盾构隧道监控量测技术--罗于恺

1、盾构隧道监控量测技术 2010.03.20,第一部分 监控量测的目的及意义 第二部分 监控量测相关规范及要求 第三部分 监控量测具体措施及频率 （1）地面监测 （2）地表建/构筑物与地下管线沉降观测 （3）隧道隆陷及隧道收敛 （4）特殊管线监测点的设置 第四部分 盾构通过既有线的自动监测技术 第五部分 目前国内导向系统的分类 第六部分 简析盾构施工测量系统误差因素 第七部分 如何避免盾构施工测量系统误差的措施 第八部分 盾构隧道施工监控测量技术的前景,盾构隧道施工监控量测技术,第一部分 监控量测的目的及意义,监控量测的目的：是预测在施工过程中对地层的不同扰动程度，地层中的应力扰动区延伸及扩散，有可能引起地表、附近重要或高大建筑物产生沉降、隆起或倾斜，根据地表监测成果及时反馈信息指导和控制施工。同时为盾构机在掘进过程中正确调整技术参数提供信息，优化设计及施工参数，使隧道施工时达到优质、安全、经济合理、施工快捷的目的。 监控量测的意义是：使工程施工在可靠状态，满足设计及施工要求，使工施工过程中的地表允许隆陷值（10/-30mm），建筑物的不均匀沉降应小于有关规范的规定值。,第二部分 相关规

2、范及要求,施工过程中所有使用的仪器均应该满足设计及施工要求进行配置。 按照地下铁道、轻轨交通工程测量规范（GB50308-1999）对变形监测的要求，采用变形测量二等水准测量，高程中误差1.0mm，相邻点高差中误差0.5mm，环线闭合差0.6N1/2mm（注：变形点的高程中误差和点位中误差是对最近变形控制点而言，N为测站数）。 监测仪器要求：必须使用精密水准仪和铟钢尺，仪器精度不得大于0.1mm。在测量过程中，视距60m，前后视距差1.0m，前后视距累计差3.0m，当视线长度为20m以上时，视线高度0.5m，当视线长度为20m以下时，视线高度0.3m。,a.基点埋设 首先要进行基点的埋设，基点应埋设在隧道地表沉降影响范围以外的稳定区域内，埋设在视野开阔的地方以利于观测，同时应埋设多个基点（不得少于3个），以便基点互相校核。基点的埋设要牢固可靠，不易损坏，基点应和附近水准点联测取得原始高程。 b.测点埋设 根据施工段的围岩条件和周围建筑物情况来布置测点。一般地段，沿施工影响范围的中线方向每隔5米布设一个测点，每隔一定距离布设一个监测横断面。 横断面方向测点间隔，一般为58米，在一个监测面

3、内因设48个测点，地面顶突出5mm以内。 地面沉降测量应在施工影响开挖面附近，每天进行及每周进行后期的沉降观测，直到沉降稳定。当观测值变化较大时或应监理工程师要求应增加观测频率。具体如下表所示。,(1).地表监测,第三部分 盾构施工监测具体措施及频率,监测点布置形式,监测项目及频率表,a.建筑物监测 对在施工影响范围内的建/构筑物布置测点，测点一般布置在建筑物的四角或其它结构物周围基础上，对于大型建/构筑物的监测点加密布置。 根据建筑物情况及重要程度，在每栋建筑物上面至少每一个角设置一个观测点，以测量其位移、倾斜等。 对于重要建筑物应采用自动记录仪和警报装置进行监测控制。 b.地下管线监测 在施工影响范围内的地下管线沿长度方向每5m布施一个监测点。其余各项参照“地面建筑物监测”条款执行。监测方法与地面监测相同。 c.施测方法及控制 建筑物变形测量应在施工开挖面附近每天进行及每周进行后期观测直到沉降稳定，当观测值变化较大时或应监理工程师要求应增加观测频率。,(2).地表建/构筑物与地下管线沉降观测,盾构隧道掘进过程中，尽管采用了先进的盾构机施工，由于受盾构推力、注浆、隧道线形等影响，隧道

