摘要：城市地铁作为现代化交通工具，是城市现代化的重要标志和窗口，世界各大城市和我国主要与重要城市正在积极规划和筹建城市地铁。随着长距离、大直径、大埋深、复杂断面盾构施工技术的发展、成熟，盾构施工方法越来越受到重视和青睐，逐步成为地铁隧道的主要施工方法。
关键词：城市地铁；变形监测；盾构隧道测量
1盾构法施工步骤及特征
1.1盾构法施工的主要步骤
①在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井。
②盾构机在起始端工作井内安装就位。
③依靠盾构千斤顶推力（作用在己拼装好的衬砌环和工作井后壁上）将盾构机从起始工作井的墙壁开孔处退出。
④盾构机在地层中沿着设计轴线推进，在推进的同时不断出土和安装衬砌管片。
⑤及时地向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌环位置。
⑥施工过程中，适时施作衬砌防水。
⑦盾构机进入终端工作井后拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推进。
1.2盾构法施工有以下优点
①地面作业很少除竖井外，隐蔽性好，因噪声、振动引起的环境影响小。
②隧道施工的费用和技术难度基本不受覆土深度的影响，适宜于建造深埋隧道。
③穿越河底或海底时，不影响通航，也不受风雨等气象条件的影响。
④穿越地面建筑群和地下管线密集的区域时，对周围环境影响较小自动化程度
⑤高、劳动强度低、施工速度较快。
⑥可在盾构的掩护下安全地进行土层开挖和衬砌的支护工作。
⑦盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理。
⑧盾构法施工存在的缺点有
⑨施工设备费用较高。
⑩覆土较浅时，地表沉降较难控制。
⑪施作小曲率半径隧道时掘进较困难。
⑫盾构施工中为稳定地层采用必要方法时，对劳动保护要求较高，施工条件差。
⑬盾构法施工所用的拼装衬砌，对达到整体结构防水性的技术要求较高。
2盾构施工监测
2.1变形原因
盾构法修建地铁隧道引起地层位移的主要原因，包括施工过程中地层的损失、地层原始应力状态的改变、土体的固结与蠕变效应、衬砌结构的变形等。主要表现为：
①开挖造成地层原始应力状态的改变，引起地层位移。
②地层损失引起地层位移。地层损失包括建筑空隙或超、欠挖或其它土层流失，具体指盾构机工作面前方土体的挤入盾构机外壳直径和拼装管片直径不同产生的建筑空隙盾构机纠偏引起的土体超挖盾构机推进中，由曲率造成的土体损失盾构机推进时，切口环突缘引起的超挖。
③盾构机推进引起的土体孔隙水压力变化，降水引起的地下水位下降，造成地铁隧道土体的固结沉降。
④管片结构变形及土体的次固结和流变。
影响地层位移大小的因素主要包括：
①隧道埋深、上部荷载、土体性质土体的压缩性、强度的影响；
②盾构机性能的影响，体现在开挖面水压或土压不平衡，切削回转能力减弱，推进压力下降等因素引起开挖面坍塌、超挖，随隧道开挖出现偏差引起尾部空隙增大，开挖面切削转矩和盾构机推力过大引起地层扰动；
③回填注浆质量和操作质量的影响，表现在回填注浆是否充足、及时，衬砌管片拼装质量是否完善，水压或土压是否适当，盾构机推进姿态控制是否良好，是否发生偏差、蛇行，施工工序是否合理，施工人员操作是否熟练，经验是否丰富等。
2.2变形预测
目前，地层位移预测的主要方法有经验公式、数值模拟、模型试验研究、专家系统和灰色理论等。
专家系统和灰色理论是近年来热点研究课题，是一种变形预测的新思路，但该方法考虑因素繁多，模型复杂，在工程上应用较困难。模型试验方法费用高，可控性差。国内、外盾构法地铁隧道实际量测数据表明，以实际测量资料统计分析为基础的经验估计法，尽管模型简单，但比较实用，能够在设计阶段大致估计出可能产生的变形值大小，对施工有较好的指导作用。
