浅埋暗挖地铁车站施工监测工法

北京地铁项目经理部

一、前言

浅埋暗挖地铁车站在城市施工中已经被广泛采用，在施工和使用过程中要保证人生、结构的绝对安全。但在设计及施工过程中，由于地质条件、荷载条件、材料性质、施工条件和外在条件的复杂影响，而且，基于当前土压力计算理论及复杂地铁车站结构建模的局限性，很难单纯从理论上准确预测工程中可能出现的问题。所以在地铁暗挖过程中，必须对初期支护结构、周边建筑物、地下管线及地面土体等在理论分析指导下有计划的监控量测。采用一定的监测手段，减少了施工的盲目性，及时发现施工过程中的异常并起到预警作用，开挖过程中要求车站结构及各种管线路必须做到“不陷、不塌、不裂、不断”，保证暗挖地铁车站的安全施工。   

中铁五局承建的北京地铁十号线劲松站严格按照信息化指导施工顺利完成了车站的小导洞施工、三连拱结构支护体系，有效的控制了周边建筑物及结构够的安全，监控量测作为信息化施工手段在该工程已经标准化，规范化，科学化，现就该监测技术整理成工法。

二、工法特点

1、人力、物力及财力投入较大。成立专门的监测小组，进行日常监测数据采集、分析、管理等工作。监测工作需要的设备价格均较昂贵，且数量较多，资金投入大。

2、监测工作必须贯穿监测项目的始终。工序开始前进行初始值采集，工序进行中进行日常监测，监测项目各工序完成后进行结构稳定性监测，对每一测点的监测结果要根据管理基准和位移变化速度mm/d等综合判断结构和建筑物的安全状况。

3、监测对象的代表性、针对性。由于监测仪器昂贵，监测数据采集、处理繁琐，布置测点不可能面面俱到，测点要有代表性和针对性。监测点要能基本反映主要结构的受力、变形情况，同时尽可能采集到结构受力或变形最大值。往往是结构转换突变处，结构物跨中部位等等。

4、监测项目要全面。对暗挖地铁重要转换结构进行一项或很少的几项原体监测往往不够，如存在人为误差，便无法对监测数据进行检验，导致监测反馈信息不准确。必须采用多项监测手段，其结果可以双重或多重复核。如竖井开挖时同时监测围岩内力，初支结构横向位移，横向支撑轴力。

5、监测数据分析精度高，监测人员素质高。暗挖地铁车站结构复杂，立体交叉及受力转换点多，监测技术含量高，要求监测人员具备测量、土力学、结构力学、钢筋混凝土结构、地质、计算机等知识。

6、监测过程需要多方合作协调。如何将监测的数据成果应用到实际施工中去是监测的主要目的。监测小组往往由项目经理部直接管理监督，监测小组分析数据后必须及时向相关负责领导汇报结果，发现结果有异常或险情时，项目经理部应立即采取措施进行排除，监测才能起到应有的作用。

三、实用范围

1、洞桩法浅埋暗挖地铁车站、暗挖隧道。

2、地下商场、工厂。

3、其他结构复杂的大型地下工程。

4、周边环境要求严格的深基坑等工程。

四、工艺原理

洞桩法浅埋暗挖车站监测是通过对车站暗挖过程中的围护结构、支护体系、承重结构、临时支撑、地下各种管线路、覆土层地表及周边建筑物或其他结构物布置测点，埋设监测仪，进行数据采集，分析数据，结合现场具体情况进行判断监测对象是否安全的连续性工作。

每一测试项目都应根据实际情况的客观环境和设计计算说明书，事先确定结构相应的警戒值。在车站开挖过程中，通过对各监测项目进行数据测读分析，以判断位移、变形或受力状况是否超过允许控制范围，判断工程结构是否安全可靠，是否需要调整施工步骤或优化原设计方案，同时通过监测数据分析结果制定经济合理的措施，达到保证安全的目的，减少盲目的投入和不必要的担忧。PBA浅埋暗挖车站开挖监测原理如图1所示。

以监测数据为依据，对车站结构进行动态观测和分析，还可以起到以下作用：

1、监视围岩应力和变形情况，验证支护结构的设计效果，保证支护结构稳定、地表建筑和地下管线的安全，确保地面交通的正常运行、地面建筑物及地下管线的正常使用。

2、提供判断围岩和初期支护基本稳定的依据。

3、通过监控量测，了解施工方法和施工手段的科学性和合理性，对结构受力转换不合理或设计承载能力不够的部位起到预警的作用，以便及时调整施工方法或设计的支护参数，保证施工安全。