4、管片产生不同程度的位移，因此必须对隧道管片隆陷、隧道收敛等情况进行严格的监测和控制。 1)隧道隆陷量测 方法与地表沉降量测方法相同。在始发掘进、正常掘进过程中定期进行数据回归分析：未脱出盾尾脱出盾尾后备套内脱出后备套范围的一整套监测变形数据分析。 2)隧道收敛量测 采用收敛计进行隧道收敛监测。及时做出时间收敛值及开挖面距离位移散点图，对各量测断面内的测线进行回归分析，并用收敛量测结果判断隧道的稳定性。如果收敛值过大，应对周围岩体或土体进行加固处理；改变开挖方法或修改掘进参数。,(3).隧道隆陷及隧道收敛,施工影响范围内的所有管线监测严格按“地面建筑物监测”有关条款执行。 当地下管线密集地段时，监测测点布置根据地下管线与隧道的相对位置关系确定。一般情况下按照地下管线长度方向每5米布施一个监测点，监测点将布置在管线垂直正上方。 针对较为特殊的管线根据设计及业主的要求进行，条件允许的情况下可将管线挖出实施直接观测，同时对较为危险的管线实施提前加固处理观测其变形规律。,(4). 特殊管线监测点的设置,a.监测仪器设备及监测精度的要求 以徕卡全站仪TCA2003（精度：0.5”,1mm+1ppm

5、）为采集设备，配合相应的通讯及后处理软件，以实现自动化监测。 b.监测周期及频率 对地铁运营线路的自动化监测一般情况下1次/6小时，当施工影响较大或出现变形征兆时进行连续监测（1次/1小时）。 c.监测项目警戒值 根据营运线路的变形监测情况其项目主要有水平位移和沉降监测，沉降的警戒值一般为615mm（根据运营单位要求以及设计计算定）。,第四部分 盾构通过既有线的自动监测技术,d.监测断面布置及监测断面内监测点布置 变形监测点按监测要求进行断面布设，每个断面在轨道附近的道床上布设两个沉降监测点，中腰位置布设两个水平位移监测点，隧道拱顶布设一个拱顶沉降监测点，即每个监测断面布设5个监测点。各观测点用连接件配小规格反射棱镜，用膨胀螺丝及云石胶锚固于监测位置的侧壁及道床的混凝土中，棱镜反射面指向工作基点，各观测点位的布设见点位布设图。 布设监测点应严格注意避免设备侵入限界，可以将监测点布设在图中位置。 e.监测方法 自动监测目前采用徕卡Geomos软件进行自动变形监测较多，该系统由瑞士Leica公司开发用于自动型TCA系列的全站仪的自动监测，具有自动控制及变形数据分析功能，是目前该方面最先进的

6、系统。 该系统将自动完成测量周期、实时评价测量成果、实时显示变形趋势等智能化的功能合为一体，是进行自动变形监测的理想系统。,自动监测系统的基本组成图（单线）,1) 在无人值守的情况下，可以实现全天 24小时自动监测。列车运行时，系统也可以自动进行监测 , 克服了传统测量方法的不足 ,节约了大量的人力 , 为地铁提供了实时的安全运营保障。 2)建立高精度的基准点，采用实时差分式测量方案，可以最大限度地消除或减弱多种误差因素，从而大幅度地提高测量结果的精度。变形监测点位三维精度优于1 毫米。 3) 简化了气象等附加设备，为系统在计算机控制下实现全自动、高可靠的变形监测，创造了有利条件。 4) 实时进行数据处理、数据分析、报表输出及提供图形等。 5) 远程监控，自动报警。 6) 在短时间内同时求得被测点位的三维坐标, 可根据设计方案的要求作全方位的预报。 将TCA自动化全站仪安置在隧道侧壁的强制对中托盘架上，现场通过变压稳压设备对其进行不间断供电，保证对其本身的长效供电电池充电，全站仪数据通过CDMA（或其他网络商）模块传输到数据中心（办公室），同时将监测指令传输到采集设备（全站仪），实现远