对于盾构隧道，经验公式和数值方法己经成为预测地层位移的两个重要手段，但它们在应用上存在一定困难，表现在经验公式的应用受隧道几何形状、地层条件、施工方法和施工质量等因素的限制，而专家系统提供了解决这一难题的新思路，具体方法是通过总结以往的工程经验和研究成果，提炼出条理化的经验法则，上升到专家系统的知识库，在计算机上模拟专家的推理方式，这样做不仅可以绕过硬科学无法避让的种种困难，而且可以使预测结果更具有现实指导意义。
在研究隧道开挖过程中地层位移的规律方面，数值模拟占据着重要地位。通过详尽的数值分析，总结出地层位移的规律，也是一种极为有效的方法。
2.3变形控制
盾构法施工引起的地层损失和对相邻结构的破坏，是与施工的具体细节分不开的，不同的施工顺序产生的结果是不一样的，因此控制好盾构法施工的各个环节，就能很好地控制地层位移。盾构法施工过程的控制主要包括：
①盾构机推进
盾构机向前推进主要是依靠千斤顶的推力作用。一般情况下，盾构机的总推力应满足关系式正面土体主动土压力十水压总摩擦力盾构总推力正面土体被动土压力十水压总摩擦力。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆盾构机推进过程中应控制好推进速度，并防止盾构机后退，推进速度由千斤顶的推力和进出土量决定，推进速度过快或过慢都不利于盾构机的姿态控制，速度过快易使盾构机上抛，速度过慢易使盾构机下沉。
②盾构机姿态和纠偏量的控制
盾构机姿态包括推进坡度、平面方向和自身转角三个参数。影响盾构机方向的因素，包括出土量的多少、覆土厚度的大小、开挖面土层的分布情况、千斤顶作用力的分布情况等。盾构机的前进轨迹一般为蛇形，要保持盾构机按设计轴线掘进，推进过程中一定要及时了解、掌握盾构机姿态，并适时进行纠偏，且控制好纠偏量。
③土方的挖掘和运输
盾构机施工过程中，必须保持挖土量与排土量的某种平衡关系，否则将会引起地层隆起或沉降。因此在推进过程中，以进、出土量为目标，经常调节盾构机有关设备，使土方的挖掘和运输维持在一定的平衡状态。
④衬砌管片拼装
衬砌管片拼装过程中，一定要减小盾构机后退，拼装工作的关键是保证环面的平整度，防止因环面不平整造成管片破裂，甚至影响隧道轴线。同时保证管片与管片之间和管片与盾尾之间的密封性，防止隧道涌水。
⑤壁后注浆
盾构机外径与衬砌外径大小不等，衬砌管片脱离盾尾后形成的间隙圈，必须及时、足量注浆，否则将造成地层沉降，由于浆液体积收缩小，一般情况下，注浆量应为理论压浆量（等于施工间隙）的140%-180%。
2.4变形监测
地铁隧道通常位于软弱破碎岩层，稳定性差。如果对地铁隧道变形控制不力，将会出现围岩迅速松弛，发生冒顶坍方或地表有害下沉，危及地表建筑物安全。因此，地下铁道在修建和运营期间进行变形观测是完全必要的，通过变形监测随时了解、掌握隧道本身及周围环境的沉降和位移，采取措施防止形变继续，避免危害工程结构和威胁列车运营安全还可以累积监测资料，分析变形规律，为地铁轨道、设备检修及后续地铁设计、施工提供参考依据。
进行地表下沉观测，能及时了解洞体稳定状态，预测可能发生的危险，保护洞顶附近环境。地表及其建筑物的下沉观测，是在洞顶地面布置沉降观测点，用测量方法定期
观测监测点相对于基准点的高差，然后求得监测点的高程，比较不同时期测得的高程，获取地表沉降情况的资料。
地表沉降观测可以得到：
①在一定的埋深、施工方法和地质情况下，隧道开挖引起了多大范围的地面沉陷；
②随着隧道掌子面的推进，地面某断面的沉陷规律；
③地面沉陷的稳定时间。
