点或浅层设点两种方式，由于周边环境和城市主干道交通十分繁忙无法或不允许按照标准法埋设监测时宜采用浅层埋设方法进行监测点布设，布设时可根据现场情况灵活布设。

(2)监测方法

利用水准仪，采用几何水准测量方法，将监测点与基准点或工作基点组成闭合环或附合水准路线，条件不具备时采用支点观测。

监测期每月不少于一次对水准仪i进行检查校正，观测时严格控制各项限差，每测点读数高差不超过0.3mm，对不在水准路线上的观测点，一个测站不宜超过2个，超过时应重读后视点读数，以作核对。

具体监测点布置方式见图3，本次监测分别在地铁车站纵向、地铁管线上方横向地表、地铁线轨道床布置测点。

图3 监控量测平面布置

3 监测结果

本工程监测采用自动化监测技术，监测时间从高铁隧道掘进施工影响既有工程到既有工程完全脱离盾构掘进影响范围结束。

3.1 地铁车站监测结果

自动化监测时间从地铁车站开始沉降至高铁隧道完全穿过车站，测试时间为2018年9月20日～2018年11月12日，测得数据54个。

对于知春路地铁站监测时测点是沿盾构隧道掘进方向布置，本文沿纵向选取8个测点提取监测数据进行沉降变化分析。具体沉降变化见图4。

图4 知春路站时间沉降曲线

由图4可知，随高铁隧道的施工推进，各个测点逐步开始出现沉降，并且随着高铁隧道推进的过程中地铁车站沉降变化趋势为先增大后有轻微回弹然后保持平稳。在第15 d时，各个测点沉降基本已达到平稳，第30 d时，沉降值已经全部平稳，基本再变化。8个测点所测得的监测数据变化规律基本相同，但各个测点沉降最大值并不一致，其中测点2和测点3沉降较小，且基本相同，最后沉降值稳定1.3 mm左右，而测点1/5/7的最终沉降大小基本相同，最后稳定在2 mm左右，在8个监测点中，测点4沉降值是最大的，接近2.5 mm，出现各个测点测得沉降值这种变化的原因是地铁车站本身结构并不是处处相同，在车站下方有承重基础的地方，车站本身的沉降越小。

3.2 地铁管线地表监测结果

此类监测测点布置在地铁管线对称面上方地表，测点沿地铁线纵向布置，即布置方向与高铁隧道施工方向垂直，布置范围为高铁隧道中线左右50 m，向右为正，向左为负。本文监测即针对高铁隧道施工影响分的五个阶段进行监测分析；即第一阶段为盾构施工达到下穿影响区，第二阶段为盾构切口到达下穿点，第三阶段为盾构机施工穿过下穿点，第四阶段为盾构机尾部空隙沉降，第五阶段便是下穿点盾构施工完成后出现的后续长期沉降。具体监测数据如图5所示。由图5可以看出盾构机掘进施工时各个阶段地铁线上方的地表沉降变化规律。各个阶段施工影响获得的监测数据变化规律基本一致，沉降最大值发生位置为高铁隧道中线正上方，发生阶段为第五阶段，大小为2.71 mm。随高铁隧道的推进施工，各个测点逐渐开始沉降，且越靠近高铁隧道中线，沉降值越大，位于中线正上方测点测得沉降值最大；而在盾构施工影响的各个阶段中，随阶段的发展地表沉降值也随之增加，即各个测点第一阶段的沉降值最小，第五阶段的沉降值最大。

由图5可以看出沿测点分布线各阶段测点测得整体沉降值变化规律基本相同，且邻近阶段沉降值变化最大的是第二阶段到第三阶段，即为盾构下穿施工时期沉降变化最大其中第二阶段最大沉降值为2 mm，第三阶段最大沉降值为2.5 mm。从第四阶段至第五阶段测得沉降值变化很小，监测获得最大沉降值均在2.7 mm左右，这说明本工程在沉降控制方面的措施效果很好，盾构施工结束后后续沉降基本没有发生。

图5 地铁线上方横向地表沉降

3.3 地铁管线轨道床监测结果

本文在对轨道床受施工影响方面选择轨道床沉降、高低、扭曲等轨道不平顺值进行研究，在这里选取地铁10号线的左线进行研究，具体的对左线轨道床监测获得的不平顺值见表2。

表2 地铁10号线轨道不平顺计算值

表2即为地铁10号线左线轨道床监测获得的不平顺值计算结果，其中扭曲最大值是选取3 m为一个阶段进行计算。由表可知，地铁10号线的轨道床不平顺计算值最大值均发生在盾构施工的第三阶段，即盾构施工下穿阶段，同时通过对照以往工程发现本工程中地铁线轨道不平顺值均未超过控制值，保证了既有地铁线路的安全运营。

4 结论

本文通过自动化监测技术对高速铁路大直径盾构隧道下穿既有地铁线进行监测研究，重点监测地铁车站、地铁管线上方地表等的沉降以及地铁管线轨道床不平顺值变化。

通过对监测数据分析和研究，揭示了大直径高铁盾构隧道下穿施工时的影响规律，同时通过实时监测数据分析对施工进行指导，保证了既有工程的正常运营，对以后类似工程修建时保证既有隧道安全运营具有提供参考借鉴。