7、程自动的变形监测。,自动监测系统的优点,TBM 激光导向系统具有施工数据采集功能、 姿态管理功能、施工数据管理功能以及施工数据实时远传功能, 可实现信息化施工。其中, 激光导向技术的应用, 可以准确地控制TBM 沿着设计的隧洞轴线方向掘进。 激光导向系统能自动精确测定IBM 的三维空间位置和掘进方向, 它还给出TBM 偏离设计中线的所有必要的导向信息, 计算机屏幕可显示 。总体可分为四种：PPS导向系统 、TACS隧道导航系统 、SLS-T隧道导向系统 、ZED隧道导向系统 。 无论是 NFM、Robbins公司采用的pps系统，海瑞克采用的VMT SLS-T APD系统，罗威特TACS隧道导航系统，ZED隧道导向系统的精度等级一般为2，地铁区间长度一般在1000M左右时，厂家推荐的精度等级完全能够满足掘进需要；但大型TBM项目的掘进距离一般在数公里至十几公里，因此对导向系统的精度等级要求也相对较高，可根据项目的要求及规范要求进行配置即可，但必须建立健全多级复核制度。,第五部分 目前国内盾构施工导向控制系统的简介,根据实践经验, 我们将影响系统导向的因素分为人为因素、TBM 与系统本身

8、的因素和其他因素。 a、人为因素 测量人员或者TBM操作人员没有完全有效地掌握激光导向系统的导向原理、操作规程等引起导向偏移;TBM 操作人员粗心大意, 没有密切观察操作台上的系统计算机屏幕, 致使隧道掘进的实际中线位置偏移了设计中线位置; 技术人员未经常检测系统各部件的安装是否牢固, 位置是否正确致使导向错误; 由于其他原因没有及时按照激光导向系统的要求向前移动后视棱镜或者没有将后视棱镜的安装位置选好等原因造成导向失败。 b、TBM 与系统本身的因素 没有任何一款无误差的仪器, 由于仪器本身精度( 系统各个元器件的测量误差、设备安装误差等) 的限制会导致导向本身产生误差; 由于电磁干扰或折光影响使得激光导向系统和TBM 控制测量测角产生误差; 由于机器行进过程中产生震动对计算机系统产生影响; 由于传输电缆的各端接口设计和制造标准不完全统一造成数据传输系统不稳定; 由于电力供应系统不完善或设计不合理造成TBM与系统不稳定等。 c、其他因素 原始数据的精确测量、隧道内粉尘密度的大小、洞内湿度、温度的高低、流动人员有意或无意对硬件进行的破坏等都是影响隧洞正确掘进的因素。,第六部分 简析盾构

9、施工测量系统误差因素,针对盾构施工测量技术相关影响因素，可采取以下的措施来提高盾构施工导向系统的测量精度。 （1）建立完善的施工测量制度, 测量人员与TBM 操作人员要掌握激光导向系统的组成、原理和性能, 严格操作规程。 （2）测量人员与TBM 操作人员要定期对仪器各部件进行检查, 如果发现突然异常, 要尽快找出发生异常的原因, 排除故障, 确保掘进方向准确无误。 （3）要定期对测量仪器的设站点、定向点坐标、后视棱镜坐标进行人工检测。 （4）在隧道掘进过程的间隙, 及时进行TBM 控制测量, 以检核、修正激光导向系统的有关参数。 （5）最好为系统计算机配备一个独立的电力系统, 当动力电源系统因故障突然停电时, 该独立电力系统能自动提供电力, 确保工业用计算机正常运行, 防止造成数据丢失并将测得的数据处理完毕, 加以妥善保存。,第七部分 如何避免盾构施工测量误差的措施,随着盾构施工技术逐渐走向成熟化，盾构施工监控量测技术也在不断的提高，高精密的测量仪器及设备不断诞生，盾构施工自动导向系统在机械化隧道施工中起着指导掘进方向的重要作用。不同制造厂商生产的激光导向系统可能在各单元的元器件上有所不同，不管它们在结构组成中有多么不同，但其基本原理是相同的。 自动导向系统的应用使得隧道采用TBM 法施工极大地提高了准确性、可靠性和自动化程度。全面了解激光导向系统的原理, 有助于工程技术人员在隧道的施工中及时发现问题、解决问题，保证隧道的正确掘进和最后贯通；有助于国产掘进机研制工作的开展。自动导向系统不仅使TBM 掘进机高速推进成为可能, ，也使广大测量人员可以将主要精力放在控制测量工作上。随着测量技术的不断发展, 新的测量手段不断出现, TBM 施工测量技术还会有很大的发展。高精度、自动化、智能控制是TBM 施工测量技术的发展方向。,第八部分 盾构施工监控测量技术的前景,结束语,以上是本人在盾构施工过程中对监控量测方面进行的归纳和简析，希望能给搞盾构施工测量的同志们提供一些借鉴，谢谢大家！,

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