隧道结构物发生裂缝，要了解形变现状和掌握发展趋势，必须进行变形监测。根据获取资料分析裂缝产生的原因和对建筑物安全的影响，恰切、及时采取有效措施控制形变。观测频数视裂缝的发展情况确定，一般情况下，裂缝有显著发展变化时，适当增加观测次数裂缝发展变化缓慢时，适当减少观测次数。隧道结构物受周围所处地质条件和所受外力变化的影响，必会产生沉降和偏移，垂直沉降和水平位移观测宜与裂缝监测同时进行，且监测次数保持一致。
地铁另一项重要的变形监测任务，是对地下隧道结构和车站的长期位移和沉降进行必要的重复观测。已经竣工并交付运营，但有严重病害的隧道、结构复杂的大隧道或采用某些新技术设计施工的隧道，必须进行长期的位移和沉降观测，从而了解、掌握隧道的技术状态和病害的发展变化，分析变形规律或考查、验证新技术的可靠性与稳定性。
2.5测量方法
对变形观测获取的资料进行整理、加工和分析，得出变形结论和预报形变趋势，是变形观测数据处理的主要任务，内容包括观测数据的检查和质量评定，观测值间相关性的估计和粗差的剔除变形的几何分析，即对建筑物空间状态的变化作出几何描述，包括变形值的大小和方向变形的物理解释，即应用回归分析法和确定函数模型法等，对变形原因作出合理判断和解释，并提高变形预报的精度。变形观测数据处理是一个较复杂的问题，它与近代平差理论、数理统计、力学、地质、计算机技术密切相关。
测量单位根据变形监测的内容和观测对象的精度要求，择优选择仪器设备和测量方法，尽最大努力提高监测数据的精确度和可靠性。
地表沉降和建筑物变形测量宜采用大地测量方法，多使用精密水准仪或精密全站仪；地下隧道和建筑物变形测量即可以采用大地测量方法，也可以应用自动化测量方法，多使用精密水准仪、电子全站仪或电动全站仪。
3变形监测的自动化
随着测绘科技的进步，变形测量自动化正在成为人们关注的方向，主要技术形式是GPS和TPS两大现代测绘技术的扩展性应用。
GPS变形测量从GPS原理可知，利用双频、差分等技术，能大大提高GPS测量点位的坐标精度，随着GPS测量技术的不断发展和科技研究的不断深入，GPS测量点位的坐标精度己经达到亚毫米级（即小于1mm）。GPS自动化变形测量的基本思路是：
①在建筑物、构筑物上预定变形点。
②在变形点安置接收机，条件许可时，可在各变形点上同时安置接收机，启动接收机接收卫星信号，获取变形点的点位坐标参数。
③利用后处理软件对获取点位坐标参数进行相关处理，解算出变形点最后的点位坐标参数值。
TPS变形测量：TPS变形测量的仪器设备是全站仪和反射器。全站仪自动化变形测量，以可控连续测量特征为基础，采用类似于前、后方交会测量的技术方式进行。TPS变形测量的主要优点包括：
①可单机多测点变形测量
②三维参数、实时性强
③功能多、劳动强度低
④带有自动瞄准与跟踪的全站仪，可以实现无人值守和远程控制的变形测量。
4 总结
随着测绘科学技术的迅速发展，地铁隧道工程测量技术也在不断创新和进步。当代
工程测量的GPS定位技术、数字化测图技术、物探方法进行地下管线探测技术、激光准直和扫平仪技术、全站仪与计算机组合断面测量和数据处理系统、施工变形测量和监控量测自动化系统等，在北京和全国地下隧道工程测量中己经得到广泛应用和发展。以智能化、网络化为核心的变形测量自动化工作原理，已经在现代土木工程动、静态变形测量中得到成功应用。
参考文献：
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[4]程新文。测量与工程测量。中国地质大学出版社，2003
[5]施一民。现代大地控制测量。测绘出版社，2003
论文作者:曾治朝
论文发表刊物:《基层建设》2016年16期
论文发表时间:2016/11/1
标签：盾构论文; 隧道论文; 测量论文; 地层论文; 管片论文; 位移论文; 地铁论文; 《基层建设》2016年16期论文;