五、施工工艺及方法

（一） 浅埋暗挖车站监测工法工艺流程图（以分项工程小导洞开挖为例，见图2）。

（二）洞桩法施工暗挖车站监测工法要点

1、  主要监测点的布设与保护

根据确定的监测项目进行监测点布设，监测点布设时一定要注意保证监测点对结构变形或受力状况反映的真实性，如在路面布设沉降点时必须将钢筋头插入到路面沥青层以下，然后用钢管套保护，保证钢筋头能同路面以下土体同时沉降，否则由于钢筋与面层沥青之间阻力太大不能反映真实结果。常用的监测点布设方法见图3~图6。

2、 监测项目、监测仪器及监测频率等（见表1）

表1  现场监测项目、方法及监测频率等汇总表

现场日常监测工作所用的仪器有水准仪、经纬仪、钢筋应力计、土压力计、测斜仪轴力计等。

（1）水准仪

这是施工中应用最频繁的仪器，使用方法不再说明。主要用于监测地面沉降、建筑物管线沉降、导洞支护体系沉降，测量控制点位置不能在沉降、变形区内，并经常与相邻管段水准点进行联测。各种沉降监测点具体设置方法见图3~图6。

（2）经纬仪

用于观测周边建筑物倾斜、竖井壁的侧向位移、钢管柱及顶纵梁水平位移，测量控制点不能在沉降变形区内。

（3）钢筋应力计

1）钢筋计的连接及布置。钢筋应力计焊接于导洞格栅钢架主筋上，当作主筋的一段，焊接面积不小于钢筋的有效面积，在焊接钢筋计时，为避免热传导使钢筋计零漂增加，需要采取冷却措施，用湿毛巾或凉水冷却是常用的有效方法（见图7）。

钢筋计的布置位置或间距根据结构的具体情况和需要而定，如地铁车站小导洞开挖时，洞门处必须设置。

2）钢筋计的使用要点。钢筋计主要用于测量车站初期支护结构的受力状况。在安装时作好信号线的防水处理及保护措施；做好信号线与钢筋计的编号，做到一一对应；保证钢筋计的焊接质量；安装后立即取得初始值。

（4）土压力计的安装及要点

土压力盒的安装。安装时接触面紧帖土体一侧，采取钻孔埋设，并用同性质土体将钻孔填充密实。压力盒周围不能有松土，并保证浇注混凝土时位置不变动，不被混凝土包裹，数据输出线必须编号保护好，数据采集时根据编号一一对应记录，不能混淆。其安装示意图见图8，安装后立即取得初始值。

（5）测斜管安装及要点

1）测斜管的布置。测斜管主要用来监测孔桩的倾斜。测斜管多用圆形，直径常见有φ50mm、φ70mm等，每节长度一般2m，多为PVC塑料管，接长到设计长度后绑于钢筋笼上一起吊装如孔内。测斜管的底部和顶部必须用盖子封住，防止沙浆、泥浆及杂物进入孔内。

2）测斜管的使用要点。埋设测斜管时保证管垂直，并与钢筋笼绑扎牢固；数据采集时必须保证测斜仪与管内温度基本一致，显示仪读数稳定后才开始测量。

4、监测数据管理基准值

由于PBA暗挖地铁车站工程施工难度大，监测后对各种监测数据及时进行整理分析，判断其稳定性并及时反馈到现场施工中去指导施工。

基准值的管理标准分三级，即预警值、报警值和极限值，分阶段进行控制。预警值为管理基准值的0.7倍，报警值为管理基准值的0.85倍，极限值为管理基准值的1.0倍。根据管理级别启动应急预案，当监测数据达到预警值时，须采取加强措施，同时加强监测频率；当监测数据达到报警值时，立即停止开挖施工，采取超前加固或采取加强措施后方能继续施工。当接近极限值时，停止施工，分析原因，研究对策，并对周边建筑物安全状况进行评估，通过设计院及专家共同研究采取专项加固措施。监测控制标准管理值见表2 ，位移速率控制标准见表3

表2 监控量测基准管理值表

监测项目

极限沉降

表3 位移速率控制标准表

取得监测数据后，要及时进行整理，绘制位移随时间或空间的变化曲线图。

在取得足够的数据后，还根据散点图的数据分布状况，选择合适的函数，对监测结果进行回归分析，以预测该测点可能出现的最终位移值，预测结构和建筑物的安全性。据此确定施工方法的正确与否，是否调整支护参数。以劲松站小导洞开挖时地面沉降为例，其时间位移关系图如表4。

当曲线向下凹说明沉降速率变小，围岩趋于稳定；当曲线呈直线上升，不管沉降位移多大，应该发出警告并采取控制措施；当曲线向上凹说明沉降速率变大，围岩支护处于危险状态，必须停工采取措施。

表4  位移-时间关系例图

6、监测数据的反馈

信息化施工要求以监测结果评价施工方法，确定工程技术措施。因此，对每一测点的监测结果要根据管理基准和位移变化速度mm/d等综合判断结构和建筑物的安全状况。

为确保监测结果的质量，加快信息反馈速度，全部监测数据均由计算机管理，并将以日报表、周报表、月报表的形式进行施工期间的反馈工作。期间有特殊情况时，将以阶段小结形式进行及时反馈。

以小导洞开挖为例，监测数据的反馈程序见框图。如下图10：

六、劳力组织

浅埋暗挖地铁车站监测人员，一般情况下为3~4人成立一个监测小组，组长为监测技术负责人，组员2~3人为技术人员，同时兼职测量员，为了保证某一监测项目数据采集的相对准确性，测量员最好固定。在仪器安装时，人员可能增加。如焊接钢筋计需要配备电焊工，安装土压力计需要成孔人员。

七、机具设备配置（见表4）

表4  机具设备表

（1）坚持按计划、有步骤的进行，监测前编制工程监测实施性计划，包括监测程序、各种仪器的使用方法，监测精度，监测点的布置，监测的频率和周期。

（2）使用的仪器及传感器在施工监测过程中要保证其精度和可靠性，组织有经验的监测工程技术人员参与监测小组，确保施工监测质量。

（3）所监测的数据必须保证真实、可靠，监测人员必须对监测数据认真负责。

（4）根据施工具体情况确定监测项目，设定变形值，内力值及其变化速率预警值，当发现超过预警值时，及时报告相关负责人员，并采取应急补救措施。

（5）安排经验丰富的技术人员或测量员按要求进行现场观测，并作好记录，检查不利于支护结构稳定的因素，如支护结构稳定的施工质量、施工条件的改变，管道本身渗漏和不适当的排水以及气候条件变化等，在日常的现场观察中都能及时发现。此外，工程事故隐患，通过现场观察中能及时发现，及时处理，消除可能出现的安全质量事故。

（6）每个工程项目的监测资料保持有完整清晰的监测记录、图表、曲线、监测文字报告，并报送纵工程师审查。

（7）认真执行各监测仪器说明书注明的技术要求。

九、安全技术措施

该工法遵循《地下工程安全施工规程》，针对本工程还应注意以下事项。

（1）在繁忙交通的路面上进行地面沉降监测时需要配齐一定数量的安全防护人员、防撞背心及锥形标记。

（2）进行导洞拱顶沉降或竖井壁收敛测量时属于高空作业，必须有可靠的安全防护措施，系好安全带等安全设备。

十、效益分析

浅埋暗挖法地铁施工中监测需要投入一定量的资金购置和安装监测仪器。但其社会效益和经济效益是非常明显的，在暗挖地铁施工中，采用一定的监测手段，减少了施工的盲目性，及时发现施工过程中的异常并预警，保证了地铁的安全施工。通过监测数据的采集为暗挖地铁施工中的临时支护的动态设计提供了充分的依据，减少了不必要的投资。如北京地铁十号线劲松站采用了规范的监测手段，进行信息化施工，确保了暗挖地铁施工安全并对支护参数进行了动态设计，节约了投入资金约134万，同时路面沉降控制在30mm以内，确保了路面交通的正常进行，各种管线路无破裂、泄露、拉断等现象，为中铁五局完全能在繁华大都市进行复杂的地下工程施工赢得了声誉。

十一、工程实例

中铁五局承建的北京地铁十号线劲松站为浅埋暗挖车站，车站全长191.6米，开挖总宽度20.7米，两柱三跨双层结构，平均覆土厚度为10米，采用PBA工法逆做施工。该站位于交通繁忙的东三环路面下，周围高楼林立，地面管线繁多，对沉降控制非常严格。在开挖过程中采用监测数据信息化施工，安全成功的完成了导洞开挖、上弧初支扣大拱，三连拱结构支护体系等施工，保证了结构安全、人生安全，确保了路面交通的正常进行，各种管线路无破裂、泄露、拉断等现象。结构安全可靠，通过该监测工法的应用证明劲松站各支护参数是成功的。

（ 执笔人： 肖昌军 ）